دانشمندان موفق شدند ریه انسان را خارج از بدن پرورش دهند

برای نخستین بار، دانشمندان موفق شدند یک ریه انسانی را درون یک بیورآکتور رشد دهند. آیا این اتفاق می‌تواند آغاز دوره‌ای باشد که در آن انسان‌ها اندام‌های خود را قطعه‌به‌قطعه بازسازی کنند؟

حدود سال ۲۰۱۰، مایکل ریدل که در اواخر دهه سی زندگی خود قرار داشت، دانشجوی پزشکی دانشگاه علوم پزشکی تگزاس در گالوستون بود. او از نظر مالی شرایط دشواری داشت و در کنار تحصیل، مسئولیت تأمین هزینه‌های زندگی همسر و چهار فرزندش را نیز بر عهده داشت. روزی هنگام قدم زدن در یک فروشگاه حیوانات خانگی در گالوستون، چشمش به یک آکواریوم سه و نیم گالنی افتاد که تنها ۲۰ دلار قیمت داشت. او قصد خرید آن را برای نگهداری ماهی نداشت، بلکه شکل این آکواریوم از نظرش شباهت زیادی به فضای قفسه سینه انسان داشت. همین ایده ساده باعث شد از آن برای ساخت دستگاهی استفاده کند که به گفته خودش نخستین بیورآکتور بزرگ مخصوص پرورش ریه در جهان بود؛ محفظه‌ای که امکان رشد ریه زنده در خارج از بدن را فراهم می‌کرد.

این دستگاه به پژوهشگران کمک کرد تا ریه‌های مهندسی‌شده خوک را پرورش دهند و سپس آن‌ها را به بدن خوک‌های دیگر پیوند بزنند. حالا ریدل می‌گوید با استفاده از همین فناوری، نخستین ریه انسانی نیز در شرایط آزمایشگاهی رشد داده شده است. او بعدها طراحی این دستگاه را به شرکت Harvard Apparatus در ایالت ماساچوست فروخت. نسخه تجاری این بیورآکتور نقش مهمی در پیشبرد یکی از بزرگ‌ترین آرزوهای پزشکی بازساختی ایفا کرد؛ یعنی تولید اندام‌های جایگزین با استفاده از سلول‌های خود بیمار. ریدل اکنون پزشک و مدیرعامل شرکت زیست‌فناوری Mesogen در تگزاس است که روی توسعه درمان‌های سلولی شخصی‌سازی‌شده کار می‌کند. داستان زندگی او شباهت زیادی به فیلم‌های الهام‌بخش هالیوودی دارد. در عین حال، فناوری‌ای که او در شکل‌گیری آن نقش داشت، یادآور دنیای Frankenstein است، با این تفاوت که این بار هدف، احیای بدن انسان با استفاده از سلول‌های خودش است، نه کنار هم قرار دادن اعضای بدن افراد مختلف.

اساس فناوری‌ای که ریدل همراه با دیگر پژوهشگران مهندسی بافت ریه در دانشگاه علوم پزشکی تگزاس توسعه داد، در ظاهر بسیار ساده است. در نخستین مرحله، ریه اهدایی که دیگر قابلیت استفاده برای پیوند را ندارد، تحت فرایند حذف سلول قرار می‌گیرد. در این مرحله، همه سلول‌های اصلی ریه شسته و خارج می‌شوند، اما چارچوب زیستی آن که از پروتئین‌ها و ساختارهای میکروسکوپی تشکیل شده و شکل طبیعی اندام را حفظ کرده است، باقی می‌ماند. سپس سلول‌های متعلق به بیماری که دریافت‌کننده ریه است، روی این داربست زیستی قرار داده می‌شوند تا اندامی که قرار بود دور انداخته شود، به یک ریه جدید و سازگار با بدن همان بیمار تبدیل شود.

این روش پیش‌تر روی موش‌ها موفقیت‌آمیز بود. زمانی که ریدل در آزمایشگاه دانشگاه علوم پزشکی تگزاس فعالیت می‌کرد، بارها مشاهده کرده بود که پژوهشگران به‌طور معمول ریه موش‌ها را از سلول‌های اولیه خالی کرده و دوباره با سلول‌های جدید پر می‌کنند. اما وقتی از آن‌ها پرسید چرا این روش را برای حیوانات بزرگ‌تر یا انسان به کار نمی‌گیرند، دو پاسخ دریافت کرد. نخست اینکه حذف سلول‌های یک ریه بزرگ خوک حدود پنج ماه زمان می‌برد و دوم اینکه هیچ بیورآکتوری با اندازه مناسب برای پرورش چنین ریه‌ای وجود نداشت.

اما یک ویژگی غیرمنتظره از ساختمان ریه مسیر تحقیقات را تغییر داد. ریه در هر مایعی روی سطح شناور می‌ماند، زیرا خارج کردن کامل هوا از آن تقریباً غیرممکن است. ریدل ابتدا این ویژگی را مانعی بزرگ می‌دانست و بارها تلاش کرد با فشار دادن ریه، هوای باقی‌مانده را خارج کند، اما هیچ‌گاه موفق نشد.

