ความรู้เกี่ยวกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ทั้งด้านเทคโนโลยี การศึกษาระดับเซลล์ สารพันธุกรรม และการประยุกต์ใช้ในคลินิก ความคิดในการสร้างอวัยวะขึ้นมาทดแทนอวัยวะที่เสียหายหรือวิการแต่กำเนิดยังเป็นประเด็นที่น่าสนใจและถูกกล่าวถึง บ่อยครั้ง แต่การนำมาประยุกต์ใช้ในคลินิกยังมีข้อจำกัด และให้ผลการรักษาที่ไม่แน่นอน ก่อให้เกิดความเข้าใจผิดเกี่ยวกับความรู้ด้านนี้ ดังนั้นหนังสือเล่มนี้มีความสำคัญต่อทันตบุคลากรเพื่อนำเสนอการศึกษาวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกสำหรับการรักษาทางทันตกรรม และ ยังสามารถนำเสนอความรู้ ความเข้าใจต่อสาธารณชนได้
หนังสือพื้นฐานวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกสำหรับการรักษาทางทันตกรรมเล่มนี้ประกอบด้วย เนื้อหาเบื้องต้นทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ ประกอบด้วยแหล่งเซลล์จากผู้ป่วย โครงร่างยึดเกาะเซลล์ เทคโนโลยีใน การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อ และการประยุกต์ใช้ในคลินิก ผู้เขียนหวังเป็น อย่างยิ่งว่าหนังสือเล่มนี้จะเป็นแหล่งข้อมูลสำหรับผู้สนใจเกี่ยวกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกที่เกี่ยวข้องกับทันตกรรม ภายในเล่มประกอบไปด้วยเนื้อหา 9 บท
สัมภาษณ์นักเขียน
1. บทนำ
ความวิการของกระดูกบริเวณขากรรไกรเป็นปัญหาที่อาจเกิดขึ้นตั้งแต่กำเนิด เช่น ภาวะปากแหว่งเพดานโหว่ (cleft lip and cleft palate) กลุ่มอาการครูซอง (Crouzon syndrome) ภาวะใบหน้าเล็กข้างเดียว (Hemifacial microsomia) กลุ่มอาการเทรชเชอร์ คอลลินส์ (Treacher Collins syndrome) ภาวะปีแอร์-โรแบง ซีเควนซ์ (Pierre Robin sequence) การประสบอุบัติเหตุ หรือเกิดขึ้นภายหลังการสูญเสียฟันไปก่อนเวลาอันควร ซึ่งพบได้บ่อย เช่น การละลายของกระดูกรองรับฟัน (alveolar bone) หลังจากถอนฟัน อันเนื่องมาจากหลายสาเหตุ ได้แก่ ฟันผุการติดเชื้อในโพรงประสาทฟันร่วมกับการอักเสบของเนื้อเยื่อรอบปลายรากฟัน และโรคปริทันต์ เป็นต้น [2]
ซึ่งทำให้กระดูกรองรับฟันละลายและเกิดฟันโยก หรือการติดเชื้อที่ไม่สามารถรักษาได้จึงจำเป็นต้องถอนฟันออกโดยปกติหลังจากถอนฟันมักมีการละลายของกระดูกร่วมด้วย หากมีการถอนฟันเนื่องจากโรคทางปริทันต์ที่มีการทำลายของกระดูกรองรับฟัน อยู่แล้ว หลังจากการหายของแผลถอนฟันจะทำให้สันกระดูกรองรับฟันมี การละลายเพิ่มมากขึ้นในระยะยาว ซึ่งเป็นปัญหาตามมาภายหลังเมื่อผู้ป่วยต้องการใส่ฟันทดแทนในรูปแบบฟันเทียม (denture) หรือรากเทียมทดแทน (dental implant) จะทำได้ยาก เนื่องจากการละลายตัวของ สันกระดูกจะส่งผลต่อการยึดอยู่ของฟันเทียม การรับแรง ความเสถียร ความสวยงามโดยเฉพาะบริเวณฟันหน้า
