تکنیک پیشگامانه، ارگانوئیدهای مغز انسان را برای پنج سال زنده نگه می‌دارد و مطالعه بیماری‌ها را متحول می‌کند

وقتی اکثر مردم مغزی را که در آزمایشگاه رشد کرده است تصور می‌کنند، سناریویی علمی-تخیلی به ذهنشان می‌آید: یک ذهن کاملاً شکل‌گرفته و هوشیار که در یک ظرف درخشان شناور است و برای فرار نقشه می‌کشد. واقعیت بسیار کمتر سینمایی، اما بی‌نهایت مفیدتر است. سال‌هاست که دانشمندان «ارگانوئیدهای مغزی»—خوشه‌هایی به اندازه دانه فلفل از سلول‌های عصبی که از سلول‌های بنیادی انسان رشد داده شده‌اند—را برای مطالعه نحوه رشد پیچیده‌ترین اندام ما کشت می‌دهند.

اما همیشه یک مشکل وجود داشت. این نمونه‌های کوچک به شدت نیازمند و شکننده بودند و معمولاً فقط چند هفته یا چند ماه قبل از فروپاشی شبکه‌های عصبی ظریفشان زنده می‌ماندند. آن‌ها می‌توانستند پرده اول رشد مغز انسان را به ما نشان دهند، اما بقیه نمایش یک راز باقی می‌ماند. اکنون، سرانجام این پرده کنار رفته است.

در یک دستاورد مهم که در مجله نیچر (Nature) منتشر شد، یک تیم بین‌المللی از محققان با موفقیت توانسته‌اند ارگانوئیدهای مغز انسان را برای بیش از پنج سال در آزمایشگاه زنده و در حال بلوغ نگه دارند. این پیشرفت که توسط متخصصان علوم اعصاب در دانشگاه هاروارد، مؤسسه برود و مرکز پزشکی دانشگاه (UMC) اوترخت رهبری شد، رکوردهای قبلی طول عمر را در هم می‌شکند و پنجره‌ای بی‌سابقه به سوی ذهن انسان می‌گشاید.[1][2]

برای ایجاد این مدل‌های ماندگار، محققان کار خود را با بافت مغز شروع نکردند. آن‌ها با یک ویال ساده خون آغاز کردند. تیم با استخراج سلول‌های بنیادی از خون و قرار دادن آن‌ها در معرض توالی دقیقی از سیگنال‌های بیوشیمیایی، سلول‌ها را وادار کردند تا ساختارهای سه‌بعدی شبیه به قشر مغز انسان را تشکیل دهند.[1][3]

راز بقای بی‌سابقه آن‌ها در محیط کشت نهفته بود. از لحاظ تاریخی، شرایط استاندارد آزمایشگاهی نتوانسته بود فعالیت الکتریکی خودبه‌خودی را که نورون‌ها برای رشد طولانی‌مدت به آن نیاز دارند، پشتیبانی کند. محققان با تنظیم دقیق ترکیب مواد مغذی برای حفظ این «گفتگوی» حیاتی نورونی، از ورود بافت به یک توقف رشدی مصنوعی جلوگیری کردند.

آنچه در ادامه اتفاق افتاد، جامعه علمی را متحیر کرد. ارگانوئیدها فقط زنده نماندند؛ آن‌ها فعالانه گذر زمان را ثبت کردند. در طول پنج سال، محققان رشد بافت را دنبال کردند و دریافتند که سلول‌ها در توالی‌ای بالغ می‌شوند که به دقت جدول زمانی مغز زنده انسان پس از تولد را منعکس می‌کند.[2][3]

انواع مختلف سلول‌های مغزی دقیقاً به ترتیبی که در طول رشد طبیعی عصبی انسان انتظار می‌رود، پدیدار شدند. نورون‌ها ارتباطات پیچیده‌تری ایجاد کردند و ژن‌ها درست طبق برنامه زمانی روشن و خاموش شدند. محققان حتی تغییرات اپی‌ژنتیکی—تغییرات شیمیایی کوچک در DNA—را مشاهده کردند که در همان الگوهای مشخصی که در نوزادان در حال رشد دیده می‌شود، انباشته می‌شدند.

این سلول‌ها یک حافظه بیولوژیکی قابل توجه از خود نشان دادند. در یک آزمایش، تیم سلول‌های ارگانوئیدهای مسن‌تر را با سلول‌های جوان‌تر ترکیب کردند تا «کایمروئیدها» (Chimeroids) را بسازند. سلول‌های مسن‌تر به جای بازگشت به حالت نابالغ، سن خود را به یاد آوردند و بلافاصله جلوتر رفتند تا نورون‌های مراحل بعدی را تولید کنند؛ پدیده‌ای که محققان آن را «پیچیدگی زمانی» (time warp) رشدی توصیف کردند.[1]

این طول عمر طولانی، یک عامل تحول‌آفرین برای درک بیماری‌های پیچیده عصبی است. مغز انسان تقریباً دو دهه طول می‌کشد تا به طور کامل بالغ شود، و اختلالاتی مانند اسکیزوفرنی یا اختلال طیف اوتیسم اغلب شامل اشتباهات رشدی پیچیده‌ای هستند که تا مراحل بعدی زندگی ظاهر نمی‌شوند.

تا به امروز، دانشمندانی که این بیماری‌ها را مطالعه می‌کردند، مجبور بودند به بافت مغزی اهدایی، که تنها یک تصویر ثابت ارائه می‌دهد، یا مدل‌های حیوانی، که از نظر ساختار سلولی و زمان‌بندی رشد تفاوت قابل توجهی با انسان دارند، تکیه کنند. ارگانوئیدهای پنج‌ساله یک مدل پویا و زنده از بلوغ مغزی مختص انسان ارائه می‌دهند.

پیامدهای این کشف برای علم پزشکی عمیق است. شرکت‌های داروسازی و استارتاپ‌های بیوتکنولوژی در حال حاضر این ارگانوئیدهای طولانی‌عمر را به عنوان بستری مقیاس‌پذیر برای کشف دارو در نظر گرفته‌اند. محققان امیدوارند با آزمایش درمان‌های بالقوه بر روی بافت انسانی که به طور دقیق مرحله رشدی بیماری هدف را منعکس می‌کند، نرخ شکست داروهای عصبی در آزمایش‌های بالینی را به شدت کاهش دهند.[3]

در حالی که محققان برنامه فوری برای ثبت رکورد جدید طول عمر ندارند—برخی از کشت‌های آن‌ها اکنون به هفت سالگی نزدیک می‌شوند—تمرکز به سمت کاربرد عملی تغییر کرده است. این تیم با اثبات اینکه بافت عصبی انسان می‌تواند در طول دوره‌های چندساله در خارج از بدن بالغ شود، یک لنز قدرتمند جدید در اختیار علم قرار داده است. مغز انسان دیگر یک جعبه سیاه نیست، بلکه فرآیندی است که سرانجام می‌توان آن را مشاهده کرد، درک نمود و در نهایت درمان کرد.