کلاژن

عملکرد کلاژن در درمان زخم

کلاژن، که توسط فیبروبلاست ها تولید می شود، فراوان ترین پروتئین در بدن انسان است.کلاژن یک پروتئین ساختاری طبیعی است و در تمام سه مرحله روند بهبود زخم نقش دارد. این پروتیین مهاجرت سلولی را تحریک می کند و به توسعه بافت جدید کمک می کند. به دلیل خواص شیمی و تاکتیک انها بر روی فیبروبلاست های زخم، پانسمان کلاژن، رسوب و سازماندهی کلاژن تازه تشکیل شده را تشویق می کند و محیطی را ایجاد می کند که باعث بهبودی  زخم می شود. مواد زیستی مبتنی بر کلاژن سلول های خاصی مانند ماکروفاژها و فیبروبلاست ها را در امتداد روند بهبود برای افزایش و تاثیر بر بهبود زخم تحریک و جذب می کنند. این مواد زیستی می توانند رطوبت یا جذب را بسته به سیستم تحویل فراهم کنند. پانسمان کلاژن به راحتی میتوان اعمل و یا پس از پایان روند بهبودی حذف کرد. پانسمان کلاژن معمولا با کلاژن گاو، مرغ یا خوک تهیه می شود. سلولز بازسازی شده اکسیده،که یک ماده گیاهی است، با کلاژن ترکیب شده است تا یک پانسمان کلاژن قادر به اتصال و محافظت از عوامل رشد با اتصال و غیر فعال کردن متالوپروتئینزاهای ماتریکس در محیط زخم تولید کند. افزایش درک فرایندهای بیوشیمیایی درگیر در بهبود زخم مزمن اجازه می دهد تا طراحی محصولات مراقبت از زخم با هدف اصلاح عدم تعادل در  محیط میکروزخم فراهم میکند. محصولات مراقبت از زخم پیشرفته سنتی تمایل به رسیدگی به محیط بزرگ زخم، از جمله کنترل محیط زخم مرطوب، مدیریت مایعات و تعرق کنترل شده مایعات زخم دارند. گروه جدیدتر مواد زیستی و عوامل بهبود زخم، مانند کلاژن و عوامل رشد، نقص های خاص در محیط زخم مزمن را هدف قرار می دهد. داده های ازمایشگاهی به این احتمال اشاره می کند که این عوامل از فرایند بهبود زخم در سطح بیوشیمیایی بهرمند می شوند. شواهد قابل توجهی نشان داده است که پانسمان های مبتنی بر کلاژن ممکن است قادر به تحریک بهبودی با دستکاری بیوشیمی زخم باشند.

تشکیل کلاژن در بدن انسان

کلاژن، که 25٪ از کل توده پروتئین پستانداران را تشکیل می دهد، در استخوان ها، بافت پیوندی، تاندون ها، رگ های خونی و پوست است. در پوست، کلاژن، همراه با پروتئین های دیگر، مانند الاستین، ماتریکس  انعطاف پذیر را تشکیل می دهد که شامل سلول های پوستی زنده، رگ های خونی، غدد  و سایر اجزای ماتریکس خارج سلولی (گلیکوزامینوگلیکان ها، گلیکوپروتئین ها) است

هر مولکول کلاژن در ماتریکس خارج سلولی پوستی از 3 زنجیره پروتئین مارپیچی تشکیل شده است که به یک مولکول پروکلاژن فوق العاده و سه گانه مارپیچی در داخل یک سلول (فیبروبلاست) متصل می شود و سپس به فضای خارج سلولی ترشح می شود. (شکل 1). در فضای خارج سلولی، زنجیره ها تحت پردازش  پروتئولیتیک قرار می گیرند و به انها اجازه می دهد تا خود به خود به فیبرهای بزرگتر و پیچیده تر تبدیل شوند که توسط پیوندهای متقابل کووالانسی تثبیت می شوند.  استحکام کششی پوست را فراهم می کند که از تمام ساختارهای تخصصی پوست پشتیبانی می کند. نگهداری از ساختارهای مختلف کلاژن در بدن، عملکرد طبیعی اندام هایی را که از کلاژن به عنوان یک پروتئین ساختاری استفاده می کنند، حفظ می کند. شواهد علمی قابل توجهی نشان می دهد که خواص شیمیوتاکتیک کلاژن به حفظ ساختار بومی ان بستگی دارد. به عنوان مثال، فیبروبلاست ها دارای گیرنده های اینتگرین هستند که دامنه های کلاژن دست نخورده، کلاژن بومی و مولکول های فیبرونکتین را تشخیص می دهند.

