محققان ایالات متحده در مسیر توسعه اندام‌های مصنوعی موفق به تولید ماهی مصنوعی زیستی ساخته شده از سلول‌های قلبی شده‌اند که با تپش سلول‌ها شنا می‌کند
شنای قلب تپنده
دسترسی به عضو سالم برای بسیاری از بیماران، مرز باریک میان مرگ و زندگی را تعیین می‌کند. مشکل کمبود اعضا و داوطلبان مناسب برای اهدای عضو چالشی است که سالانه جان بیماران زیادی را در صف انتظار دریافت عضو می‌گیرد و از سوی دیگر زمینه فجایع بزرگی مانند قاچاق اعضا را در برخی کشورها به وجود آورده‌است. کمبود اعضای اهداکننده به حدی شدید است که در تحقیقات جدید پیوند اعضا از سایر حیوانات از جمله خوک‌ها، با کمک مهندسی ژنتیک مورد توجه قرار گرفته‌است و در ماه گذشته شاهد اولین پیوند قلب خوک به بیماری بودیم که امکان ادامه حیاتش از روش‌های دیگر میسر نبود. گروهی از محققان اما با رویکردی متفاوت برای پاسخ به این چالش مهم جهانی به دنبال ساخت قلب مصنوعی از سلول‌های بنیادی قلبی هستند. اگرچه آنها هنوز فاصله زیادی تا دستیابی به این هدف دارند، اما در اقدامی پیشگامانه موفق به تولید یک شبه‌ماهی بیوهیبرید از سلول‌های ماهیچه قلبی انسان شده‌اند که می‌تواند تا بیش از 100 ساعت بدن نیرو محرکه خارجی در محیط آبی حاوی نمک و گلوکز شنا کند. با بررسی جزئیات این دستاورد، اهمیت توسعه این ماهی کوچک در مسیر دستیابی به اندام‌های انسانی را بررسی می‌کنیم.
تولید اندام‌های مصنوعی به ویژه اندام پیچیده‌ای مانند قلب با چالش‌ها و دشواری‌های زیادی همراه است و هنوز فاصله زیادی تا رسیدن به این مرحله باقی مانده اما در پژوهش جدیدی که نتایج آن در نشریه ساینس منتشر شده‌است، گروهی از محققان دانشگاه دانشگاه‌های هاروارد و اموری موفق به تولید نوعی بیوهیبرید یا هیبرید زیستی ماهی‌شکل خودمختار با استفاده از سلول‌های تپنده قلبی مشتق شده از سلول‌های بنیادی انسان
شده‌اند.
این ماهی مصنوعی عجیب با دمش که به طور ریتمیک به این طرف و آن طرف حرکت می‌کند، در محلول نمک و گلوکز خود با همان نیروی ضربان قلب ما به اطراف می‌چرخد و می‌تواند بیش از 100 روز به شنا کردن ادامه دهد. این محصول بیوهیبرید نامیده می‌شود؛ زیرا برای تولید آن سلول‌های انسانی را با مواد غیرزیستی مانند بدنه ژلاتینی و کاغذی و یک شناور پلاستیکی ترکیب کرده‌اند. در تولید این ماهی کوچک از هیچ بخشی از ماهی واقعی استفاده نشده‌است.
از تپش سلول‌های قلبی
تا شنای ماهی
مخترعان امید زیادی به این دستگاه کوچک عجیب و غریب ساخته شده از سلول‌های زنده ماهیچه قلب (کاردیومیوسیت) دارند که در نتیجه تمایز سلول‌های بنیادی انسانی در محیط آزمایشگاهی به وجود آورده‌اند. ایجاد ماهی بیوهیبرید بر دو ویژگی کلیدی تنظیمی قلب ما متمرکز است: توانایی عملکرد خود به خود، بدون نیاز به ورودی آگاهانه و انرژی خارجی (عملکرد خودکار) و انتقال پیام با منشأ حرکت مکانیکی (سیگنال‌دهی مکانیکی-الکتریکی). در واقع سلول‌های قلب ما نیز هر یک به تنهایی تپش خودمختار دارند و می‌توانند در سراسر قلب پیام تحریک مکانیکی را انتقال دهند و از این روش فرآیند مکانیکی قلب را تنظیم و یکپارچه‌سازی کنند.
