مهندسی بافت: چگونه یک قلب بسازیم؟!

«دوریس تایلور» در پژوهشکده قلب تگزاس، مدیر تحقیقات بازسازی است، مردم به او لقب جالبی داده‌اند: دکتر فرانکشتاین. با این وجود او اهمیتی به این مسئله نمی‌دهد، چرا که خودش اعتقاد دارد کاری که می‌کند با این لقب متناسب است!

دوریس، قلب و ریه افراد مرده را برمی‌دارد، سلول‌های آنها را برمی‌دارد و سلول‌ها تازه‌ای در آنها می‌کارد، با این امید که این اعضای بازسازی شده قادر به طپش یا تنفس مجدد باشند.

دوریس جزو گروهی از محققان است که دنبال راه‌هایی برای ساخت اعضای کامل بدن است، اعضایی که بدون خطر رد پیوند از سوی سیستم ایمنی بدن میزبان، قابل پیوند در بدن بیماران نیازمند باشند. راهبرد کلی ساخت اعضا ساده به نظر می‌آید، نخست باید همه سلول‌های عضو مرده، برداشته بشود، نیازی نیست که عضو حتما از بدن یک انسان برداشته شده باشد و می‌تواند از بدن یک حیوان هم برداشته شده باشد، چیزی که بعد از زدودن سلول‌ها باقی می‌ماند یک داربست پروتئینی است، حالا می‌شود سلول‌های بنیادی که از نظر ایمنی با بدن میزبان سازگار هستند، روی این داربست قرار داد و کشت داد.

همین! با همین کار دیگر مشکل اعضای پیوندی در دنیا حل می‌شود!

اما در مقام عمل، این فرایند، با چالش‌های عمده‌ای روبرو است. در مورد اعضایی مثل مثانه یا نای، این کار به مراتب ساده‌تر است و دانشمندان تا حالا به موفقیت‌های خوبی دست یافته‌اند. اما کار دشوار، ایجاد اعضای توپری مثل کلیه یا ریه است، برای تولید این اعضا باید دسته‌های مختلفی از سلول‌ها را در محل مناسب رشد داد، همزمان با این کار هم باید شبکه کامل و پیچیده‌ای از عروق خونی را هم در داخل عضو رشد شد، تا سلول‌ها قادر به زندگی باشند.

چیزهای دیگری هم باید رعایت شوند، عضو باید استریل و عاری از آلودگی باشد و بتواند در صورت پیوند در بدن یک بیمار جوان، رشد کند یا دست‌کم قادر به ترمیم خود باشد، این عضو باید عملکرد داشته باشد، آن هم برای یک عمر.

قلب سومین عضو مورد نیاز برای پیوند بعد از کلیه و کبد است، در آمریکا یک فهرست انتظار 3500 نفری برای قلب پیوندی وجود دارد. همین امر انگیزه برای ساخت قلب‌هایی به این سبک را زیاد می‌کند، اما هم پیوند و هم مهندسی زیستی آن، بسیار دشوار و چالش‌‌برانگیز است:
– قلب باید بتواند به صورت دائم، هر روز 7 هزار لیتر خون را پمپ کند.
– قلب حفرات و دریچه‌هایی دارد که باید به دقت ساخته شوند.
– قلب چندین نوع سلول تخصصی دارد، که سلول‌های ماهیچه قلب یا کاردیومیوسیت نامیده می‌شوند.

پیدا کردن قلب اهدایی سالم بسیار دشوار است، چرا که بیماری‌های افراد درگذشته و تلاش برای احیای آنها، باعث آسیب قلب‌ها می‌شود و باعث می‌شود خیلی به ندرت بتوان یک قلب سالم از آدم‌های فوت شده پیدا کرد، همین امر انگیزه برای ساخت قلب را با مهندسی زیستی بیشتر می‌کند.

دوریس تالیور، رهبری تعدادی از آزمایشات موفق برای ساخت قلب در موش‌ها را برعهده داشته است، او در مورد غلبه بر چالش‌های راه، خوشبین است. اما در مقابل بعضی از افراد هم امید چندانی ندارند. پائولو ماچیارینی یک جراح قفسه سینه در پژوهشکده کارولینسکا در استکهلم است، او تا حالا چند نای را که با مهندسی زیستی ساخته شده‌اند، پیوند زده است، او معتقد است که گرچه پیوند اعضای لوله‌ای شکلی مثل نای، مری یا شریان‌ها، معمول خواهد شد، اما به موفقیت ساخت و پیوند اعضای پچیده باور ندارد.

افرادی هم هستند که معتقدند حتی اگر تلاش‌های اولیه شکست بخورند، ما در مسیر این کار، به یافته‌های ارزشمندی خواهیم رسید، مثلا می‌توانیم به شناخت بهتری از سلول‌های قلب برسیم و بتوانیم بهتر بر مشکلات و بیماری‌های قلب غلبه کنیم.