نقش کلاژن و کاربرد در زخم های مزمن

در زخم مزمن، رسوب کلاژن توسط عوامل متعددی به تاخیر می افتد و یا از رسوب ان  جلوگیری می شود.به کارگیری فیبروبلاست ها، سلول های غالب در مرحله تکثیری بهبود طبیعی زخم، به تاخیر افتاده است.علاوه بر این، بیان ژن کلاژن در فیبروبلاست ها سرکوب می شود. عوامل محیطی نیز بر سطح کلاژن در بستر زخم مزمن میتواند تاثیرگذار باشد. در میان این عوامل 2 گروه انزیم وجود دارد که سطح انها در زخم های مزمن افزایش می یابد: ماتریکس متالوپروتئینازها MMPs10 و الاستاز2 MMPs که در تخریب پروتئولیتیک کلاژن دست نخورده بومی و قطعات تا حدی تخریب کلاژن ایفای نقش میکنند.  تخریب اجزای کلاژن رویدادهای طبیعی در بهبود  زخم حاد است و MmPs نیز در فرایندهای متابولیک طبیعی در پوست نقش دارند. با این حال، در زخم مزمن، سطح MMP به طور غیر طبیعی افزایش می یابد. علاوه بر این، مجموعه ای کلیدی از انزیم های تنظیم کننده، مهار کننده های بافت متالوپروتئینازهای ماتریکس، در سطوح پایین تر از حد طبیعی یافت می شوند.

نسبت بالای MMPs به مهار کننده های بافت MMPs باعث تخریب بیش از حد ماتریکس خارج سلولی می شود. الاستاز نیز در روند بهبودی ایفای نقش میکند. بستر اصلی انزیم الاستین پروتئین ماتریکس خارج سلولی است که به کشش بافت پوستی کمک می کند. فعالیت الاستاز در زخم مزمن بالا است. الاستاز برای تبدیل Pro-MMPs (پیشرو طبیعی MMPs) به MmPs فعال عمل می کند. در انجام این کار، الاستاز به شدت به بار MMP در زخم مزمن کمک می کند. الاستاز، که یک پروتئاز نسبتا غیر اختصاصی است، همچنین می تواند به کلاژن بومی متصل شود و ان را تجزیه کند. نتایج ازمایشات ازمایشگاهی نشان می دهد که میل الاستاز برای دامنه مارپیچ سه گانه کلاژن بومی قابل توجه است. بنابراین، پانسمان حاوی کلاژن بومی به عنوان یک اهنربای بستر برای الاستاز و همچنین MMPs عمل می کنند. به طور خلاصه، زخم مزمن با کاهش رسوب کلاژن و افزایش تجزیه کلاژن مشخص می شود. چرخه معیوب پیچیده مزمن زخم در نشان داده شده است شکل 2 به شیوه ای بسیار ساده و شماتیک. نشان داده شده است که الاستاز نقش کلیدی در تداوم چرخه معیوب دارد. این رقم روشن می کند که حذف الاستاز اساسا مرکز این چرخه معیوب را از بین می برد و به طور بالقوه وضعیت مزمن زخم را خاتمه می دهد.

آنزیم های پروتئولیتیک به مجموعه ای از آنزیم ها می گویند که جهت تجزیه ملکول پروتئین ای ( به شکل ساختار های زنجیره وار در بدن ظاهر میشوند ) کار می کنند.این تشکیلات به قطعات کوتاهی بنام پپتید تبدیل شده و در نهایت به اسید آمینه تبدیل می شوند.