ดังนั้นก่อนการใส่ฟันเทียมอาจจำเป็นต้องมีการทำศัลยกรรมตกแต่งกระดูกรองรับฟัน เพื่อเพิ่มปริมาณกระดูกให้ได้ขนาดและรูปร่างเหมาะสมต่อการใส่ฟันทดแทนต่อไป ซึ่งอาจทำให้เกิดการเจ็บปวดบริเวณที่เสริมกระดูก เสียเวลาในการรักษาและ การหายของแผล รวมถึงค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงได้มีการศึกษา เพื่อรักษาสภาพของกระดูกรองรับฟันภายหลังการถอนฟันไว้ให้คงสภาพเดิมมากที่สุดเพื่อการใส่ฟันทดแทนในอนาคต
ปัจจุบันวิธีการที่นิยมใช้ในการอนุรักษ์สันกระดูกเบ้าฟัน (alveolar ridge preservation) โดยอาศัยวัสดุปลูกถ่ายกระดูก (bone graft) ซึ่งมีหลากหลายชนิดที่มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป หนึ่งในวัสดุปลูกถ่ายที่นิยมใช้คือ วัสดุปลูกถ่ายอัตพันธุ์ (autograft) ที่มีข้อดีคือวัสดุสามารถ เข้ากันได้กับบริเวณที่รักษา ป้องกันการต่อต้านของระบบภูมิคุ้มกัน แต่ข้อเสียคือทำให้เกิดการบาดเจ็บในตำแหน่งที่นำเนื้อเยื่อมา รวมถึงทำให้ผู้ป่วยรู้สึกไม่สบาย ปัจจุบันจึงเกิดแนวคิดเกี่ยวกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (Tissue engineer) เพื่อนำมาทดแทนอวัยวะเดิม ในหนังสือเล่มนี้จะกล่าวความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับศาสตร์นี้ต่อไป
2. แหล่งเซลล์
แหล่งเซลล์สำหรับการรักษาโดยใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อควรเป็นเซลล์ปฐมภูมิ (primary cells) ที่มาจากผู้ป่วยแต่มีข้อจำกัดคืออาจได้เซลล์ในช่วงที่เป็นโรค ทำให้ไม่สามารถใช้เซลล์จากอวัยวะที่ต้องการรักษาได้โดยตรง ดังนั้นจึงมีการศึกษาเซลล์ต้นกำเนิดเพื่อนำมาใช้ในกระบวนการวิศวกรรมเนื้อเยื่อ โดยเซลล์ต้นกำเนิดมีคุณสมบัติ ได้แก่ การแบ่งเซลล์ได้ปริมาณมากภายในห้องทดลอง คงคุณสมบัติดั้งเดิมของเซลล์ไว้ (self- renewal) อยู่ในภาวะไม่มีการแปรสภาพเซลล์ (undifferentiated cells) [1] แต่เซลล์มีความสามารถในการแปรสภาพเป็นเซลล์ที่ผู้วิจัยต้องการได้มากกว่าหนึ่งชนิดเมื่อได้รับการกระตุ้นที่เหมาะสมโดยเฉพาะการแปรสภาพเป็นเซลล์สร้างกระดูก [3] จากคุณสมบัติข้างต้น เซลล์ต้นกำเนิดจึงเป็นแหล่งเซลล์ที่มีความสำคัญกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก
3. วัสดุโครงร่างยึดเกาะเซลล์
ในปัจจุบันวัสดุปลูกถ่ายกระดูก (bone graft) เพื่อรักษาความผิดปกติและการแตกหักของกระดูกมีเพิ่มมากขึ้น การรักษาตามมาตรฐานใช้การปลูกถ่ายกระดูกอัตพันธุ์ (autologous bone graft) แต่อาจทำให้เกิดความเจ็บปวดเรื้อรัง การติดเชื้อ การรบกวนเส้นประสาท ภาวะมีเลือดออก และความสวยงามบริเวณที่เก็บเกี่ยวกระดูก นอกจากนี้การเก็บเกี่ยวกระดูกยังเพิ่มระยะเวลาและค่าใช้จ่ายในการผ่าตัด การปลูกถ่ายกระดูกเอกพันธุ์จึงถูกนำมาใช้เป็นวัสดุทางเลือกแต่มีข้อด้อยเรื่องปริมาณของวัสดุ การปฏิเสธวัสดุปลูกถ่าย และการส่งต่อเชื้อไวรัสไปสู่ผู้ป่วย การปลูกถ่ายโลหะ (metal implants) เป็นอีกวิธีที่นิยมใช้ในการรักษาความผิดปกติและการแตกหักของกระดูก ซึ่งคุณสมบัติไม่เหมือนกับกระดูกของมนุษย์ โดยไม่มีการซ่อมสร้างของกระดูกภายหลังการรักษา [4]