بینش به دست آمده از این تحقیق در خصوص ویژگی‌های سلول‌های قلبی می‌تواند به محققان در بررسی دقیق این جنبه‌ها در بیماری‌های قلبی کمک کند. کوین کیت پارکر، مهندس زیستی دانشگاه هاروارد می‌گوید: «هدف نهایی ما ساختن یک قلب مصنوعی برای جایگزینی قلب دارای نقصان در کودکان است.»
شبیه‌سازی فعالیت قلب
اگرچه ساختن ساختاری با ظاهر مشابه قلب ممکن تا حد زیادی ساده و قابل انجام است اما به وجود آوردن سازه‌ای که بتواند عملکردی مشابه با قلب داشته‌باشد، چالش بسیار دشواری به شمار می‌رود. ساخت ربات فعال ماهی‌شکل، گام بزرگی در این مسیر
به شمار می‌رود. البته این پژوهش بر پایه نتایج به دست آمده از تحقیقات پیشین است که طی آن با استفاده از ماهیچه‌های قلب موش برای ساخت پمپ بیوهیبرید عروس دریایی و سفره‌ماهی پیش رفته‌است.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های مشاهده شده در نتایج این پژوهش این بود که با گذشت زمان، بیوهیبرید در ماهی بودن بهتر شد؛ یعنی شنا کردن سلول‌ها را تقویت کرد، سرعت شنای بالاتر رفت و هماهنگی عضلات در طول ماه اول بهبود پیدا کرد.
البته این مشاهدات و دستاوردها هیچ‌کدام به این معنی نیست که ما به زودی شاهد پمپاژ قلب‌های تولید شده با سلول‌های بنیادی در بدن افراد زنده خواهیم‌بود اما دکتر پارکر آن را پیشرفت بزرگی می‌داند و می‌گوید: «می‌توان با خمیر بازی یک مدل قلب ساخت اما قاعدتا چنین توانایی معنایش این نیست که می‌توانیم به همین راحتی هم قلب واقعی بسازیم. شما می‌توانید سلول‌های توموری تصادفی را در ظرف کشت سلول رشد دهید تا زمانی که به صورت توده‌ای ضربان‌دار در آیند و آن را یک ارگانوئید قلبی بنامید. هرچند هیچ یک از این تلاش‌ها نمی‌تواند فیزیک سیستمی را شبیه‌سازی و پیاده کند که بیش از یک میلیارد بار در طول زندگی‌تان می‌تپد و به طور همزمان نیز سلول‌هایش را بدون افت در فعالیتش بازسازی می‌کند. اصل چالش این است! اینجا جایی است که باید روی آن کار کنیم.»
نقش کانال‌های یونی
در تپش سلول‌ها
خمش فیزیکی نوعی حرکت مکانیکی است که کانال‌های یونی مسؤول ایجاد سیگنال الکتریکی در ماهیچه‌ها را فعال می‌کند. کانال‌های یونی با عبور برخی یون‌ها به داخل سلول و تنظیم غلظت یون‌ها در سلول‌های ماهیچه‌ای باعث فعال شدن و انقباض عضلات می‌شود.
قرار گرفتن سیستم هیبریدی در معرض استرپتومایسین و گادولینیوم که به عنوان مختل‌کننده‌های کانال‌های یونی در عضلات شناخته می‌شود، به کاهش سرعت شنا و قطع رابطه بین کشش مکانیکی و شروع انقباض بعدی در طرف دیگر منجر شد. این مشاهده تأیید کرد کانال‌های یونی در واقع در انقباضات ریتمیک قلبی نیز نقش دارند.
کیل یونگ‌لی، محقق مهندس زیستی دانشگاه هاروارد می‌گوید: «با استفاده از سیگنال‌های مکانیکی - الکتریکی قلبی بین دو لایه عضله، چرخه‌ای را دوباره ایجاد کردیم که در آن هر انقباض به طور خودکار به عنوان پاسخی به کشش طرف مقابل انجام می‌شود. نتایج این پژوهش نقش سازوکار‌های بازخورد در پمپ‌های عضلانی مانند قلب را برجسته می‌کند.»
