چگونه زیست‌فناوری ساخت قلب و ریه را ممکن کرد

سال‌ها، دانشمندان در آزمایشگاه‌ها از روش ساده‌ای برای بررسی سلول‌ها استفاده می‌کردند؛ کشت دوبعدی سلول‌ها روی سطح صاف ظروف آزمایشگاهی. این روش، که «کشت دوبعدی سلولی» (2D cell culture) نام دارد، اگرچه به پیشرفت‌های زیادی در علم زیست‌شناسی کمک کرد، اما یک ایراد اساسی داشت؛ سلول‌ها در آن نمی‌توانستند همان‌طور که در بدن واقعی انسان رفتار می‌کنند، رشد یا با هم تعامل داشته باشند. چون سطح صاف ظرف، فقط یک بعد از زندگی واقعی را شبیه‌سازی می‌کرد.

در دهه ۱۹۸۰، نقطه عطفی رخ داد. دانشمندان به این نتیجه رسیدند که اگر سلول‌ها در محیطی سه‌بعدی قرار بگیرند، مثل «ژل‌های حاوی لامینین» (laminin-rich gels) که شبیه بافت بدن هستند، می‌توانند بهتر رشد کنند و حتی شبیه به بافت‌های بدن واقعی عمل کنند. این پیشرفت راه را برای مرحله بعد باز کرد؛ تولد «ارگانوئیدها» (Organoids).

ارگانوئید چیست و چرا مهم است؟

ارگانوئیدها، اندام‌های بسیار کوچک و ساده‌شده‌ای هستند که در آزمایشگاه از سلول‌های بنیادی ساخته می‌شوند. آنها ساختار و گاهی عملکرد‌های اصلی یک اندام واقعی را شبیه‌سازی می‌کنند. در سال ۲۰۰۹، دانشمندی به نام «هانس کلورز» (Hans Clevers) موفق شد اولین ارگانوئید روده را تولید کند. چند سال بعد، در ۲۰۱۳، «مادلین لنکستر» (Madeline Lancaster) مدل‌های مینیاتوری از مغز انسان را تولید کرد که برای مطالعه رشد مغز و بیماری‌هایی مانند اوتیسم یا صرع کاربرد داشتند.

مشکل بزرگ؛ نبود رگ‌های خونی

اما یک چالش مهم وجود داشت. در بدن انسان، بافت‌ها و اندام‌ها همیشه توسط شبکه‌ای از «رگ‌های خونی» (blood vessels) تغذیه می‌شوند که اکسیژن و مواد غذایی را به سلول‌ها می‌رسانند. در ارگانوئیدها، به‌دلیل نبود این رگ‌ها، رشد آنها محدود می‌شد و اگر اندازه‌شان از قطر حدود ۳ میلی‌متر بیشتر می‌شد، سلول‌های مرکزی می‌مردند.

به گزارش نشریه «نیچر» (nature)، دانشمندان برای حل این مشکل از راه‌های مختلفی استفاده کردند، مانند رشد ارگانوئید‌ها در کنار سلول‌های رگ‌ساز مثل سلول‌های «اندوتلیال» (endothelial)،  اضافه کردن «فاکتور‌های رشد» (growth factors) مانند «VEGF» (عامل رشد عروقی)، استفاده از «چاپ سه‌بعدی زیستی» (bioprinting) و  پیوند ارگانوئید‌ها به بدن حیوانات؛ این روش‌ها تا حدی کمک کردند، اما شبکه‌های رگی که ساخته می‌شدند معمولاً کامل و عملکردی نبودند.

 گام بزرگ بعدی؛ رشد همزمان رگ و بافت

در سال ۲۰۲۴، دو تیم تحقیقاتی از دانشگاه‌های «استنفورد» (Stanford University) و «کالیفرنیا» (UCLA) توانستند در پژوهشی به رشد همزمان رگ و بافت بپردازند و این مانع مهم را پشت‌سر بگذارند. در این پژوهش، آنها با استفاده از «سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی» (hPSCs) که توانایی تبدیل شدن به هر نوع سلولی را دارند، روشی طراحی کردند که از همان ابتدا، سلول‌های اندامی مثلاً سلول‌های قلب یا ریه و سلول‌های رگی مثل اندوتلیال را هم‌زمان رشد می‌داد.

 دستاورد استنفورد در ساخت قلب و کبد

تیم دکتر «اسکار آبیلز» در دانشگاه استنفورد، با ترکیب دقیق ۳۴ نوع فاکتور رشد و مولکول شیمیایی، توانستند ارگانوئید‌هایی از قلب و کبد تولید کنند که دارای شبکه مویرگی واقعی بودند. در عرض دو هفته، این ساختار‌ها به شکلی منظم حلقه زدند. تصاویر میکروسکوپی نشان دادند که مویرگ‌ها در اطراف بافت به‌خوبی شکل گرفته‌اند.

حتی بررسی‌های ژنتیکی با «تحلیل RNA تک‌سلولی» (single-cell RNA sequencing) تأیید کرد که این بافت‌ها تقریباً تمام سلول‌های موجود در قلب انسان بالغ را در خود دارند. کارشناسان از این یافته‌ها به‌عنوان «شکستن سد» در مسیر شبیه‌سازی قلب یاد کردند. جالب اینجاست که این قلب‌های کوچک شروع به تپیدن هم کرده‌اند.

