تولید ارگانوئیدهای مغز؛ از پیوند تا کشت

تولید انبوه ارگانوئیدهای مغزی قابل‌‌کشت

متخصص مغز و اعصاب: پژوهشگران در تلاش برای تولید انبوه ارگانوئیدهای مغزی قابل‌‌کشتی هستند که بتوانند از آن در مقاصد گوناگون پزشکی و فضایی بهره ببرند. در یکی از آزمایشگاهای دانشگاه کالیفرنیا واقع در سن‌دیگو، تعداد زیادی نمونه با نام «ارگانوئید مغزی» کشت شد که هم‌‌اکنون درقالب هزاران گوی کوچک از سلول‌‌های مغز رهسپار سفری به مدار زمین هستند.

 

 این ارگانوئیدها در حین رشد خود دقیقا به چه موجودی تبدیل می‌‌شوند؟ 

در مغز افراد بالغ، این امواج درنتیجه‌‌ی برانگیخته‌‌شدن هماهنگ یک شبکه از نورون‌‌ها ایجاد می‌‌شوند. الگوهای خاص از امواج مغزی حاصل اشکال به‌‌خصوصی از فعالیت‌‌های مغزی نظیر بازیابی خاطرات و دیدن رویا هستند. پژوهشگران دریافتند، همان‌‌‌‌طور که ارگانوئیدها رشد می‌‌کنند، امواج ناشی از آن‌‌ها نیز با روندی مشابه با تغییرات دیده‌‌شده حین رشد مغز نوزادان نابالغ، شروع به تغییر می‌‌کنند. جورجیا کوادراتو، عصب‌‌شناس دانشگاه کالیفرنیای جنوبی و از دست‌‌اندرکاران مطالعه‌‌ی فعلی می‌‌گوید: واقعا شگفت‌‌انگیز است. هیچ‌‌کس نمی‌‌توانست وقوع چنین اتفاقی را حدس بزند.  نباید از این موضوع برداشت اشتباهی کرد. آنچه که او به‌‌همراه دکتر موتری و سایر متخصصان ارگانوئیدهای مغزی ساخته‌‌اند، تنها توده‌‌ای از سلول‌‌های مغزی هستند که خود را تکثیر می‌‌کنند و نه یک مغز واقعی را  مردم اغلب می‌‌گویند این‌‌ها شبیه به مغز نوزادان نارس هستند. اما این‌‌گونه نیست.

از زمانی‌که دانشمندان موفق‌‌به تولید اولین ارگانوئیدهای مغزی با استفاده از سلول‌‌های پوست شدند، ۶ سال می‌‌گذرد. امروزه این نمونه‌‌ها در آزمایشگاه‌‌های مختلفی در سرتاسر جهان در حال پرورش هستند و این به‌‌منزله‌‌ی نخستین گام‌‌ها به‌‌سوی توسعه‌‌ی مغز انسان در محیط مصنوعی است. اما اینجا در دانشگاه کالیفرنیای سن‌‌دیگو، پژوهشگران سرگرم به‌‌کارگیری ارگانوئیدها برای بازسازی اختلالات موروثی و عفونت‌‌های مغزی در مقیاسی مینیاتوری هستند. آن‌‌ها همچنین می‌‌کوشند، نمونه‌‌‌‌هایی بزرگ‌‌تر و البته پیچیده‌‌تر از ارگانوئیدهای مغزی را توسعه دهند. در یکی از آزمایش‌‌های اخیر، دانشمندان یک ارگانوئید مغزی را با یک ربات عنکبوتی‌‌شکل پیوند داده‌‌اند تا امکان مبادله‌‌ی سیگنال بین این دو را فراهم کنند.