تلفیق ضربان طبیعی و ضربان‌ساز
پارکر و همکارانش همچنین سیستمی مشابه ضربان‌ساز (pacemaker) را در بیوهیبرید ادغام کردند؛ مجموعه‌ای مجزا از سلول‌ها که فرکانس و هماهنگی این حرکات را کنترل می‌کند. سونگ جین پارک، محقق بیوفیزیک و یکی از محققان اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد: «به دلیل دو سازوکار داخلی ضربان‌ساز، ماهی‌های ما می‌توانند طولانی‌تر فعال باشند، سریع‌تر حرکت کنند و کارآمدتر از پژوهش‌های قبلی شنا کنند.»
انقباضات گسترده بافت ماهی بیوهیبرید با گورخرماهی که برای ساخت ماهی بیوهیبرید از آن الگوبرداری شده‌است، قابل مقایسه است؛ این ساز و کار، سازه کوچک را نسبت به سیستم‌های رباتیک مکانیکی به طور موثرتری به اطراف می‌راند.
پارکر می‌گوید: «ما به جای استفاده از تصویربرداری قلب به عنوان نقشه اولیه، اصول بیوفیزیکی کلیدی را که باعث کارکرد قلب می‌شود، شناسایی می‌کنیم، از آنها
به عنوان معیارهای طراحی استفاده می‌کنیم و آنها را در یک سیستم در قالب ماهی زنده با قابلیت شناگری پیاده‌سازی کرده‌ایم؛ راهکاری که به شکل ساده‌تری نشان می‌دهد که آیا در به کارگیری سازوکار‌ها موفق بوده‌ایم یا نه.»
اما هنوز گام‌های زیادی تا تبدیل شدن این ماهی ضربان‌دار به قلبی تپنده در سینه انسان باقی مانده‌است.
منابع: Science Alert و IFL Science
نحوه عملکرد ماهی تپنده
با قرار دادن دو لایه کاردیومیوسیت یا سلول‌های ماهیچه قلبی در هر طرف باله دمی، ماهی بیوهیبرید به گونه‌ای ساخته شده‌است که بتواند عملکرد مستقلی داشته‌باشد؛ این ماهی می‌تواند خودش بدون نیاز به نیروی خارجی حرکتش را ادامه بدهد.
ویژگی کلیدی قلب این است که می‌تپد و سلول‌های تشکیل‌دهنده آن نیز به همین ترتیب عمل می‌کنند. این تیم 73هزار سلول بنیادی را به سلول‌های ماهیچه‌ای قلب تبدیل کرد و آنها را روی ساختاری شبیه گورخرماهی (زبرافیش) با دو لایه سلول‌های ماهیچه‌ای در هر طرف باله دم سوار کردند. ماهیچه‌های هر طرف حاوی پروتئین‌های شبکیه حساس به رنگ‌های مختلف نور است. با استفاده از رنگ‌های متناوب، سلول‌ها از همگامی خارج می‌شوند؛ هنگامی که یک طرف به شدت منقبض می‌شود، طرف دیگر کشیده می‌شود و سازوکاری بازخوردی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود طرف مقابل کشیده شده و این بار این سمت باله منقبض شود. به همین ترتیب این سازوکار در چرخه‌ای مداوم فعال می‌شود.
این حرکت ماهی را به جلو هل می‌داد و تیم نشان داد سلول‌ها می‌توانند این حرکت را برای 108 روز هنگام شنا کردن در محلول نمک غنی شده با گلوکز حفظ کنند.
این سیستم انقباضات ناهمزمان عضلانی از الگوی انقباض عضلات پروازی حشرات الهام گرفته‌است.
شده‌اند.
این ماهی مصنوعی عجیب با دمش که به طور ریتمیک به این طرف و آن طرف حرکت می‌کند، در محلول نمک و گلوکز خود با همان نیروی ضربان قلب ما به اطراف می‌چرخد و می‌تواند بیش از 100 روز به شنا کردن ادامه دهد. این محصول بیوهیبرید نامیده می‌شود؛ زیرا برای تولید آن سلول‌های انسانی را با مواد غیرزیستی مانند بدنه ژلاتینی و کاغذی و یک شناور پلاستیکی ترکیب کرده‌اند. در تولید این ماهی کوچک از هیچ بخشی از ماهی واقعی استفاده نشده‌است.