اثر کلاژن بر چرخه زخم های مزمن

  گمانه زنی کردن در مورد دلایل بیوشیمیایی که پانسمان کلاژن به طور جدی می تواند بهبود زخم را افزایش دهد، منطقی است .کلاژن می تواند به طور جدی سطح الاستاز را در یک محیط زخم کاهش دهد و چرخه مزمنی را که در ان نشان داده شده است، مختل کند. شکل 2. علاوه بر این، فعالیت اتصال MMP کلاژن برای زخم مزمن بیوشیمیایی متوقف شده است. این فعالیت اتصال دهنده MMP به راحتی در ازمایشات تمام محصولات مبتنی بر کلاژن تشخیص داده می شود.چندین ماده مشتق شده از کلاژن در سال های اخیر به عنوان پانسمان کلاژن زخم استفاده شده است.  برخی از محصولات جدیدتر شاید از طریق استخراج جدیدتر، ملایم تر و یا فناوری های تصفیه تولید شده است. چنین محصولات نسل جدید تمایل به داشتن مقادیر بالاتری از واحد ساختاری مارپیچ سه گانه بومی مشخصه کلاژن در موجودات زنده دارند. شواهد بیشتر مزایای متعددی را برای حفظ ساختار بومی کلاژن نشان می دهد. به عنوان مثال، کلاژن بومی اجازه می دهد تا رگ زایی کارامد تر و شیمیوتاکتیک فیبروبلاست بیشتر شود  . علاوه بر خواص مولکولی کلاژن، ریزساختار ناخالص ان در سطوح بعدی سلولی ممکن است مهم باشد. فیبروبلاست ها و ماکروفاژها زمانی بهتر عمل می کنند که در یک ساختار معماری سه بعدی لنگر انداخته شوند. بسترهای مبتنی بر کلاژن با یک ریزساختار که تخلخل داخلی و مقیاس ان اجازه نفوذ و لنگر انداختن این سلول های کلیدی را می دهد ممکن است باعث ارتقاء بهبود زخم طبیعی شود. در شکل 3 ریزساختار در یک کلاژن که اخیرا معرفی شده است .

کلاژن Native در مقابل کلاژن Denatured در بهبود زخم

منطقی است که انتظار داشته باشیم برخی از مزایایی که کلاژنNative ممکن است به پانسمان زخم اعطا کند ممکن است از بین برود اگر کلاژن تا حد زیادی در فرایند تولید Denatured شود. از نقطه نظر نامگذاری، چنین کلاژن Denaturedممکن است دقیق تر به عنوان ژلاتین توصیف شود و به نظر می رسد که در زمینه پانسمان زخم، نام کلاژن تا حدودی ازادانه اعمال می شود زیرا پانسمان های مبتنی بر ژلاتین گاهی اوقات به عنوان پانسمان کلاژن به بازار می ایند. گذشته از مشکل نامگذاری، ژلاتین  مانند، کلاژن بسیار فراوری شده به نظر می رسد قادر به استخراج برخی از پاسخ های بیولوژیکی طبیعت کلاژن Native به سلول های درگیر در بهبود زخم برنامه ریزی شده است.

توسعه از زنجیره های کلاژن پیشرفته به بسته های فیبر پیچیده

تشکیل زنجیره های کلاژن پیشرفته در ساختار اولیه (توالی اسید امینه) یک فرایند منحصر به فرد است. مولکول های کلاژن از 3 زنجیره پروتئین تشکیل شده اند که هر کدام یک مارپیچ بلند، میله ای و چپ دست (شبیه به یک راه پله مارپیچی) است. گلیسین، کوچکترین اسیدهای امینه، سومین اسید امینه در زنجیره است؛ چنین فاصله اجازه می دهد تا زنجیره procollagen به شکل ساختار مارپیچ مارپیچی مشخصه خود را. سه زنجیره پروتئین پروکلاژن خود به خود به یک مارپیچ سه گانه راست دست تبدیل می شوند و یک مولکول پروکلاژن را تشکیل می دهد. مارپیچ در این ترکیب بحرانی توسط پیوند هیدروژنی بین زنجیره حفظ می شود. مولکول های Procollagen به فضای خارج سلولی ترشح می شوند که در ان توالی های پروپپتید توسط انزیم های خاص حذف می شوند و مولکول های کلاژن فعال را تولید می کنند که می توانند به ساختارهای مرتب تر جمع شوند. تشکیل بسته های فیبر سازمان یافته یک فرایند پیچیده است. بسیاری از مولکول های کلاژن سه گانه مارپیچ در یک الگوی متناوب جانبی و تکراری در تراز سر تا دم جمع می شوند و از نظر شیمیایی با یکدیگر متصل می شوند تا فیبرهای پایدار را تشکیل دهند که در میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده است. فیبرهای کلاژن به فیبرهای بزرگتر تبدیل می شوند که بیشتر به ساختارهای پیچیده بسته های فیبر سازمان یافته مرتبط می شوند. مشاهدهٔ شکل های 1، 2 و 3.

