استفاده از زانتان گام در تولید مینی‌مغزهای آزمایشگاهی

دانشمندان برای تولید هزاران مدل کوچک از مغز انسان در آزمایشگاه، موسوم به ارگانوئیدهای مغزی، به روشی ساده، دقیق و ارزان نیاز داشتند تا بتوانند نسخه‌هایی با اندازه و شکل یکسان ایجاد کنند. جالب اینجاست که یک ماده‌ی رایج آشپزخانه، کلید حل این چالش شد!

زانتان گام و دنیای ارگانوئیدها

در پژوهشی که به‌تازگی داوری علمی (peer-reviewed) شده، محققان نشان دادند مقدار اندکی از یک ماده‌ی غلیظ‌کننده‌ی غذایی می‌تواند مانع چسبیدن این مدل‌ها به یکدیگر شود، بدون آن‌که ویژگی‌های طبیعی آن‌ها را تغییر دهد.

ارگانوئیدهای سه‌بعدی به پژوهشگران اجازه می‌دهند تا فرایند رشد و تکامل مغز انسان را گام‌به‌گام و بدون نیاز به بافت زنده مشاهده کنند. این مدل‌ها از سلول‌های بنیادی پرتوان (Pluripotent Stem Cells – PSCs) آغاز می‌شوند؛ سلول‌هایی که قادرند به انواع مختلف سلول‌های قشر مغز تبدیل شوند.

پشت صحنه پژوهش

این پروژه به رهبری دکتر سرجیو پاسکا از دانشکده‌ی روان‌پزشکی و علوم رفتاری دانشگاه استنفورد انجام شده است. او به همراه تیمی از متخصصان مهندسی و علم مواد، در قالب مؤسسه علوم اعصاب وو تسای (Wu Tsai Neurosciences Institute) همکاری می‌کند.

مشکل اصلی پژوهشگران، واقعاً «چسبیدن» بود! ارگانوئیدهایی که در یک ظرف شناور هستند، معمولاً تمایل دارند با هم ترکیب شده و توده‌های نامنظمی تشکیل دهند. این مسئله باعث از بین رفتن یکنواختی و کاهش دقت آزمایش‌ها می‌شد.

اما راه‌حل ساده بود: زانتان گام — افزودنی غذایی تأییدشده توسط FDA. افزودن مقدار کمی از آن، ویسکوزیته‌ی مایع را افزایش می‌دهد و مانع از چسبیدن ارگانوئیدها به هم می‌شود.

اهمیت مقیاس و اندازه در پژوهش‌های مغزی

تولید مجموعه‌های بزرگ و هم‌اندازه از ارگانوئیدها با کمک زانتان گام، امکان مقایسه‌ی دقیق میان شرایط سالم و بیماری را فراهم می‌کند. این روش همچنین کیفیت کنترل‌شده‌تری ایجاد می‌کند، چون تفاوت در اندازه و سن نمونه‌ها می‌تواند نتایج را مخدوش کند.

به گفته‌ی سازمان غذا و داروی آمریکا، زنان باردار اغلب از کارآزمایی‌های بالینی کنار گذاشته می‌شوند، در نتیجه داده‌های کمی درباره‌ی ایمنی داروها در رشد مغز جنین وجود دارد. اما این پلتفرم جدید، راهی برای پر کردن همین خلأ است.

در یک آزمایش، یک دانشمند توانست در یک مرحله بیش از ۲,۰۰۰ ارگانوئید قشری تولید کرده و ۲۹۸ داروی مورد تأیید FDA را از نظر تأثیر بر رشد آن‌ها بررسی کند. جالب آن‌که برخی از داروها باعث کاهش اندازه‌ی ارگانوئید شدند، از جمله یکی از داروهای شیمی‌درمانی مورد استفاده در درمان سرطان پستان.

دکتر پاسکا گفت: «اکنون می‌توانیم به‌راحتی ۱۰ هزار نمونه تولید کنیم!»

این مقیاس، دریچه‌ای به‌سوی آزمایش‌های گسترده و پرکاربردی گشوده است که پیش‌تر از نظر فنی و مالی ممکن نبود.

چرا زانتان گام انتخاب شد؟

تیم پژوهشی ابتدا ۲۳ ماده‌ی زیست‌سازگار مختلف را بررسی کرد تا ماده‌ای بیابد که از ترکیب‌شدن ارگانوئیدها جلوگیری کند، بدون آن‌که رشد طبیعی آن‌ها را مختل سازد.