از تپش سلول‌های قلبی
تا شنای ماهی
مخترعان امید زیادی به این دستگاه کوچک عجیب و غریب ساخته شده از سلول‌های زنده ماهیچه قلب (کاردیومیوسیت) دارند که در نتیجه تمایز سلول‌های بنیادی انسانی در محیط آزمایشگاهی به وجود آورده‌اند. ایجاد ماهی بیوهیبرید بر دو ویژگی کلیدی تنظیمی قلب ما متمرکز است: توانایی عملکرد خود به خود، بدون نیاز به ورودی آگاهانه و انرژی خارجی (عملکرد خودکار) و انتقال پیام با منشأ حرکت مکانیکی (سیگنال‌دهی مکانیکی-الکتریکی). در واقع سلول‌های قلب ما نیز هر یک به تنهایی تپش خودمختار دارند و می‌توانند در سراسر قلب پیام تحریک مکانیکی را انتقال دهند و از این روش فرآیند مکانیکی قلب را تنظیم و یکپارچه‌سازی کنند.
بینش به دست آمده از این تحقیق در خصوص ویژگی‌های سلول‌های قلبی می‌تواند به محققان در بررسی دقیق این جنبه‌ها در بیماری‌های قلبی کمک کند. کوین کیت پارکر، مهندس زیستی دانشگاه هاروارد می‌گوید: «هدف نهایی ما ساختن یک قلب مصنوعی برای جایگزینی قلب دارای نقصان در کودکان است.»
شبیه‌سازی فعالیت قلب
اگرچه ساختن ساختاری با ظاهر مشابه قلب ممکن تا حد زیادی ساده و قابل انجام است اما به وجود آوردن سازه‌ای که بتواند عملکردی مشابه با قلب داشته‌باشد، چالش بسیار دشواری به شمار می‌رود. ساخت ربات فعال ماهی‌شکل، گام بزرگی در این مسیر
به شمار می‌رود. البته این پژوهش بر پایه نتایج به دست آمده از تحقیقات پیشین است که طی آن با استفاده از ماهیچه‌های قلب موش برای ساخت پمپ بیوهیبرید عروس دریایی و سفره‌ماهی پیش رفته‌است.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های مشاهده شده در نتایج این پژوهش این بود که با گذشت زمان، بیوهیبرید در ماهی بودن بهتر شد؛ یعنی شنا کردن سلول‌ها را تقویت کرد، سرعت شنای بالاتر رفت و هماهنگی عضلات در طول ماه اول بهبود پیدا کرد.
البته این مشاهدات و دستاوردها هیچ‌کدام به این معنی نیست که ما به زودی شاهد پمپاژ قلب‌های تولید شده با سلول‌های بنیادی در بدن افراد زنده خواهیم‌بود اما دکتر پارکر آن را پیشرفت بزرگی می‌داند و می‌گوید: «می‌توان با خمیر بازی یک مدل قلب ساخت اما قاعدتا چنین توانایی معنایش این نیست که می‌توانیم به همین راحتی هم قلب واقعی بسازیم. شما می‌توانید سلول‌های توموری تصادفی را در ظرف کشت سلول رشد دهید تا زمانی که به صورت توده‌ای ضربان‌دار در آیند و آن را یک ارگانوئید قلبی بنامید. هرچند هیچ یک از این تلاش‌ها نمی‌تواند فیزیک سیستمی را شبیه‌سازی و پیاده کند که بیش از یک میلیارد بار در طول زندگی‌تان می‌تپد و به طور همزمان نیز سلول‌هایش را بدون افت در فعالیتش بازسازی می‌کند. اصل چالش این است! اینجا جایی است که باید روی آن کار کنیم.»
نقش کانال‌های یونی
در تپش سلول‌ها
خمش فیزیکی نوعی حرکت مکانیکی است که کانال‌های یونی مسؤول ایجاد سیگنال الکتریکی در ماهیچه‌ها را فعال می‌کند. کانال‌های یونی با عبور برخی یون‌ها به داخل سلول و تنظیم غلظت یون‌ها در سلول‌های ماهیچه‌ای باعث فعال شدن و انقباض عضلات می‌شود.
قرار گرفتن سیستم هیبریدی در معرض استرپتومایسین و گادولینیوم که به عنوان مختل‌کننده‌های کانال‌های یونی در عضلات شناخته می‌شود، به کاهش سرعت شنا و قطع رابطه بین کشش مکانیکی و شروع انقباض بعدی در طرف دیگر منجر شد. این مشاهده تأیید کرد کانال‌های یونی در واقع در انقباضات ریتمیک قلبی نیز نقش دارند.