در نهایت با خودش فکر کرد که اگر ریه در هر شرایطی روی آب شناور می‌ماند، بهتر است به جای مقابله با این ویژگی، از آن استفاده کند. بنابراین ریه خوک را به صورت وارونه داخل مخزن قرار داد و نای را که اصلی‌ترین مجرای انتقال هوا به ریه است، به لوله‌ای در قسمت پایینی مخزن متصل کرد. به این ترتیب، ریه بدون آنکه رگ‌های خونی ظریف آن تحت فشار قرار بگیرند، در حالت معلق باقی می‌ماند. سپس محلول شوینده را به طور هم‌زمان از طریق رگ‌های خونی و مجاری هوایی ریه به جریان انداخت. ریدل می‌گوید این روش مدت زمان لازم برای حذف سلول‌های یک ریه خوک را از حدود پنج ماه به تنها سه روز کاهش داد.

پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکی تگزاس بعدها ریه‌های مهندسی‌شده را به بدن خوک‌ها پیوند زدند. این ریه‌های بازسازی‌شده پس از پیوند با بدن حیوان سازگار شدند و تا دو ماه همچنان به رشد و تکامل خود ادامه دادند، بدون آنکه نشانه‌ای از پس‌زدگی یا بروز عوارض جدی مشاهده شود. البته این اندام‌ها هنوز توانایی آن را نداشتند که به‌تنهایی وظیفه کامل یک ریه را بر عهده بگیرند. علاوه بر این، تیم تحقیقاتی موفق شدند با استفاده از داربست زیستی و سلول‌های بنیادی، نخستین ریه انسانی رشد یافته در محیط آزمایشگاهی را تولید کنند. این دستاوردها نشان داد که می‌توان ریه‌هایی در اندازه انسان را از سلول‌های اولیه خالی کرد، دوباره با سلول‌های جدید پر نمود و در خارج از بدن رشد داد.

اما شاید این پرسش مطرح شود که اساساً چرا باید چنین فرایند پیچیده‌ای برای تولید یک ریه جدید انجام شود؟

دلیل اصلی، کمبود شدید و همیشگی اندام‌های اهدایی برای پیوند است. تنها در ایالات متحده، در هر زمان بیش از ۱۰۰ هزار نفر در فهرست انتظار دریافت عضو قرار دارند. از سوی دیگر، فقط حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از ریه‌های اهدایی در نهایت شرایط لازم را برای پیوند به بیماران پیدا می‌کنند.

مایکل ریدل توضیح داد که بسیاری از ریه‌هایی که برای پیوند برداشت می‌شوند، پیش از آنکه گیرنده مناسبی برایشان پیدا شود، دیگر قابل استفاده نیستند یا ویژگی‌هایی دارند که آن‌ها را برای پیوند نامناسب می‌کند. به همین دلیل تعداد بسیار زیادی از ریه‌ها و حتی سایر بافت‌های بدن که می‌توانستند ارزشمند باشند، در نهایت دور ریخته می‌شوند.

ایده اصلی مهندسی زیستی ریه این است که بخشی از این اندام‌های کنار گذاشته‌شده از طریق حذف سلول‌های قدیمی و جایگزین کردن آن‌ها با سلول‌های جدید دوباره قابل استفاده شوند. این روش علاوه بر افزایش تعداد اندام‌های قابل پیوند، مزیت مهم دیگری نیز دارد.

در روش رایج پیوند عضو، اندام از فرد دیگری به بیمار منتقل می‌شود. به چنین اندامی، عضو آلوژنیک گفته می‌شود. از آنجا که سیستم ایمنی بدن به‌خوبی قادر است تفاوت میان سلول‌های خودی و بیگانه را تشخیص دهد، گیرنده پیوند معمولاً باید تا پایان عمر داروهای سرکوب‌کننده سیستم ایمنی مصرف نماید. در غیر این صورت، بدن عضو پیوندی را به عنوان یک جسم خارجی شناسایی کرده و به آن حمله می‌کند. البته این داروها بهای سنگینی دارند، زیرا در کنار محافظت از عضو پیوندی، توان دفاعی بدن را نیز کاهش داده و احتمال ابتلا به عفونت‌ها و حتی کاهش توانایی بدن در مقابله با سلول‌های سرطانی تازه‌تشکیل‌شده را افزایش می‌دهند. پژوهشگران امیدوارند اگر اندام‌های جدید از سلول‌های خود بیمار ساخته شوند، دیگر نیازی به چنین داروهایی نباشد.