• زانتان گام ارزان، در دسترس و به‌راحتی قابل ترکیب است.
• در صنایع غذایی و دارویی از قبل استفاده می‌شود.
• حتی در غلظت‌های پایین مؤثر است.

آن‌ها ارگانوئیدها را به مدت شش روز پرورش دادند، سپس ماده‌ی انتخابی را افزودند و پس از ۲۵ روز شمارش کردند که چند ارگانوئید جداگانه باقی مانده است. نتیجه روشن بود: زانتان گام در حفظ یکنواختی عملکردی به‌مراتب بهتر از سایر پلیمرها عمل کرد.

این یکنواختی نه‌تنها برای دقت آماری بلکه برای تحلیل تصویری نیز حیاتی است. مهم‌تر اینکه، درمان با زانتان گام هیچ تغییری در ویژگی‌های قشری یا عملکرد نورونی ایجاد نکرد. الگوهای بیان ژن، نسبت انواع سلول‌ها و فعالیت‌های کلسیمی مشابه نمونه‌های کنترل بود.

نتایج شگفت‌انگیز آزمایش‌ها

تیم تحقیقاتی آزمایشی طراحی کرد تا ببیند آیا داروهای مورد تأیید FDA می‌توانند رشد قشر مغز را در مراحل اولیه مختل کنند یا خیر. نتایج نشان داد که داروی Doxorubicin باعث کوچک‌شدن ارگانوئیدها و افزایش شاخص‌های مرگ سلولی شد.

داروی دیگری با نام JAK2/JAK3 inhibitor نیز اثر وابسته به دوز نشان داد و رشد ارگانوئیدها را کاهش داد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که استفاده از ارگانوئیدهای استانداردشده، ابزاری قدرتمند برای شناسایی خطرات بالقوه دارویی در مراحل اولیه است.

از آنجا که تمام ارگانوئیدها در این آزمایش از نظر سن و اندازه یکسان بودند، می‌توان اطمینان داشت که نتایج ناشی از خود ترکیبات است، نه تفاوت‌های نمونه‌ای.

گامی نو در علوم اعصاب

گسترش مقیاس تولید ارگانوئیدها می‌تواند به فهم بهتر نقش ژن‌ها در رشد مغز کمک کند و همچنین آزمایش سریع ترکیباتی را ممکن سازد که بتوانند نقص‌های ژنتیکی را جبران کنند — گامی حیاتی در کشف درمان‌های نوین.

این روش با اسمبلوییدها (Assembloids) نیز سازگار است — سیستم‌های ترکیبی از چند ارگانوئید که برای مطالعه‌ی مدارهای عصبی به کار می‌روند.

انعطاف این روش در حفظ جدایی یا ترکیب کنترل‌شده‌ی ارگانوئیدها، ابزار قدرتمندی در اختیار دانشمندان قرار داده تا آزمایش‌های استاندارد، تکرارپذیر و مقیاس‌پذیر طراحی کنند.

افزون بر این، پروتکل جدید از مواد در دسترس جهانی استفاده می‌کند و با ترویج «علم باز» (Open Science) باعث می‌شود نتایج به‌سادگی میان مؤسسات مختلف بازتولید و به اشتراک گذاشته شوند.

گام‌های بعدی پژوهش

البته این کار بر مراحل اولیه‌ی رشد قشر مغز تمرکز دارد و نمی‌تواند پیچیدگی کامل مغز بالغ را بازسازی کند. برای دستیابی به مدل‌های دقیق‌تر، باید مدت کشت طولانی‌تر و انواع سلول‌های بیشتری استفاده شود.

در برخی شرایط ممکن است افزایش ویسکوزیته، انتقال مواد مغذی یا داروها را تغییر دهد. اگرچه تیم هیچ اثر منفی مشاهده نکرد، اما برای کاربردهای جدید، اعتبارسنجی دقیق همچنان ضروری است.

به‌کارگیری سامانه‌های خودکار (Automation) می‌تواند ظرفیت تولید را حتی بیشتر کند. ترکیب این روش با دستگاه‌های توزیع مایع و سامانه‌های تصویربرداری، تعداد ارگانوئیدهای بررسی‌شده در هفته را بدون افزایش نیروی انسانی بالا می‌برد.

این استراتژی همچنین قابلیت استفاده در سایر بافت‌ها را دارد. آزمایشگاه‌ها در حال بررسی ارگانوئیدهای قلب، کبد و سیستم ایمنی هستند و تنظیم ویسکوزیته ممکن است در آن‌ها نیز از چسبندگی ناخواسته جلوگیری کند.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی معتبر Nature Biomedical Engineering منتشر شده است.