امواج مغزی ارگانوئیدها مشابه با امواج مغز نوزادان نارس بود

حال با انتشار گزارش اخیر در ژورنال سلول بنیادی با این پرسش اساسی مواجه می‌‌شویم که روند توسعه‌‌ی ارگانوئیدهای مغزی قرار است واقعا به کجا برسد؟ دکتر موتری می‌‌گوید:

برخی از همکاران من می‌‌گویند: «نه، این چیزها قرار نیست به آگاهی برسند.» اکنون من در این مورد، چندان مطمئن نیستم.

کریستوف کخ، دانشمند ارشد و مدیر مؤسسه‌‌ی Allen Brain در سیاتل آمریکا می‌‌گوید حتی اگر دانشمندان روزی موفق به تولید ارگانوئیدهایی با سطح بسیار ناچیزی از خودآگاهی شوند، این موضوع می‌‌تواند به‌‌منزله‌‌ی مواجهه با یکی از جدی‌‌ترین چالش‌‌های اخلاقی علم پزشکی باشد. او توضیح می‌‌دهد  هرچه ما به این هدف نزدیک‌‌تر می‌‌شویم، شانس مواجهه با یک مغز برخوردار از هوشیاری و البته حس درد، رنج و پریشانی بیش‌‌تر خواهد شد.

مطالب پیشنهادی:  آیا کرونا موجب تخریب مغز می شود؟

به‌‌خاطر محدودیت‌‌های موجود، دانشمندان این حوزه عموما خود را با شواهد غیرمستقیم به‌‌دست‌‌آمده از مطالعه‌‌ی مغز جانورانی مانند موش‌‌ها و میمون‌‌ها قانع کرده‌‌اند. اما مغز گونه‌‌ی انسان امروزی به‌‌حدی متمایز است که به‌‌سختی می‌‌توان شکاف فرگشتی میان آن و گونه‌‌های دیگر را پر کرد. درنتیجه، پژوهشگران تقریبا هیچ‌‌گونه شواهد تاریخی قابل‌‌استنادی برای برخی اختلالات مغزی نظیر اوتیسم و اسکیزوفرنی در اختیار ندارند.

سال ۲۰۰۶، شینیا یاماناکا، زیست‌‌شناس دانشگاه کیوتو در ژاپن روشی جدید برای مطالعه‌‌ی مغز انسان معرفی کرد. او ترکیبی از چهار پروتئین را کشف کرد که می‌‌توانستند سلول‌‌های معمولی پوست را به سلول‌‌های بنیادی تبدیل کنند. این سلول‌‌ها بعدها می‌‌توانستند به نورون‌‌ها، ماهیچه یا سلول‌‌های خونی تبدیل شوند. براساس این دستاورد، پژوهشگران دیگر یاد گرفتند که چگونه می‌‌توان با استفاده از سلول‌‌های بنیادی، ارگان‌‌های مینیاتوری را درون یک ظرف پرورش داد. سال ۲۰۱۴، یک گروه از پژوهشگران در اتریش برای اولین‌بار، موفق به تولید ارگانوئیدهای مغزی کوچک با عمری محدود شدند.

اگر ارگانوئیدها دارای سطح بسیار ناچیزی از خودآگاهی شوند؟

کلبر تروجیلو، دانشمند پروژه پیش‌‌بینی می‌‌کند که در آینده هزاران نمونه از این ارگانوئیدها در اتاق‌‌های کشت بافت آزمایشگاه دکتر موتری عمل‌‌آوری شوند. او با اشاره به بانک عظیم یخچال‌‌ها، مولدها و میکروسکوپ‌‌های آزمایشگاه می‌‌گوید: «این مکانی است که ما نیمی از شبانه‌‌روز را در آن مشغول به‌‌کار هستیم.»