مایکل ریدل معتقد است برای آنکه درمانی ایمن برای بیمار فراهم شود، سلول‌های مورد استفاده باید متعلق به همان بیمار باشند. چه هدف، بازسازی ریه باشد و چه پروژه‌های جدیدتری مانند درمان‌های آزمایشی برای بیماری‌های تحلیل‌برنده شبکیه چشم یا دیابت نوع یک، اصل ماجرا تغییری نمی‌کند. ایده اساسی این است که از سلول‌های بدن خود فرد برای ترمیم و بازسازی بخش‌هایی استفاده شود که در اثر بیماری آسیب دیده‌اند.

کاربردهای این فناوری می‌تواند بسیار فراتر از پیوند عضو باشد. اگر دانشمندان بتوانند با اطمینان بافت‌ها و اندام‌های انسانی را در محیط آزمایشگاه پرورش دهند، در آینده خواهند توانست داروهای جدید را مستقیماً روی اندام‌های زنده انسانی آزمایش کنند، نه اینکه تنها به مدل‌های حیوانی یا نمونه‌های ساده آزمایشگاهی متکی باشند. برای نمونه، یک ریه مهندسی‌شده می‌تواند به محیطی برای ارزیابی داروهای جدید تبدیل شود و پیش از ورود آن‌ها به مرحله آزمایش روی انسان، اطلاعات دقیق‌تری درباره اثربخشی یا شکست احتمالی آن‌ها در اختیار پژوهشگران قرار دهد.

در حالی که دانشمندان برای رسیدن به این آینده تلاش می‌کنند، درباره بهترین مسیر دستیابی به آن اتفاق‌نظر ندارند. گروهی از پژوهشگران بر این باورند که باید اندام‌های پیچیده را به طور کامل از ابتدا و با استفاده از فناوری‌هایی مانند چاپ زیستی یا روش‌های مهندسی پیشرفته تولید کرد. در مقابل، افرادی مانند مایکل ریدل معتقدند بهترین راه، استفاده از ساختارهایی است که طبیعت از پیش در اختیار انسان قرار داده است.

صرف‌نظر از اینکه در نهایت کدام رویکرد به نتیجه مطلوب برسد، بیشتر پژوهشگران هم‌عقیده هستند که ریدل و همکارانش نقش مهمی در پیشرفت مهندسی زیستی ریه ایفا کرده‌اند؛ هرچند دستیابی به ریه‌هایی که بتوان آن‌ها را به طور معمول برای پیوند به بیماران استفاده کرد، همچنان به زمان بیشتری نیاز دارد.

چارلی رن، استاد دانشیار مهندسی زیست‌پزشکی در دانشگاه کارنگی ملون، می‌گوید پژوهش‌های انجام‌شده در زمینه مهندسی ریه نشان داد که می‌توان ریه‌هایی در ابعاد واقعی انسان را به داربست‌های سلولی تبدیل کرد و سپس بخشی از آن‌ها را با چندین نوع سلول انسانی ریه درون یک بیورآکتور اختصاصی دوباره بازسازی کرد.

با این حال، رن هشدار می‌دهد که تبدیل ریه‌های کنار گذاشته‌شده به اندام‌هایی که آماده پیوند باشند، همچنان هدفی بلندمدت به شمار می‌رود. به گفته او، پژوهشگران هنوز باید راهی برای تولید تعداد کافی سلول‌های اختصاصی هر بیمار پیدا کنند، همه بخش‌های ریه را به طور کامل با این سلول‌ها بازسازی کنند، عملکرد مطمئن تبادل اکسیژن و دی‌اکسیدکربن را به دست آورند و در نهایت روش‌هایی برای تولید انبوه این اندام‌ها در مقیاس گسترده توسعه دهند.

با وجود دشواری‌های فراوان، مایکل ریدل همچنان معتقد است که این موانع تنها زمانی قابل عبور خواهند بود که دانشمندان با سازوکارهای طبیعی بدن هماهنگ شوند، نه اینکه تلاش کنند آن‌ها را کنار بزنند یا جایگزین کنند. او نسبت به پروژه‌هایی که هدفشان ساخت کامل اندام‌های بسیار پیچیده از نقطه صفر است، حتی اگر توسط پژوهشگران بسیار برجسته انجام شوند، با دیده تردید نگاه می‌کند. از دیدگاه او، ساختارهای طبیعی بدن، روندهای تکاملی و سلول‌های متعلق به خود بیمار همچنان بهترین پایه برای ایجاد اندام‌های جدید محسوب می‌شوند.

شاید هیچ‌کس تصور نمی‌کرد بیش از دو قرن پس از آنکه مری شلی شخصیت Frankenstein را خلق کرد، نزدیک‌ترین نمونه واقعی به آن داستان نه در گورستان، بلکه در اتاق عمل و آزمایشگاه‌های پزشکی شکل بگیرد؛ جایی که اندام‌هایی که زمانی سرنوشتشان دور ریخته شدن بود، ممکن است روزی دوباره جان انسان‌ها را نجات دهند.