نزدیک به یک دهه است که برنامه «اندام‌زایی مغز» استنفورد آمریکا (Brain Organogenesis)، رویکردی انقلابی در بررسی مغز را سرپرستی کرده است و به‌جای بررسی بافت‌های سالم مغز در انسان و سایر حیوانات، بافت‌های سه‌بعدی شبیه مغز را در آزمایشگاه از سلول‌های بنیادی رشد می‌دهند و مدل‌هایی به‌نام «ارگانوئیدها» و مجموعه‌های عصبی انسان ایجاد می‌کنند.

این برنامه که از سال ۲۰۱۸، به‌عنوان پروژه «ایده‌های بزرگ در علوم اعصاب» در موسسه علوم اعصاب «وو تسای» استنفورد آغاز شد، دانشمندان علوم اعصاب، شیمی‌دانان، مهندسان و دیگران را گرد هم آورده است تا به بررسی مدارهای عصبی دخیل در درد، ژن‌های محرک اختلالات عصبی-رشدی، روش‌های جدید برای مطالعه مدارهای مغز و موارد دیگر بپردازند.

با این حال، این پژوهش‌ها با مشکل مقیاس مواجه شدند. اگر محققان بتوانند هزاران «ارگانوئید» را به‌طور همزمان با اندازه و شکل یکنواخت تولید کنند، آنان می‌توانند اطلاعات بیشتری در مورد رشد مغز و اختلالات رشدی داشته باشند و داروهای جدید و ژن‌درمانی‌ها را با کارایی بیشتری آزمایش کنند. مشکل این است که «ارگانوئیدهای» عصبی عادت دارند به یکدیگر بچسبند و همین امر رشد دسته‌های بزرگی از آنها را با اندازه و شکل ثابت دشوار می‌کند.

اکنون، گروهی از دانشمندان علوم اعصاب و مهندسان به رهبری سرجیو پاسکا، استاد روان‌پزشکی و علوم رفتاری «کنت تی. نوریس جونیور» از دانشکده پزشکی و از اعضای وابسته به «وو تسای نورو»، به همراه سارا هیلشورن، راه‌حل ساده‌ای پیدا کرده‌اند. همانطور که آنان در تحقیق خود گزارش کردند، تنها چیزی که برای جلوگیری از چسبیدن «ارگانوئیدها» به یکدیگر لازم بود، صمغ «زانتان»، افزودنی غذایی رایج بود.

پاسکا گفت: اکنون می‌توانیم به‌راحتی ۱۰ هزار عدد از آنها تولید کنیم. این روش، مانند تمام روش‌های ما، آزادانه در دسترس عموم است ودر حال حاضر آزمایشگاه‌های متعددی وجود دارند که این روش را پیاده‌سازی کرده‌اند.  این گروه پژوهشی در راستای تعهد برنامه برای در دسترس قرار دادن تکنیک‌هایشان به‌طور گسترده، رویکرد خود را به اشتراک گذاشته‌اند تا دیگران بتوانند از آن بهره‌مند شوند.

همه چیز همیشه به این راحتی نبود؛ حدود ۱۲ سال پیش، پاسکا روشی برای تبدیل سلول‌های بنیادی به بافت‌های سه‌بعدی که اکنون به‌عنوان «ارگانوئیدهای عصبی منطقه‌ای» شناخته می‌شوند را ابداع کرده بود و فقط توانست تعداد کمی از این کشت‌های اولیه ایجاد کند. وی می‌گوید: در روزهای اولیه، هشت یا ۹ تا از آنها را داشتم و هر کدام را به‌نام «موجودات اساطیری» نامگذاری کردم. اما پاسکا می‌خواست درک خوبی از رشد مغز، به‎ویژه آنچه در طول رشد اتفاق می‌افتد و منجر به اختلالاتی مانند اوتیسم یا سندرم تیموتی می‌شود را به‌دست آورد و به ایده‌های دیگری مانند غربالگری داروها برای عوارض جانبی بالقوه بر رشد مغز بپردازد.

وی خاطرنشان کرد: برای انجام این کار، ما نیاز به تولید هزاران «ارگانوئید» یکسان داشتیم. پاسکا همچنین متوجه شد که باید محققان زیادی را درگیر کند. وی توضیح داد: فکر کردم، این یک حوزه نوظهور است و مشکلات زیادی وجود دارد که قرار است با آنها مواجه شویم و راه‌حل آنها، اجرای فناوری‌های نوآورانه است.

برای پیشرفت، پاسکا با کارل دیسروث، مهندس زیستی و دانشمند علوم اعصاب، وابسته به «وو تسای نورو»، همکاری کرد و گروه میان رشته‌ای را برای راه‌اندازی برنامه «اندام‌زایی مغز» استنفورد با حمایت کمک‌ هزینه ایده‌های بزرگ «وو تسای نورو» در علوم اعصاب، گرد هم آورد.

راه‌حل نچسبیدن

مشکل چسبندگی خیلی زود خودش را نشان داد. «ارگانوئیدها» با هم ترکیب می‌شدند و در نتیجه تعداد کمتری «ارگانوئید» با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف ایجاد می‌شد. به گفته پاسکا، افراد در آزمایشگاه شاکی بودند که ۱۰۰ ارگانوئید ساختیم، اما در نهایت ۲۰ تا باقی ماند.

