ایسکمی شرایطی است که در آن جریان خون و اکسیژن‌رسانی به بافت‌ها محدود گشته و باعث ضعف، درد و در موارد جدی‌تر، آسیب بافت یا اندام می‌شود. ایسکمیِ بافت عضلانی در بیشتر موارد ناشی از آترواسکلروز بوده و ممکن است عوارض خطرناکی هم‌چون بیماری شریان کرونری، سکته‌ی قلبی و البته بیماری مزمن شریان‌های محیطی (PAD) را در پی داشته باشد. علائم PAD می‌تواند تنها شامل یک ناراحتی ساده و دشواری در راه‌رفتن یا در موارد پیچیده‌تر، درد شدید باشد که حتی امکان دارد منجر به قطع اندام در اثر آسیب برگشت‌ناپذیر عضلانی گردد. از روش‌های درمانی مورد استفاده برای این عارضه، می‌توان به داروهای رقیق‌کننده‌ی خون، آنژیوپلاستی و در حالت شدید، جراحی قلب باز (بای‌پس) اشاره کرد. اگرچه درمان‌های امیدوار‌کننده‌ای به‌عنوان جایگزین مداخلات جراحی، وجود دارد؛ به‌عنوان مثال، به‌منظور افزایش جریان خون ناحیه‌ی ایسکمیک می‌توان از طریق فاکتورهای رشد آنژیوژنیک هم‌چون فاکتور رشد اندوتلیال عروقی (VEGF) و فاکتور رشد شبه‌انسولین ۱، موجب آنژیوژنز تحریکی یا رشد عروق خونی جدید در ناحیه‌ی مذکور گشت.
مقاله مرتبط: عوامل تعیین‌کننده‌ی مصرف اکسیژن قلب
تزریق فاکتورهای رشد به صورت سیستمیک یا تزریق مستقیم آن‌ها به عروق خونی، روشی آسان برای واردسازی فاکتورهای رشد نوترکیب به داخل بدن است. اگرچه این روش در شرایط نیاز به دُزهای بالاتر فاکتورها، چندان ایمن و کارآمد نیست؛ چرا که محل ایسکمی به‌طور اختصاصی مورد هدف واقع نشده و تضمینی مبنی بر عدم تحلیل پروتئین‌ها وجود ندارد. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان در صدد رساندن فاکتورهای مذکور به ناحیه‌ی درگیر از طریق زیست‌ماده هستند. تنها پلیمر زیستی پرکاربرد در این زمینه، آلژینات موجود در جلبک قهوه‌ای است. هیدروژل این ماده، پایدار، مقرون به‌صرفه و غیرسمی بوده؛ سازگاری زیستی بالایی داشته و به‌سادگی در حضور کلسیم با اتصال عرضی حالت ژلاتینه به خود می‌گیرد.
پزشکان از آلژینات به‌طور گسترده برای پانسمان و درمان زخم‌ها و دانشمندان نیز از این ماده برای ساخت محیط‌های کشت سلولی دوبعدی و سه‌بعدی استفاده می‌کنند. هیدروژل‌های آلژینات در صورت رسوخ فاکتورهای رشد و سلول‌های بنیادی در آن‌ها، باعث افزایش رشد و بازسازی در انواع مختلفی از بافت‌ها می‌شوند؛ این امر با حل شدن پوشش ژلاتینی و آزادسازی مواد داخل هیدروژل امکان‌پذیر می‌گردد.
مقاله مرتبط: نفوذ به قلب واقعه: نانوژل‌ها برای بیماران حمله‌ی قلبی
تیمی از بنیاد مهندسی زیستی Wyss به‌سرپرستی David Mooney و Robert P. Pinkas، دانشیار مهندسی زیستی در دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی هاروارد (SEAS)، نوعی هیدروژل آلژینات ترکیبی با VEGF و IGF، به‌منظور افزایش رگ‌سازی در اندام عقبی موش‌های مسن و خرگوش‌های جوان و هم‌چنین افزایش جریان خون بافت‌های آسیب‌دیده طراحی کرده‌اند. این طرح در همکاری با دانشگاه میشیگان زیر نظر Paul Grossman، انجام شده و آزمایش خرگوش‌ها نیز در این مرکز صورت گرفته است. یافته‌های مربوطه نیز در ژورنال تحقیقات عروقی منتشر گردید.
به گفته‌ی Mooney، هیدروژل‌های آلژینات آزادسازی دقیق و محافظت‌شده‌ی پروتئین‌های درمانی و دیگر سلول‌ها و مولکول‌های فعال زیستی را فراهم می‌کنند. در واقع با کم‌ترین تزریق تهاجمی، ضمن کنترل میزان تحلیل بافتی، ترکیبی از مولکول‌های فعال به بافت موردنظر وارد می‌شود. نتایج آزمایش‌های صورت‌گرفته در مدل‌های مختلف ایسکمی حیوانی نیز امیدوارکننده بوده است.
تیم Wyss برای اعتباربخشی به طرح خود، به تعدادی سؤال کلیدی اشاره کرد. اولین سؤال در ارتباط با سن موش‌ها مطرح شد. آزمایش حیوانی قبلی بر روی موش‌های جوانی انجام گرفته بود که از لحاظ سنی با بیماران PAD مسن‌تر و اشخاص تحت درمان با آنژیوژنز بالینی مطابقت نداشتند. معادل انسانی یک موش ۱۷ ماهه را می‌توان یک فرد ۷۰ ساله در نظر گرفت؛ از این رو، موش ۲۰ ماهه برای مطالعه‌ی مرتبط با سن کوهورت، مورد استفاده قرار گرفته بود.