 شگفتی  در ساخت ریه

در سوی دیگر، محققان دانشگاه کالیفرنیا (UCLA) ابتدا به‌صورت تصادفی متوجه رشد هم‌زمان رگ و بافت ریه شدند و تصور کردند آلودگی رخ داده است. اما وقتی این روند را به‌صورت هدفمند کنترل کردند، توانستند ریه‌ای مینیاتوری بسازند که هم «کیسه هوایی» (alveoli) داشت و هم شبکه مویرگی. پس از پیوند این ساختار به بدن موش، ریه رشد کرده و عملکرد واقعی خود را نشان داد. این دستاورد تحول بزرگی در مسیر درمان بیماری‌های ریوی است.

 چهار عنصر کلیدی این موفقیت

چهار عامل اصلی پشت این پیشرفت چشمگیر قرار دارد:

سلول بنیادی پرتوان (hPSCs): سلول‌هایی که می‌توانند به هر نوع سلولی در بدن تبدیل شوند.

ترکیب دقیق مولکول‌ها: استفاده از فاکتورها و ترکیبات خاصی به نام در استنفورد.

ساختار سه‌بعدی مناسب: استفاده از «ماتریکس یا فضاهای هوشمند» (bioink) که هم انعطاف دارند و هم اجازه عبور مایعات را می‌دهند.

تحلیل RNA در سطح سلولی: این روش امکان بررسی دقیق ترکیب سلولی ارگان‌وید را فراهم کرده و نشان داده که نه فقط سلول‌های اصلی بلکه سلول‌های حمایت‌گر مثل «فیبروبلاست‌ها» (fibroblasts)، «پری‌سیت‌ها» (pericytes) و «ماکروفاژها» (macrophages) نیز تولید شده‌اند.

از مدل‌سازی بیماری تا درمان شخصی‌سازی‌شده

حالا که ارگانوئید‌ها دارای رگ شده‌اند، کاربردهایشان به طرز چشمگیری افزایش یافته‌است؛ برای مثال در ریه می‌توان بیماری‌های نادر مانند «ACDMPV» (ناهنجاری مادرزادی رگ‌های ریه) را شبیه‌سازی کرد. همچنین طبق پژوهش منتشر شده در مجله«نیچر» (nature)، در قلب برای بررسی اثر داروها، مانند تأثیر «فنتانیل» (fentanyl) که نشان داده موجب رشد بیش از حد رگ‌ها در قلب جنینی می‌شود؛ استفاده می‌شود و در کبد امکان بررسی بیماری‌هایی مثل دیابت، اختلالات متابولیک و تست دارو‌های سمی فراهم شده است. تا پیش از این، مدل‌هایی بدون رگ نمی‌توانستند کارکرد واقعی کبد را تقلید کنند.

 چالش‌هایی که باقی مانده‌اند

هرچند پیشرفت‌ها بزرگ بوده‌اند، هنوز چند مانع وجود دارد. ارگانوئید‌ها هنوز خیلی کوچک‌اند و برای کاربرد‌های پیوند، باید بزرگ‌تر شوند. همچنین رگ‌ها هنوز نمی‌توانند مایعات را همانند رگ‌های واقعی انتقال دهند؛ باید سلول‌هایی از سیستم ایمنی و عصبی نیز به این مدل‌ها اضافه شوند؛ و برای پیوند موفق، رگ‌های ارگانوئید‌ها باید با رگ‌های بدن هماهنگ شوند.

پیشرفت در ساخت ارگانوئید‌های دارای رگ، تنها یک موفقیت آزمایشگاهی نیست، بلکه گام بلندی در مسیر «پزشکی بازساختی» (regenerative medicine) است. در آینده، شاید بتوان با استفاده از سلول‌های خود فرد، اندامی نو ساخت و آن را بدون نیاز به اهداکننده، به بدنش پیوند زد. این فناوری نوید دنیایی را می‌دهد که در آن بدن انسان می‌تواند خودش را بازسازی کند. 

آنچه تا همین دیروز به‌عنوان محدودیت علمی شناخته می‌شد، یعنی نبود رگ‌های خونی در ارگانوئیدها، امروز با تلفیق مهندسی زیستی، سلول‌های بنیادی و محیط‌های سه‌بعدی، به نقطه عطفی در زیست‌پزشکی بدل شده است. قلب‌هایی که تپش دارند، ریه‌هایی که درونشان هوا حرکت می‌کند و کبد‌هایی که در حال پالایش‌اند، حالا دیگر نه در بدن انسان بلکه در ظرف‌های آزمایشگاهی متولد می‌شوند.

این تحول، فقط دستاوردی فناورانه نیست، بلکه نگاهی تازه به تعریف «درمان» است. وقتی بتوان از سلول‌های خود فرد اندامی ساخت که هم عملکرد داشته باشد و هم پذیرش ایمنی، درمان دیگر به معنای یافتن اهداکننده یا مصرف مداوم دارو نخواهد بود، بلکه به معنای بازآفرینی بدن توسط خودش خواهد شد.

مسیر پیش‌رو، همچنان با چالش‌هایی همراه است؛ از افزایش مقیاس تا هماهنگ‌سازی رگ‌ها با بدن میزبان. اما، چیزی که تا دیروز رویا بود، امروز در مرحله آزمایش و توسعه قرار دارد. اگر علم بتواند رگ‌ها را بسازد، شاید فردا بتواند جان‌ها را هم نجات بدهد؛ نه از بیرون، بلکه از درون. آینده‌ای زنده، در حال شکل‌گیری است.