ดังนั้นความต้องการในการหาวัสดุทดแทนความผิดปกติของกระดูกจึงต้องใช้เทคนิควิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกที่สามารถผลิตโครงร่างยึดเกาะกระดูกแบบ 3 มิติ (three-dimensional bone scaffold) เพื่อสร้างโครงร่างวัสดุปลูกถ่ายกระดูกที่มีลักษณะคล้ายกับกระดูกของผู้ป่วย มีความเข้ากันได้กับเนื้อเยื่อ ความแข็งแรงของวัสดุ และอัตราการสลายของวัสดุให้สอดคล้องกับกลไกการสลายและสร้างกระดูก
4. การผลิตโครงร่างยึดเกาะเซลล์
หลักการออกแบบโครงร่างที่เหมาะสมกับงานวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก ควรมีคุณสมบัติให้เซลล์ผ่านตามรูพรุนเพื่อไปยึดเกาะโครงร่างและเอื้อให้หลอดเลือดที่สร้างขึ้นใหม่สามารถผ่านเข้าไปด้านในได้ โครงร่างควรมีรูพรุนเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.1 มิลลิเมตร และพื้นที่ระหว่างรูพรุน (interconnected pores) ขนาด 0.1-1 มิลลิเมตร [35] เพื่อให้โครงร่างมีความแข็งแรงเพียงพอในการค้ำจุนแรงเชิงกลขณะเซลล์มีการแปรสภาพ หลังจากนั้นโครงร่างมีการย่อยสลายไปเมื่อเนื้อเยื่อกระดูกใหม่มีความ แข็งแรงเพียงพอ ปัจจุบันมีการผลิตโครงร่างแบบ 3 มิติ เพื่อให้เหมาะกับวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกหลากหลายวิธี ดังนี้ [5]
- การขึ้นรูปด้วยตัวทำละลายและใช้สารทำให้เกิดรูพรุน (solvent casting and particulate leaching)
- การใช้แก๊สมาช่วยขึ้นรูปแบบผลิตโฟม (gas foaming process)
- การขึ้นรูปโดยเทคนิคการแยกวัฏภาคด้วยอุณหภูมิ (thermally induced phase separation)
- การขึ้นรูปแบบอิสระที่มั่นคง (solid free-form fabrication technique)
- การเผาผนึกอนุภาคทรงกลมขนาดเล็ก (microsphere sintering)
- การทำให้แห้งด้วยการแช่เยือกแข็งในสารอิมัลชัน (emulsion freeze-drying method)
- การปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิต (electrospinning techniques)
- การพิมพ์แบบ 3 มิติด้วยวัสดุชีวภาพ (three-dimensional bioprinting)
5. วัสดุและอุปกรณ์การเพาะเลี้ยงเซลล์ในห้องทดลอง
การเพาะเลี้ยงเซลล์ (cell culture) เป็นการเพาะเลี้ยงเซลล์มนุษย์หรือเซลล์สัตว์ขึ้นในห้องทดลอง (laboratory) โดยวัสดุและอุปกรณ์มีความสำคัญเนื่องจากเป็นสิ่งจำเป็นในการเพาะเลี้ยงเซลล์ หากไม่มี สิ่งเหล่านี้จะไม่สามารถดำเนินการเพาะเลี้ยงเซลล์ได้ วัสดุและอุปกรณ์ที่ดีจะมีประโยชน์ในการเพาะเลี้ยงเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยประหยัดเวลาในการทำงาน เอื้อให้สิ่งแวดล้อมในการทำงานดี ลดความเมื่อยล้า ต่อผู้ปฏิบัติงานและดึงดูดให้ผู้ปฏิบัติงานสนใจการเพาะเลี้ยงเซลล์มาก ยิ่งขึ้น [6]