پرورش ارگانوئیدهای مغزی بسیار زمان‌‌بر است؛ چراکه دستورالعمل تولید آن‌‌ها بیش‌‌تر به دستور پخت یک دسر سوفله شباهت دارد تا آزمایشی شیمیایی. دانشمندان مجبور هستند به‌‌صورت مداوم، محلول مغذی این ارگانوئیدها را تعویض کنند و در عین حال، همواره مراقب خود سلول‌‌ها نیز باشند. دکتر تروجیلو می‌‌گوید:  ما باید این روند را هدایت کنیم. در غیر این‌‌صورت، محصول نهایی چیزی غیر از ارگانوئید خواهد بود.

اگر همه‌‌چیز مطابق برنامه پیش برود، سلول‌‌ها تبدیل به ارگانوئیدهای مغزی خواهند شد. آن‌‌ها به‌‌شکل حباب‌‌هایی در می‌آیند که درونشان تونل‌‌هایی شکل می‌‌گیرد. سپس سلول‌‌های اولیه تونل‌‌ها را احاطه کرده و ریسمان‌‌ها رشد می‌‌کنند. سلول‌‌های دیگر نیز در امتداد ریسمان‌‌ها توسعه می‌‌یابند و حلقه‌‌های پی‌‌درپی را شکل می‌‌دهند. از بسیاری از جهات، این سلول‌‌ها مشابه همان‌‌سلول‌‌هایی هستند که در کورتکس مغز ما وجود دارند. حتی سطح این سلول‌‌ها قابلیت تاخوردن روی خود را دارد.

دکتر تروجیلو یک سینی حاوی نمونه‌‌هایی نیمه‌‌شفاف را بیرون می‌‌کشد. زیر نور، صدها کره‌‌ی کوچک کم‌‌رنگ به‌‌ حالت درخشان درمی‌‌آیند. در عرض دو ماه، سلول‌‌های درون هر ارگانوئید با شبکه‌‌ای از رشته‌‌های چسبناک، شکل منسجمی به خود می‌‌گیرند. دکتر تروجیلو با شوق می‌‌گوید که سلول‌ها می‌‌خواهند در تماس با یکدیگر باقی بمانند.

دکتر موتری و همکارانش از ارگانوئیدها برای انجام چندین آزمایش روی بیماری‌‌های مختلف استفاده می‌‌کنند. برای مثال، آن‌‌ها این ارگانوئیدها را آلوده به ویروس زیکا می‌‌کنند تا دریابند که چگونه این ویروس باعث بروز آسیب‌‌های شدید مغزی در مغز کودکان می‌‌شود. سال گذشته، پژوهشگران دریافتند که نوعی دارو با نام سوفوسباویر (sofosbuvir) که قبلا برای درمان هپاتیت استفاده می‌‌شد، می‌‌تواند با ایجاد یک قشای محافظ روی مغز مانع از عفونت آن شود. دکتر دیوید باد، متخصص ویروس زیکا در دانشگاه لاوسان سوئیس، کشف اخیر در حوزه‌‌ی پروش ارگانوئیدها را بسیار نویدبخش می‌‌داند. او می‌‌گوید از آنجا که مطالعه‌‌ی نورون‌‌های انسان‌‌ها و موش‌‌ها بسیار مشکل است، ارگانوئیدها می‌توانند بهترین راه‌‌حل باشند.

مطالب پیشنهادی:  کاهش خطر سکته مغزی با نوشیدن قهوه!

فابیو پاپز، عصب‌‌شناس دانشگاه کمپیناس در برزیل با مطالعه روی بیماری‌‌های ارثی مغزی به نتیجه‌‌ای مشابه رسیده است. دکتر پاپز در حال همکاری با دکتر مورتی در زمینه‌‌ی مطالعه‌‌ی یک بیماری مغزی با نام «سندرم پیت‌‌هاپکینز» است. سندرم یادشده نوعی بیماری نادر است که مانع از شکل‌‌گیری توانایی تکلم در کودکان شده و باعث برخی از تشنج‌‌های دوره‌‌ای می‌‌شود. دکتر پاپز برای درک عامل جهش‌‌های ژنتیکی منجر به این بیماری تلاش می‌‌کند ارگانوئیدهایی را بااستفاده از سلول‌‌های پوستی اهدایی این بیماران پرورش دهد.