سلول‌زدایی برای ایجاد یک داربست

یک دهه است که زیست‌شناسان قادر به تبدیل سلول‌های بنیادی جنینی به سلول‌های قلبی در لوله‌های آزمایشگاه شده‌اند. با اتصال یک ضربان‌ساز به آنها می‌توان این سلول‌های قلبی مهندسی‌شده را به اجتماعی از سلول‌ها تبدیل کرد که قادر به طپش همزمان باشند و بتوانند این کار را چندین ساعت ادامه دهند.

اما بسیار دشوار است که این سلول‌ها را از لوله‌های آزمایشگاه برداریم و آنها را روی یک داربست پیچیده سه‌بعدی بکاریم. دانشمندان در ابتدای سال میلادی جاری توانستند، یک روی داربستی که با چاپ سه‌بعدی درست شده بود، سلول‌های پوششی نای را بکارند و یک نای مصنوعی درست کنند، آیا می‌شود همین کار را در مورد قلب انجام داد؟

ساخت اعضای توپری که پر از عروق باشند، مثل کلیه یا قلب بسیار دشوار است، در مورد قلب دانشمندان باید بتوانند عروق خونرسان خود قلب یا عروق کرونر را هم با دقت بسازند.

روند مرسوم برای شروع ساخت قلب این است که نخست با استفاده از مواد حلال مخصوصی، کلیه سلول‌ها را از بافت قلب زود و تنها یک داربست و شالوده ساختمانی کلاژنی را باقی گذاشت تا بتوان روی آن سلول‌های تازه را سوار کرد. این داربست لزومی ندارد که حتما از قلب یک انسان به دست آمده باشد، می‌توان از قلب‌های خوک‌ها هم استاده کرد. از آنجا که به دست آوردن قلب‌های خوک‌ها بسیار ساده‌تر است، این کار عملی‌تر است.

فرایند سلول‌زدایی بسیار حساس است و باید به مقدار لازم انجام شود، اگر این کار کم انجام شود، مولکول‌های سطحی سلول‌ها در بافت باقی می‌مانند و وجود آنها بعدا باعث رد شدن پیوند می‌شود، چنانچه این کار با شدت زیاد انجام شود، پروتئین‌های حیاتی و فاکتورهای رشد هم از دست می‌روند و بنابراین وقتی سلول‌های پیوندی روی داربست کاشته شوند، نمی‌دانند جذب کجا شوند و چگونه رفتار کنند.

پژوهشگران با آزمون و خطا روی صدها قلب و عضو، به تدریج در زمینه سلول‌زدایی کارآزموده شده‌اند و می‌توانند با دقت غلظت حلال، مدت زمان تماس آن با باقت و فشار مورد نیاز حلال‌ها را مشخص کنند، تا به نتیجه مطلوب برسند.

کاشت سلول‌ها

چالش بعدی کاشت سلول‌های جدید است. برای موفقیت یاید چه سلول‌هایی و به چه میزان استفاده شوند؟ این سلول‌ها باید از نوع سلول‌های بالغ، سلول‌های بنیادی جنینی یا سلول‌های القایی چندظرفیتی باشند؟ منبع مناسب برای این سلول‌ها چه باید باشد؟

مشخص است که نمی‌شود از سلول‌های بالغ برای چنین کاری استفاده کرد. چون اگر ما توانایی تولید و کاشت سلول‌ها بالغ قلب را می‌داشتیم، می‌توانستیم، همان قلب‌های بیمار را ترمیم کنیم و کلا بحث تولید و پیوند قلب منتفی بود.

برای تأمین سلول‌ها می‌توان سلول‌های بالغ یک بیمار را برداشت، آنها را با استفاده از فاکتورهای رشد، برنامه‌ریزی مجدد کرد، طوری که شبیه سلول‌های بنیادی جنینی شوند. سلول‌هایی که به این ترتیب ساخته شوند، موسوم به iPS یا سلول‌های القایی چندظرفیتی هستند. مزیت این کار این است که سلول‌های به دست‌آمده از نظر ایمنی با بدن گیرنده پیوند، تطابق دارند.

به صورت تئوریک، می‌توان با این کار هم سلول‌های عروقی و هم سلول‌های ماهیچه‌ای مورد نیاز را تأمین کرد، اما در عمل این کار مشکلات خاص خودش را دارد. مشکل اصلی این است که وقتی این سلول‌های iPS روی داربست ریخته شوند، به صورت متناسبی و به تعداد لازم به سلول‌های قلبی تبدیل نمی‌شوند.