6. การเพาะเลี้ยงเซลล์
การเพาะเลี้ยงเซลล์ (cell culture) เป็นการเพาะเลี้ยง เซลล์มนุษย์ หรือเซลล์สัตว์ภายในห้องทดลองโดยใช้อาหารเลี้ยงเซลล์ ที่แตกต่างกัน ในปัจจุบันมีการเพาะเลี้ยงเซลล์ในการวิจัยต่าง ๆ เช่น การทดสอบวัคซีน การทดสอบยาต้านเชื้อจุลินทรีย์ การผลิตโปรตีนที่จำเพาะในเซลล์ การทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์ของวัสดุโครงร่าง การทดสอบประสิทธิภาพการแปรสภาพของเซลล์ต้นกำเนิดไปเป็นเซลล์เสมือนเซลล์สร้างกระดูก ฯลฯ
ข้อดีของการเพาะเลี้ยงเซลล์เมื่อเทียบกับการทดสอบในสัตว์ทดลอง คือ ลดความยุ่งยากในการควบคุมปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลกับการวิจัย เช่น สภาวะแวดล้อม จริยธรรมในการวิจัย รวมทั้งค่าใช้จ่ายย่อมเยา ดังนั้นการเพาะเลี้ยงเซลล์จึงถูกนำมาใช้เพื่อการวิจัยเบื้องต้นก่อนการวิจัยในสัตว์ทดลองและวิจัยในคลินิกต่อไป [7]
7. การพัฒนาความรู้ด้านงานวิจัยในวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูก
วิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกมีเป้าหมายสำคัญเพื่อซ่อมแซม อวัยวะที่เสียหายเพื่อส่งเสริมให้ทำหน้าที่ได้ตามปกติ การออกแบบวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกมักทำให้คล้ายกับวัสดุปลูกถ่ายอัตพันธุ์ ไม่สร้างความเจ็บปวดให้กับคนไข้ (donor) หรือเจ็บปวดเพียงเล็กน้อย รวมถึงเพิ่มปริมาณกระดูกให้เพียงพอสำหรับการปลูกถ่ายกระดูก [8]
การพัฒนาองค์ความรู้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกอยู่บนพื้นฐานของการรวบรวมเซลล์ที่สามารถเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์เสมือนเซลล์ สร้างกระดูก สารเหนี่ยวนำเซลล์ เมตริกซ์ที่เหมาะสมกับเซลล์สร้างกระดูก รวมถึงวัสดุโครงร่างในห้องทดลอง (in vitro) หรือการทดลองในสัตว์ (in vivo) โดยในบทนี้จะกล่าวถึงตัวอย่างการทดลองทั้งสองแบบต่อไป
8. จากงานวิจัยวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกจากห้องทดลองสู่การใช้ในคลินิก
การประยุกต์ใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกอาจเป็นทางเลือกใน การปรับปรุงแก้ไขความผิดปกติของใบหน้าและกะโหลกศีรษะซึ่งอาจ มีสาเหตุมาจากความผิดปกติตั้งแต่แรกเกิด ได้รับอุบัติเหตุ หรือการเกิด รอยโรค เป็นต้น
มีการพบอุบัติการณ์การแตกหักของกระดูกทั่วโลกประมาณ 15 ล้านครั้งต่อปีและมีความจำเป็นต้องใช้วัสดุปลูกถ่ายกระดูกมากกว่า สองล้านครั้งต่อปี [9] ข้อจำกัดในการรักษาพยาธิสภาพขนาดใหญ่ด้วยการใช้วัสดุปลูกถ่ายกระดูกคือการให้เลือดมาหล่อเลี้ยงบริเวณที่ปลูกถ่ายได้น้อย เก็บเกี่ยวกระดูกต่ำ รวมถึงการบาดเจ็บหรือการติดเชื้อบริเวณที่เก็บเกี่ยวกระดูก ปัจจุบันการใช้เซลล์มีเซนไคม์เพื่อการรักษาทางคลินิก มีระเบียบข้อบังคับจากองค์การอาหารและยาของสหรัฐอเมริกา (Food and Drug