نورون‌‌ها درون ارگانوئید تحریک می‌‌شوند؟

سال ۲۰۱۶، پژوهشگری با نام پریسیلا نگراس شروع به مطالعه درمورد ارتباطات ارگانوئیدها کرد. او که اکنون یکی از دانشمندان پروژه در آزمایشگاه دکتر موتری شده است، موفق شد با ۶۴ الکترود، ارتباطات ارگانوئیدها را درون یک بستر رصد کند. هر زمان که یکی از نورون‌‌ها درون ارگانوئید تحریک می‌‌شوند، یک الکترود نیز فعال می‌‌شود.

نگراس دریافت که ارگانوئیدها بسیار پرسروصداتر از آن چیزی هستند که به‌‌نظر می‌‌رسند. جالب اینکه با گذشت هر هفته این صداها بیش‌‌تر و بیش‌‌تر می‌‌شدند تا اینکه کم‌‌کم متوجه الگویی در آن‌‌ها شد. بیش‌‌تر نورون‌‌ها به‌‌صورت ناگهانی شروع به تحریک هم‌زمان و ایجاد یک موج انفجاری می‌کردند که به‌‌شکل قابل‌‌توجهی به امواج مغزی شباهت داشت. دکتر نگراس و همکاران، همکاری خود را با متخصصان امواج مغزی آغاز کردند و در ادامه متوجه شباهت‌‌هایی میان این ارگانوئیدها و مغز نوزادان نارس شدند. هم نوزادان و هم ارگانوئیدها فعالیت‌‌های هم‌زمان انفجاری را از خود نشان می‌‌دادند؛ فعالیت‌‌های شدیدی که عموما با یک دوره‌ی سکون همراه می‌‌شدند.

پژوهشگران متوجه شدند، همان‌‌طور که  ارگانوئیدها رشد می‌‌کنند، این سکون‌‌ها کوتاه و کوتاه‌‌تر می‌‌شوند. این وضعیت درمورد فرایند رشد مغز نوزادان نارس نیز صادق بود. اما ریچارد گائو، دانشجوی فارغ‌‌التحصیل دانشگاه کالیفرنیای سن دیه‌‌گو و از پژوهشگران همکار در پروژه معتقد است آنچه که باعث جالب‌‌بودن این شباهت‌‌های رفتاری می‌‌شود، این واقعیت است که ارگانوئیدها و مغز کودکان اساسا با یکدیگر تفاوت دارند. او می‌‌افزاید:

من فکر نمی‌‌کنم که برای تولید این الگوها نیازی به تمامی آن چند میلیارد نورون درون مغز شما باشد. اگر مقدار آن‌‌ها از یک «جرم بحرانی» عبور کند، این توانایی ایجاد خواهد شد.

پژوهشگران سعی دارند برای افزایش اطلاعات خود درمورد ارگانوئیدها، نمونه‌‌های بزرگ‌‌تر، پیچیده‌‌تر و بادوام‌‌تر از آن‌‌ها را تولید کنند. نکته‌‌ی شگفت‌‌انگیز این‌ بود که آن‌ها دریافتند با کمک سلول‌‌های ایمنی می‌‌توان به این هدف دست یافت. برخی از سلول‌‌های ایمنی با نام میکروگلیا تنها موظف به مقابله با عوامل بیماری‌‌زا نیستند. این سلول‌‌ها در فرایند تکمیل مغز می‌‌توانند شاخه‌‌های نورونی را تثبیت کرده و به بلوغ آن‌‌ها کمک کنند. پژوهشگران در آزمایشگاه دکتر موتری، سلول‌‌های میکروگلیا را وادار به نفوذ به درون ارگانوئیدهای مغزی کرده‌‌اند. هم‌‌اکنون پژوهشگران در حال مطالعه‌‌ی سازوکار فعالیت‌‌های ارگانوئیدها حین رشدشان هستند. گابرلیا گلدبرگ، یکی از دانشجویان فارغ‌‌التحصیل همکار در پروژه نیز بر این باور است که استفاده از میکروگلیا می‌‌تواند مفید واقع شود.