نسل های جدید پانسمان های مبتنی بر کلاژن یا پانسمان نوین کلاژنی تمایل به ترکیب خواص تحریک بهبود زخم با جذب سطوح متوسط تا بالا زخم دارند. به عنوان مثال، چنین قابلیت دوگانه ای با اضافه کردن الژینات به محصول امکان پذیر است. بسیاری از پانسمان های کلاژن خالص یا کلاژن  Denatured  را با نقره یا بصورت پانسمان نقره کلاژن ترکیب می کنند تا بار بیولوژیکی را در پانسمان کاهش دهند. برخی از محصولات جدید در رده پانسمان کلاژن به نظر می رسد یک شکل قابل توجه خالص از کلاژن را ارائه می دهند که احتمالا می تواند منجر به واکنش سلول های غول پیکر کمتر در بستر زخم به دلیل عدم وجود مواد غیر زیستی تخریب پذیر (مانند مشتقات سلولز گیاهی یا دریایی) شود. کلاژن Denatured یا تخریب شده (دقیق تر به عنوان ژلاتین توصیف می شود)، به ویژه هنگامی که با مواد غیر همزاد مخلوط می شود، انتظار می رود که سریعتر از یک پانسمان کلاژن بومی در یک محیط زخم به دلیل ماهیت ذاتا اصلاح شده و پردازش شده ان تجزیه شود. Crosslinking از طریق استفاده از معرفهای شیمیایی که یک روش قابل تصور برای بهبود میزان تخریب محصولات ژلاتین (کلاژن Denatured) است. از دیدگاه پاسخ سلولی بیوشیمیایی، چنین روش های شیمیایی مصنوعی ماهیت ماده ای را که قرار است تا حد ممکن در ساختار شیمیایی به منبع طبیعی خود نزدیک باشد، بهبود نمی بخشد و در واقع ممکن است بدتر شود. انتظار می رود حضور کلاژن بومی حداقل تخریب شده اجازه دهد که یک پانسمان کلاژن (در مقایسه با پانسمان های Denatured) در بستر زخم به دلیل زمان طولانی تر که پروتئیناز زخم در هضم پروتئین بومی در مقابل پروتئین Denatured می گیرد، طول بکشد. چنین خاصیتی ممکن است منجر به طول عمر بیشتر پانسمان در بستر زخم شود که البته با یک دوره طولانی تر از عمل بیولوژیکی در بستر زخم همراه است. در نتیجه کاهش فرکانس در تغییرات پانسمان ممکن است اسیب های مرتبط با تغییرات پانسمان را کاهش دهد و همچنین مقرون به صرفه تر باشد.

هنگام انتخاب یک پانسمان کلاژن، نوع کلاژن موجود در ان، نحوه تولید پانسمان و نحوه عملکرد پانسمان برای کاهش انزیم های پروتئولیتیک و داربست برای بهبودی را در نظر بگیرید. پانسمان کلاژن می تواند خواص ضد عفونی، ضد التهابی، ضد فیبروتیک و ضد درد را فراهم کند و همچنین رگ زایی را ترویج کند، بدن را به حالت و عملکرد طبیعی خود باز گرداند و پایه ای برای بهبود زخم فراهم کند.