Administration: FDA) โดยต้องไม่มีการเติมสารเคมียาหรือผ่านเครื่องมือใด ๆ ในเซลล์เพื่อคงหน้าที่การทำงานเดิมของเซลล์ไว้ กระบวนการรักษาทางคลินิกโดยใช้เซลล์ (cell therapy in clinical trials) ควรแยกเซลล์มีเซนไคม์มาผสมกับวัสดุปลูกถ่ายเอกพันธุ์ที่ผ่านการรับรองจาก FDA แล้วนำมารักษาผู้ป่วยในวันเดียวกัน อย่างไรก็ตามในปัจจุบัน FDA ยังไม่รับรองกระบวนการนำเซลล์โปรเจนิเตอร์ หรือเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน มาเพิ่มจำนวนในห้องทดลองแล้วนำกลับไปรักษากระดูก ในทางคลินิก [10]
9. การประยุกต์ใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกในคลินิก
ในบทนี้จะกล่าวถึง กรณีศึกษาบางส่วนในการนำความรู้ทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อกระดูกมาใช้ในการรักษาผู้ป่วยที่มีรอยโรคภายนอกและภายในช่องปาก
เอกสารอ้างอิง
- ทัศนีย์ เพิ่มไทย ความรู้เบื้องต้นของชีววิทยาเซลล์ต้นกำเนิด Overview of Stem Cell Biology. Siriraj Medical Bulletin. 2017;4(3):73-82.
- Titsinides S, Agrogiannis G, Karatzas T. Bone grafting materials in dentoalveolar reconstruction: A comprehensive review. Japanese Dental Science Review. 2019;55(1):26-32.
- Rodriguez-Lozano FJ, Bueno C, Insausti CL, Meseguer L, Ramirez MC, Blanquer M, et al. Mesenchymal stem cells derived from dental tissues. International Endodontic Journal. 2011;44(9):800-6.
- Marra KG. Biodegradable Polymers and Microspheres in Tissue Engineering. In: Hollinger JO, Einhorn TA, Doll B, Sfeir C, editors. Bone Tissue Engineering. United State Of America: CRC press; 2005. p. 150-62.
- Chocholata P, Kulda V, Babuska V. Fabrication of Scaffolds for Bone-Tissue Regeneration. Materials (Basel, Switzerland). 2019;12(4):568.
- Freshney RI. Equipment and Materials. Culture of animal cells : a manual of basic technique and specialized applications. 7th ed: John Wiley & Sons; 2016. p. 51-72.
- Freshney RI. Primary culture. Culture of animal cells : a manual of basic technique and specialized applications. 7th ed: John Wiley & Sons; 2016. p. 207-33.
- Marolt D, Knezevic M, Novakovic GV. Bone tissue engineering with human stem cells. Stem Cell Res Ther. 2010;1(2):10.
- O’Keefe RJ, Mao J. Bone tissue engineering and regeneration: from discovery to the clinic–an overview. Tissue Eng Part B Rev. 17: Mary Ann Liebert, Inc.; 2011. p. 389-92.
- Mishra R, Bishop T, Valerio IL, Fisher JP, Dean D. The potential impact of bone tissue engineering in the clinic. Regenerative medicine. 2016;11(6):571-87.