کیل یونگ‌لی، محقق مهندس زیستی دانشگاه هاروارد می‌گوید: «با استفاده از سیگنال‌های مکانیکی - الکتریکی قلبی بین دو لایه عضله، چرخه‌ای را دوباره ایجاد کردیم که در آن هر انقباض به طور خودکار به عنوان پاسخی به کشش طرف مقابل انجام می‌شود. نتایج این پژوهش نقش سازوکار‌های بازخورد در پمپ‌های عضلانی مانند قلب را برجسته می‌کند.»
تلفیق ضربان طبیعی و ضربان‌ساز
پارکر و همکارانش همچنین سیستمی مشابه ضربان‌ساز (pacemaker) را در بیوهیبرید ادغام کردند؛ مجموعه‌ای مجزا از سلول‌ها که فرکانس و هماهنگی این حرکات را کنترل می‌کند. سونگ جین پارک، محقق بیوفیزیک و یکی از محققان اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد: «به دلیل دو سازوکار داخلی ضربان‌ساز، ماهی‌های ما می‌توانند طولانی‌تر فعال باشند، سریع‌تر حرکت کنند و کارآمدتر از پژوهش‌های قبلی شنا کنند.»
انقباضات گسترده بافت ماهی بیوهیبرید با گورخرماهی که برای ساخت ماهی بیوهیبرید از آن الگوبرداری شده‌است، قابل مقایسه است؛ این ساز و کار، سازه کوچک را نسبت به سیستم‌های رباتیک مکانیکی به طور موثرتری به اطراف می‌راند.
پارکر می‌گوید: «ما به جای استفاده از تصویربرداری قلب به عنوان نقشه اولیه، اصول بیوفیزیکی کلیدی را که باعث کارکرد قلب می‌شود، شناسایی می‌کنیم، از آنها
به عنوان معیارهای طراحی استفاده می‌کنیم و آنها را در یک سیستم در قالب ماهی زنده با قابلیت شناگری پیاده‌سازی کرده‌ایم؛ راهکاری که به شکل ساده‌تری نشان می‌دهد که آیا در به کارگیری سازوکار‌ها موفق بوده‌ایم یا نه.»
اما هنوز گام‌های زیادی تا تبدیل شدن این ماهی ضربان‌دار به قلبی تپنده در سینه انسان باقی مانده‌است.
منابع: Science Alert و IFL Science
نحوه عملکرد ماهی تپنده
با قرار دادن دو لایه کاردیومیوسیت یا سلول‌های ماهیچه قلبی در هر طرف باله دمی، ماهی بیوهیبرید به گونه‌ای ساخته شده‌است که بتواند عملکرد مستقلی داشته‌باشد؛ این ماهی می‌تواند خودش بدون نیاز به نیروی خارجی حرکتش را ادامه بدهد.
ویژگی کلیدی قلب این است که می‌تپد و سلول‌های تشکیل‌دهنده آن نیز به همین ترتیب عمل می‌کنند. این تیم 73هزار سلول بنیادی را به سلول‌های ماهیچه‌ای قلب تبدیل کرد و آنها را روی ساختاری شبیه گورخرماهی (زبرافیش) با دو لایه سلول‌های ماهیچه‌ای در هر طرف باله دم سوار کردند. ماهیچه‌های هر طرف حاوی پروتئین‌های شبکیه حساس به رنگ‌های مختلف نور است. با استفاده از رنگ‌های متناوب، سلول‌ها از همگامی خارج می‌شوند؛ هنگامی که یک طرف به شدت منقبض می‌شود، طرف دیگر کشیده می‌شود و سازوکاری بازخوردی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود طرف مقابل کشیده شده و این بار این سمت باله منقبض شود. به همین ترتیب این سازوکار در چرخه‌ای مداوم فعال می‌شود.
این حرکت ماهی را به جلو هل می‌داد و تیم نشان داد سلول‌ها می‌توانند این حرکت را برای 108 روز هنگام شنا کردن در محلول نمک غنی شده با گلوکز حفظ کنند.
این سیستم انقباضات ناهمزمان عضلانی از الگوی انقباض عضلات پروازی حشرات الهام گرفته‌است.