سؤال انتقادی بعدی در زمینه‌ی قابلیت قیاس مطالعه مطرح شد. موش‌ها به‌میزان سه‌هزار برابر کوچک‌تر از انسان هستند و دُز پروتئین باید در مقیاسی کاملاً متناسب با اندازه‌ی بدن تعیین گردد. تیم مذکور برای ارزیابی کارآیی درمان و دُز مورداستفاده، از خرگوش‌های جوان به‌عنوان حیوانی بزرگ‌تر از موش استفاده کرد. هم‌چنین برای ارزیابی دقیق تأثیر مدل پیشنهادی بر روی بیماری مزمن شریانی، محققان درمان تأخیری با فاکتورهای رشد را مورد بررسی قرار دادند.
تیم Wyss کار خود را با مسدودسازی شریان‌های اصلی اندام عقبی موش برای برقراری حالت ایسکمی شروع کرد. سپس هیدروژل محتوی VEGF و IGF را به‌طور مستقیم به محل ایسکمیک عضلانی تزریق نمود. به‌گفته‌ی Alexander Stafford، یکی از دانشمندان و نویسندگان تیم مطالعه، در مقایسه با تزریق ژل کنترلِ بدون فاکتور یا ترزیق بدون ژل VEGF و IGF، افزایش دوبرابری جریان خون در ناحیه‌ی ایسکمیک موش مسن با تزریق هیدروژل محتوی فاکتورها دیده شد. علاوه بر این، نیروی عضلانی و تعداد عروق خونی کوچک بیشتری در مقایسه با حالات دیگر در محل آسیب‌دیده مشاهده گردید. در موش جوان‌تر نیز با رسیدن جریان خون عضلات به سطح قابل مقایسه با ناحیه‌ی پیش-ایسکمیک، درمان مؤثر واقع شد. دانشمندان هم‌چنین پایداری عروق خونی جدید در اثر گذر زمان را بررسی کرده و متوجه شدند که جریان خون در این عروق حتی تا سه‌ماه پس از اعمال روش درمانی نیز تداوم می‌یابد.
مقاله مرتبط: استفاده از میکروربات‌های شناگر برای درمان؛ تحولی در عرصه پزشکی
یافته‌های مطالعه‌ی کوهورت خرگوش‌های جوان با موش‌ها مطابقت داشته و در آن‌ها نیز در اثر تزریق ژل محتوی VEGF و IGF، افزایش جریان خون و رشد عروق خونی کوچک از شریان‌های مجاور در ناحیه‌ی ایسکمیک مشاهده شد. در تزریق موضعی فاکتورهای آنژیوژنیک (سازنده‌ی عروقی) با ژل، بازیابی جریان خون با میزان کم‌تر و ایمن‌تری از فاکتورهای رشد صورت گرفت؛ به این معنا که با وجود افزایش اندازه‌ی صد برابری خرگوش‌ها نسبت به موش‌ها، دُز تزریقی تنها ۶.۵ برابر موش‌ها بود.
محققان Wyss، بازیابی جریان خون طبیعی را در خرگوش‌های تحت درمان بلافاصله پس از درمان و هم‌چنین ۳۰ روز بعد از ایسکمی، به‌عنوان مدلی از ایسکمی مزمن، مورد مقایسه قرار دادند. مشاهده شد که درمان تأخیری به‌خوبی نوع فوری، موجب افزایش جریان خون می‌گردد. علاوه بر این، تعداد مویرگ یا عروق کوچک بیشتری در ناحیه‌ی ایسکمیک در مقایسه با گروه کنترل دیده شد. این مطالعه کارآیی و ایمنی تزریق موضعی ژل محتوی پروتئین‌های فاکتور رشد نوترکیب را به‌منظور بهبود رگ‌سازی و درمان انسداد شریانی در حیوانات مسن‌تر و بزرگ‌تر اثبات کرد.
تیم Mooney در نظر دارد در آینده با هدف بازیابی جریان خون بافت‌های ایسکمیک انسانی در شرایطی هم‌چون آسیب عضلانی ناشی از PAD، از این یافته‌ها در آزمایش‌های بالینی استفاده کند. علاوه بر این، آزمایش استفاده از هیدروژل‌های آلژینات برای رساندن عوامل رشد به اعصاب محیطی آسیب دیده، در برنامه‌ی این تیم قرار دارد.
Donald Ingber، رئیس مؤسسه‌ی Wyss و پروفسور بیولوژی عروقی دانشگاه هاروارد و پروژه‌ی مربوطه در بیمارستان کودکان بوستون، بیان می‌کند:
با تمرکز بر پیشرفت تکنولوژی‌های جدیدی که می‌توانند تأثیر مثبتی در جهان آینده داشته باشند، از این که با استفاده از مواد بیولوژیکی توانستیم جریان خون بافت‌های ایسکمیک را در موش‌ها و خرگوش‌ها برقرار کرده و فاکتورهای رشد را در بهترین حالت به ناحیه‌ی مذکور برسانیم، بسیار خوشحال بوده و امیدواریم با این کار، یک قدم به درمان بیماران انسانی نزدیک‌تر شده باشیم.