برای این که بافت به دست‌آمده عملکردی باشد، فقط تأمین یک محیط اکسیژنه و فاکتورهای رشد کافی نیستند، سلول‌ها به گونه‌ای هستند که محیط پیرامونی خود را حس می‌کنند، و روی رشد و عملکردی شدن آنها حتی میزان استرس مکانیکی و قوام بافت هم تأثیر می‌گذارد. اگر اینها نباشند، سلول در مسیر رشد تکاملی، به خوبی پیش نمی‌رود.

به همین خاطر پوهشگران مجبورند که قلب در حال ساخت را در یک واکنشگر زیستی بگذارند، طوری که شرایط طپش را تقلید کند. برای این کار باید سلول‌ها تحت اثر یک جریان الکتریکی از محل یک ضربان‌ساز باشند و به علاوه از نظر فیزیکی هم یک پمپ، شرایط طپش را روی آنها اعمال کند. اما در این واکنشگر زیستی، خیلی دشوار است که بتوان چیزهایی مثل تعداد ضربان قلب، فشار خون یا اثرات داروها را هم شبیه‌سازی کرد.

قلب‌های مهندسی شده موش‌ها، علیرغم همه دشواری‌ها بعد از 8 تا 10 روز می‌توانند مستقلا طپش کنند. اما تا حالا قلب‌هایی که ساخته شده‌اند حداکثر 25 درصد ظرفیت پمپاژ قلب‌های طبیعی را داشته‌اند.

استمرار در طپش در داخل بدن گیرنده پیوند

اما چالش بزرگ‌تر بعدی، قرار دادن این قلب در بدن یک جاندار زنده و وادار کردن آن به طپش برای مدت طولانی است.

قلب باید طوری ساخته شده باشد که یکپارچگی عروقی آن حفظ شده باشد، کافی است که در یکی از عروق مشکلی از نظر ساختمانی وجود داشته باشد، همین اندک باعث ایجاد یک لخته روی آن می‌شود که باعث مرگ جاندار می‌شود. بنابراین بافت لایه پوششی عروق قلب ساخته شده، باید کاملا سالم دست‌نخورده باشد تا هیچ لخته‌ای را شکل ندهد و هیچ نشتی نداشته باشد.

هارولد اوت یکی از دانشمندانی که در زمینه ساخت اعضای مهندسی‌شده فعالیت می‌کند تا به حال موفقیت‌های اندکی در زمینه پیوند ریه و کلیه مهندسی‌شده به موش‌ها داشته است. گروه پژوهشی او ریه‌ای را به یک موش پیوند زدند، این ریه برای مدتی فعال بود، و تبادل اکسیژن از خلال آن صورت می‌گرفت، اما بعد از مدتی عملکرد خود را از دست داد. در مورد کلیه هم، ظرفیت ادرارسازی پایین بود، چون مقدار سلول‌های ساخته شده کم بود. اما در مورد قلب پیوند شده به موش، نتایج چندان رضایت‌بخش نبودند.

در مورد قلب جایی برای اشتباه وجود ندارد، و از همان آغاز پیوند، قلب پیوندی باید بتواند برونده طبیعی داشته باشد.

گرچه در آینده نزدیک، شانس زیادی برای پیوند یک قلب کامل مهندسی‌شده وجود ندارد، اما به احتمال زیاد ظرف 5 تا 7 سال آینده، بیمارانی را خواهیم دید که یک شریان، یک لوب ریه یا کبدشان از این طریق تولید  و پیوند شده باشد. در مورد قلب هم شاهد دریچه‌هایی خواهیم بود که نسبت به دریجه‌های مکانیکی یا دریچه‌های طبیعی پیوندی، ماندگاری و عملکرد بهتری دارند.

بنابراین حتی اگر در آینده نزدیک تولید کامل قلب میسر نشود، دست‌کم با تجارب و درس‌هایی که از رشد دادن سلول‌های قلب در یک ساختار سه‌بعدی آموخته‌ایم، می‌توانیم سلول‌هایی تولید کنیم که مناطق آسیب‌دیده قلب را بپوشانند و آنها را وصله کنند.

تجسم ظرف‌هایی از اعضای شناور زنده، ممکن است داستان فرانکشتاین را پیش چشم بیاورند، اما تایلور کارش را حکم تقلایی برای دستیابی به عشق می‌داند.

او می‌گوید:

روزهایی است که من با خودم می‌گویم، خدایا! درگیر چه کاری شده‌ام؟! از سوی دیگر کودکی را مجسم می‌کنم که می‌گوید: مادر، می‌توانی کمکم کنی؟ و این چیزی است که کارهایم را ارزشمند می‌کند.

منبع: نیچر

---

  این نوشته‌ها را هم بخوانید