مطالب پیشنهادی:  پانیک؛ احساس هراس و ترس غیر منتظره!

مغز واقعی انسان برای رشد بهتر نیاز به ارتباط با دنیای بیرون دارد. سال ۲۰۱۷، دکتر کوادراتو و همکارانش یک ارگانوئید مغزی متشکل از سلول‌‌های شبکیه‌‌ی چشم را پرورش دادند و بدین ترتیب باعث شدند ارگانوئید نسبت‌‌به نور حساسیت داشته باشد.

دکتر موتری و همکارانش روش‌‌های مختلفی را به‌‌کار گرفته‌‌اند تا بتوانند ارگانوئیدهای مغزی را وادار به تحریک بیش‌‌تر و درنتیجه توسعه‌‌ی شبکه‌‌های عصبی پیچیده‌‌تری کنند. آن‌‌ها حتی طی یک آزمایش سعی کردند، ارگانوئیدها را به یک ربات کوچک عنکبوتی‌‌شکل متصل کنند. در این روش، یک رایانه با پردازش فعالیت‌‌های الکتریکی ارگانوئید، آن‌‌ها را به‌‌شکل دستوراتی برای حرکت پاهای ربات تبدیل می‌‌کرد. همان‌‌طور که ربات حرکت می‌‌کرد، از حسگرهایی برای کشف فاصله‌‌ی خود با یک دیوار استفاده می‌‌کرد. رایانه نیز این سیگنال‌‌ها را به‌‌شکل پالس‌‌های الکتریکی برای ارگانوئید مخابره می‌‌کرد.

چرا مغز انسان برای رشد نیاز به ارتباط با دنیای بیرون دارد؟

نمی توان باقطعیت درمورد تأثیر چنین آزمایش‌‌هایی روی توسعه‌‌ی ارگانوئیدهای مغزی اظهارنظر کرد. ممکن است این تلاش‌‌ها با شکست مواجه شود یا اینکه نهایتا منجر به بروز شکلی از رفتارهای پیچیده‌‌ی تقلیدی از مغز شود که برایمان قابل‌‌تفسیر نباشد. او به دانشمندان همکار خود توصیه می‌‌کند که عمیقا روی آنچه که ممکن است سهوا خلق کنند، بیندیشند.  جینتاین لانشوف، متخصص اخلاق زیستی در دانشگاه هاروارد، اعتقاد دارد که هنوز بسیار زود است که درمورد بایدها و نبایدهای رفتار خود با ارگانوئیدها قضاوت کنیم. او می‌‌گوید: برای اینکه بتوانیم بگوییم ما باید چگونه با چیزی رفتار کنیم، ابتدا باید بتوانیم بگوییم که «آن چیز چیست؟» ما در حال خلق چیزهایی هستیم که تا ۱۰ سال پیش ناشناخته بودند. این‌‌ها در فهرست مواردی نیست که فلاسفه با آن سروکار داشتند.

ممکن است ایده‌‌ی ارسال ارگانوئیدها به فضا بتواند این مفهوم را عملیاتی کند. محفظه‌‌ای که ارگانوئیدها طی سفر به فضا درون آن قرار گرفته بودند، یک نمونه‌ی اولیه از تجهیزاتی است که روزی خواهد توانست ارگانوئیدها را بدون دخالت دستی انسان پرورش دهد. فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌‌المللی تنها این جعبه‌‌ها را نصب کرده و به برق متصل کردند. سایر امور به‌‌صورت خودکار انجام می‌‌شود.

سوال خود را مطرح کنید :


پاسخی بگذارید