ریه های کوچک رشد یافته در آزمایشگاه، کمکی بزرگ برای مطالعه بیماری های تنفسی

به گزارش سیناپرس همدان، هنگامی که به سوی مقصد جدیدی در حال رانندگی هستیم، اغلب با پیروی از دستورالعمل ها، صدای ضبط را کم می کنیم. چیزی که موسیقی بوده است ناگهان مانند نویز به نظر می رسد و در تمرکز ما اختلال ایجاد می کند.

درک ما از اینکه چگونه بیماری‌های عفونی مانند کووید بر ریه‌های انسان تأثیر می‌گذارد به طور مشابه با سر و صدا مخدوش شده است. داده‌های بافت‌های ریه بیمار از فردی به فرد دیگر بسیار متفاوت است، و مکانیسم‌های اصلی این که چگونه SARS-CoV-2 برای اولین بار سلول‌های ریه را آلوده می‌کند، پنهان مانده است. این همچنین یک تجزیه و تحلیل پس از واقعیت است، گویی ما سعی می کنیم مسیری را که ویروس در سه حالت به عقب رفته است را ترسیم کنیم.

کاهش موانع تغییرپذیر با مطالعه بافت های ژنتیکی یکسان از اولین لحظه عفونت می تواند مسیری را که پاتوژن طی می کند روشن کند. کدام سلول ها و چه زمانی آلوده می شوند؟ سطح عفونت چقدر است و بسته به نوع سلول چگونه متفاوت است؟ در شرایط مختلف چگونه تغییر می کند؟

و اگر امکان ردیابی هزاران مورد از این عفونت ها به طور همزمان وجود داشت، چه می شد؟ ممکن است درک ما از عفونت ها و درمان های دارویی مورد استفاده برای مبارزه با آنها را متحول کند.

این امید برای فناوری پیشرفته جدیدی است که می تواند اندام های کوچک را روی ریزتراشه ها رشد دهد. آزمایشگاه های علی بریوانلو و چارلز ام رایس از دانشگاه راکفلر برای اصلاح یک پلت فرم فناوری کشت سلولی که جوانه های ریه از نظر ژنتیکی یکسان، ساختارهای جنینی که اندام های تنفسی ما را ایجاد می کنند، از سلول های بنیادی جنینی انسان (hESCs) رشد می دهد، همکاری کرده اند. این یافته ها اخیرا در Stem Cell Reports منتشر شده است.

هنگامی که hESCها روی مجموعه‌ای از ریزتراشه‌ها قرار می‌گیرند و با دقت با یک ترکیب سفارشی از مولکول‌های سیگنال‌دهنده تغذیه می‌شوند، hESCs به سرعت خود را در ریز ریه‌هایی که دارای پیچیدگی کامل بافتی هستند، سازماندهی می‌کنند. این جوانه‌ها را می‌توان هزاران بار کشت داد، که امکان تجزیه و تحلیل بی‌سابقه‌ای از عفونت بافت ریه را بدون همه متغیرهای مداخله گر فراهم می‌کند.

نتیجه دسترسی نامحدود، سریع و مقیاس‌پذیر به بافت ریه است که نشانه‌های کلیدی رشد ریه انسان را دارد و می‌توان از آن برای ردیابی عفونت‌های ریه و شناسایی درمان‌های کاندید استفاده کرد.

علی بریوانلو می گوید: این ریه ها اساساً کلون هستند. آنها دقیقاً امضای DNA یکسانی دارند. به این ترتیب ما نیازی به نگرانی در مورد پاسخ متفاوت یک بیمار نسبت به بیمار دیگر نداریم. کمی سازی به ما امکان می دهد اطلاعات ژنتیکی را ثابت نگه داریم و متغیر کلیدی یعنی ویروس را اندازه گیری کنیم.

سلول های بنیادی جنینی می توانند بی نهایت تقسیم شوند تا سلول های بنیادی بیشتری ایجاد کنند یا به هر بافت دیگری تمایز پیدا کنند. آزمایشگاه زیست شناسی مصنوعی بریوانلو مدتهاست که پتانسیل آنها را بررسی کرده است.

بریوانلو در جریان همه‌گیری کووید، چارلز ام رایس، همکار خود در راکفلر را به تحقیقات اضافه کرد: آزمایشگاه او دارای فناوری ریزتراشه برای رشد جوانه‌های ریه بود، و آزمایشگاه رایس مجوز ایمنی زیستی لازم را برای آلوده کردن آن‌ها به SARS-CoV-2 و مطالعه نتیجه داشت.