این هم موهبت و هم بدبختی بود؛ از یک طرف، این امر نشان می‌داد که محققان می‌توانند دو نوع مختلف «ارگانوئید»، به‌عنوان مثال یک مخچه کوچک و نخاع، را به‌هم بچسبانند تا توسعه ساختارهای پیچیده‌تر مغز را بررسی کنند. از سوی دیگر، هنوز لازم بود گروه بتواند تعداد زیادی «ارگانوئید» ایجاد کند تا بتواند داده‌های دقیقی در مورد رشد مغز جمع‌آوری کند، ازجمله داروها را برای نقص‌های رشد غربالگری کند یا هر تعداد پروژه دیگر را در مقیاس بزرگ انجام دهد.

یک راه‌حل این است که هر «ارگانوئید» را در یک ظرف جداگانه پرورش دهند، اما انجام این کار اغلب ناکارآمد است. در عوض، آزمایشگاه به چیزی نیاز داشت که «ارگانوئیدها» را حین رشد دسته‌ای از هم جدا نگه دارد، بنابراین پاسکا با هیلشورن، همکار برنامه «اندام‌زایی مغز» استنفورد و مهندس مواد، همکاری کرد تا برخی از گزینه‌ها را امتحان کند. این گروه در نهایت ۲۳ ماده مختلف را با هدف در دسترس قرار دادن روش‌های خود برای دیگران، بررسی کرد.

هیلشورن بیان کرد: ما موادی را انتخاب کردیم که پیش از این زیست‌سازگار در نظر گرفته می‌شدند و اقتصادی و استفاده از آنها ساده بود، به‌طوری که سایر دانشمندان بتوانند به‌راحتی از روش‌های ما استفاده کنند. آنان برای آزمایش هر مواد، ابتدا «ارگانوئیدها» را به‌مدت ۶ روز در یک مایع غنی از مواد مغذی رشد دادند، سپس یکی از مواد آزمایشی را اضافه کردند. پس از ۲۵ روز، این گروه فقط تعداد ارگانوئیدهای باقی مانده حتی در مقادیر کم را شمرد، صمغ «زانتان»، مانع از ادغام ارگانوئیدها شد و این کار را بدون هیچ گونه عوارض جانبی بر رشد «ارگانوئیدها» انجام داد. اکنون محققان می‌توانند «ارگانوئیدها» را بدون ایجاد سوگیری در نتایج آزمایش خود، از هم جدا نگه دارند.

افزایش تولید

برای اثبات قابلیت این روش، گروه از آن برای پرداختن به مسئله در دنیای واقعی استفاده کرد؛ پزشکان اغلب در تجویز داروهای بالقوه مفید برای افراد باردار و نوزادان تردید دارند، زیرا نمی‌دانند که آیا این داروها ممکن است به مغز در حال رشد آسیب برساند یا خیر. اگرچه داروهای تایید شده توسط سازمان غذا و دارو آزمایش‌های گسترده‌ای را پشت سر می‌گذارند، اما نگرانی‌های اخلاقی باعث می‌شود که آنها اغلب روی افراد باردار یا نوزادان آزمایش نشوند.

برای نشان دادن اینکه چگونه «ارگانوئیدها» این مشکل را برطرف می‌کنند، جنتا نارازاکی، محقق همکار و مهمان در آزمایشگاه پاسکا در زمان انجام تحقیق، ابتدا ۲۴۰۰ «ارگانوئید» را در دسته‌هایی پرورش داد. سپس یکی از ۲۹۸ داروی تایید شده توسط سازمان غذا و دارو را به هر دسته اضافه کرد تا دریابد آیا هر یک از آنها ممکن است باعث نقص رشد شود یا خیر. وی با همکاری نزدیک با محقق دیگر، یوکی میورا، در آزمایشگاه پاسکا، نشان داد که چندین دارو، ازجمله دارویی که برای درمان سرطان سینه استفاده می‌شود، رشد «ارگانوئیدها» را متوقف می‌کنند و بیانگر این است که آنها می‌توانند برای رشد مغز مضر باشند.

پاسکا اظهار کرد: نتایج این آزمایش نشان می‌دهد که محققان می‌توانند عوارض جانبی بالقوه را کشف کنند و این کار را بسیار کارآمد انجام دهند. یک آزمایشگر به تنهایی هزاران «ارگانوئید» قشری تولید کرد و حدود ۳۰۰ دارو را آزمایش کرد.

اکنون، پاسکا و همکارانش در برنامه «اندام‌زایی مغز» استنفورد امیدوارند از روش خود برای پیشرفت در تعدادی از اختلالات عصبی-روانی مانند اوتیسم، صرع و اسکیزوفرنی استفاده کنند. پاسکا تاکید کرد که رسیدگی به این بیماری‌ها به‌راستی مهم است، اما بهجز اینکه مقیاس را افزایش دهید، هیچ راهی برای ایجاد تغییر وجود ندارد و هدف فعلی همین است.

نتایج این تحقیق در مجله Nature Biomedical Engineering منتشر شد.

انتهای پیام