در سال 2021، ابتدا نویسندگان Edwin Rosado-Olivieri، زیست‌شناس سلول‌های بنیادی در آزمایشگاه بریوانلو، و براندون رازوکی، پسا‌دکتری در آزمایشگاه ویروس‌شناسی و بیماری‌های عفونی رایس، شروع به تحریک سلول‌ها برای سازمان‌دهی به اشکال تخصصی‌تر کردند. سلول های بنیادی به خودی خود سازماندهی نمی شوند. آنها به یک فضای محدود، مانند یک چاهک میکروچیپ، و محرک هایی برای شروع تغییرات نیاز دارند. این محرک ها از چهار مسیر اصلی سیگنال دهی می آیند که سلول های بنیادی را وادار به تمایز به انواع سلول های خاص می کند.

پس از حدود دو هفته، سلول‌های ریه این گروه جوانه‌های یکسانی را تشکیل دادند که نمایه‌های مولکولی آن‌ها کاملاً با نمونه‌هایی که در مراحل اولیه رشد ریه جنین دیده می‌شد، مطابقت داشت، از جمله تشکیل راه‌های هوایی و آلوئول‌ها، ساختارهایی که در بسیاری از افراد مبتلا به کووید شدید آسیب دیده است.

از آن زمان، محققان از این پلت فرم برای درک اینکه SARS-CoV-2 چگونه سلول های ریه مختلف را آلوده می کند، استفاده کرده اند.

آلوئول ها کیسه های کوچکی در انتهای شاخه های ریه هستند که تبادل گاز انجام شده با هر نفس را مدیریت می کنند: اکسیژن به داخل سلول ها و دی اکسید کربن از آن ها خارج می شود. با مطالعه انبوه سلول‌های آلوئولی شبیه‌سازی‌شده، محققان دریافتند که آلوئول‌ها نسبت به سلول‌های راه هوایی که نگهبانان اندام هستند، اولین دفاع در برابر همه تهدیدات استنشاقی، مستعد ابتلا به عفونت SARS-CoV-2 هستند. اگر ویروس از آنها عبور کند، آلوئول ها اولین خط دفاعی بودند.

آنها همچنین به ترکیبی از پروتئین‌های سیگنال‌دهنده برای ایجاد قوی‌ترین دسته‌های جوانه‌های ریه، ترکیبی از فاکتور رشد کراتینوسیت (KGF) و پروتئین مورفوژنتیک استخوان 4 (BMP4) دست یافتند. هر دو به تمایز و رشد سلولی کمک می کنند.

جالب اینجاست که مسیر BMP یک جنبه منفی دارد. هنگامی که محققان جوانه های ریه آلوده را با بافت پس از مرگ بیماران کووید مقایسه کردند، دریافتند که مسیر سیگنال دهی BMP در هر دو ایجاد می شود و بافت ها را در برابر عفونت آسیب پذیرتر می کند. مسدود کردن مسیر BMP باعث می‌شود سلول‌ها کمتر آسیب‌پذیر شوند.

محققان خاطرنشان می‌کنند که این پلتفرم می‌تواند برای بررسی مکانیسم‌های آنفولانزا، RSV، بیماری‌های ریوی و سرطان ریه و سایر بیماری‌ها مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، می توان از آن برای غربالگری داروهای جدید برای درمان آنها استفاده کرد.

علاوه بر این، ریه ها از تنها اندام مورد علاقه برای تحقیقات نیستند. Rosado-Olivieri می‌گوید: تمرکز گسترده‌تر کار ما درک رشد سلولی برای ساخت اندام‌ها و بافت‌های مصنوعی است که می‌توانیم از آنها برای مدل‌سازی بیماری‌ها و یافتن مکانیسم‌های درمانی استفاده کنیم. کبد، کلیه و لوزالمعده همگی به احتمال زیاد اهداف بعدی هستند.

بریوانلو می افزاید: این پلتفرم همچنین به ما این امکان را می دهد که با سرعت و دقت بسیار بیشتری به همه گیری بعدی واکنش نشان دهیم. ما می‌توانیم به سرعت در این پلتفرم سرمایه‌گذاری کنیم تا ویروسی را قابل مشاهده کنیم و درمان‌هایی را بسیار سریع‌تر از آنچه برای کووید انجام دادیم توسعه دهیم. می‌توان از آن برای غربالگری داروها، ترکیبات، واکسن‌ها، آنتی‌بادی‌های مونوکلونال در بافت انسانی استفاده کرد. این فناوری آماده مقابله با انواع تهدیداتی است که ممکن است در آینده به ما ضربه بزند.

منبع: Stem Cell Reports

مترجم: سید سپهر ارومیهء