«قلبِ تپنده روی یک تراشه»؛ گامی انقلابی در نبرد با مرگبارترین بیماری جهان

دانشمندان یک «قلبِ سه‌بعدی روی تراشه» (Heart-on-a-Chip یا HOC) ساخته‌اند که می‌تواند نقطه‌عطفی در مبارزه با مرگبارترین علت مرگ‌ومیر در جهان، یعنی بیماری‌های قلبی‌ـ‌عروقی، باشد.

کد خبر: ۹۱۰۳۸۹

تاریخ: ۲۹ بهمن ۱۴۰۴ - ۱۴:۲۸

به گزارش انتخاب و به نقل از  sciencealert ؛ یکی از چالش‌های بزرگ در پزشکی این است که نمی‌توان به‌سادگی واکنش قلب انسان به یک دارو یا بیماری را بدون به خطر انداختن جان فرد آزمایش کرد. این بافت مهندسی‌شده‌ی قلبی به‌طور خودکار می‌تپد، برای آغاز فعالیت عضلانی کلسیم بسیج می‌کند و به داروهای رایج واکنشی قابل پیش‌بینی نشان می‌دهد.

این نخستین نمونه‌ای است که یک سامانه‌ی حسگری دوگانه را در خود جای داده و امکان پایش لحظه‌ای فعالیت در سراسر بافت قلب، حتی در سطح سلولی، را فراهم می‌کند.

در مقاله‌ای تازه، پژوهشگرانی از چندین مؤسسه‌ی کانادایی شرح داده‌اند که چگونه به این «پیشرفت چشمگیر در مهندسی بافت قلب و آزمون‌های داروشناسی» دست یافته‌اند.

ادغام حسگرهای پیشرفته؛ از مقیاس کلان تا سطح سلول

نوآوری اصلی در این پژوهش، یکپارچه‌سازی حسگرهایی است که هم فعالیت‌های قلبی در مقیاس بزرگ (ماکرو) و هم در مقیاس ریز (میکرو) را تشخیص می‌دهند. پلتفرم‌های کنونی HOC و حتی نسخه‌ی قبلی همین گروه پژوهشی که در سال ۲۰۲۴ معرفی شد، فاقد حسگرهایی با وضوح بالا در سطح سلولی بودند.

در مطالعات پیشین، پژوهشگران «قلب‌هایی روی تراشه» به شکل حلقه طراحی کرده بودند که با چاپ سه‌بعدی و استفاده از زیست‌جوهر حاوی سلول‌های بنیادی خود بیمار ساخته می‌شد.

حسگری در مقیاس کوچک اهمیت حیاتی دارد، زیرا بسیاری از بیماری‌های قلبی‌ـ‌عروقی با اختلال در عملکرد کاردیومیوسیت‌ها (سلول‌های انقباضی منفرد که بافت عضلانی قلب یا میوکارد را تشکیل می‌دهند) مرتبط هستند. بنابراین اندازه‌گیری عملکرد سلولی، برای پیشگیری از نارسایی قلبی در بیماران مبتلا به این بیماری‌ها ضروری است.

چگونه این قلب‌های مینیاتوری ساخته شدند؟

برای ساخت این مدل‌ها، پژوهشگران سلول‌های عضله‌ی قلب و سلول‌های بافت همبند قلبی را از موش‌های صحرایی استخراج کردند. این سلول‌ها در یک ماتریس ژل‌مانند غنی از پروتئین‌های فیبری و مواد مغذی قرار داده شدند تا رشدشان تحریک شود، سپس روی تراشه‌های سیلیکونی کوچک و انعطاف‌پذیر کشت داده شدند.

در این سامانه، دو نوع حسگر تعبیه شده است:

• برای اندازه‌گیری نیرو در مقیاس کلان، بافت قلب مهندسی‌شده بین دو ستون الاستیک قرار گرفت. این ستون‌ها با هر ضربان تغییر شکل می‌دهند و میزان این تغییر شکل، قدرت انقباضی کل بافت را نشان می‌دهد.

• برای سنجش در مقیاس سلولی، میکروحسگرهای انعطاف‌پذیر مبتنی بر هیدروژل درون بافت قرار داده شد. تغییر شکل این قطرات ریز ــ با میانگین اندازه تنها ۵۰ میکرومتر ــ تنش‌های مکانیکی موضعی در سطح سلول را ثبت می‌کند.

این دستاورد گامی بزرگ به سوی آزمایش بیماری‌ها در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) محسوب می‌شود، زیرا نیروهای تولیدشده توسط سلول‌ها سرنوشت بافت قلب را تعیین می‌کنند؛ از شکل‌گیری و بازسازی گرفته تا کارایی انقباضی، ترمیم زخم و حتی پیشرفت سرطان.

آزمایش داروها؛ واکنش دقیق و قابل پیش‌بینی

آزمایش‌های درون‌آزمایشگاهی همچنین می‌توانند در انتخاب مداخلات دارویی راهگشا باشند. به همین دلیل پژوهشگران امکان استفاده از این قلب‌های روی تراشه را برای غربالگری دارویی بررسی کردند و آن‌ها را با دو ترکیب شناخته‌شده آزمایش کردند:

• نوراپی‌نفرین (نورآدرنالین): هورمونی که پاسخ «جنگ یا گریز» بدن را فعال می‌کند و در محیط‌های درمانی برای افزایش فعالیت قلب و حفظ فشار خون ــ از جمله هنگام ایست قلبی ــ به کار می‌رود.

• بلبستاتین: مهارکننده‌ی فعالیت عضلانی که برای کاهش انقباض استفاده می‌شود.

نتایج دقیقاً مطابق پیش‌بینی بود؛ این مدل‌ها توانستند نشان دهند که نیروی انقباضی و ریتم قلب چگونه در برابر ترکیبات رایج تغییر می‌کند.

به گفته‌ی «علی موسوی»، نویسنده‌ی نخست مقاله و مهندس زیست‌پزشکی در University of Montreal:

«توانایی مشاهده‌ی واکنش بافت به ترکیبات مختلف در زمان واقعی، مزیتی بزرگ برای توسعه‌ی پیش‌بالینی و پژوهش‌های ترجمانی به شمار می‌رود.»

گامی به سوی پزشکی دقیق و شخصی‌سازی‌شده

در گام بعدی، پژوهشگران قصد دارند با استفاده از سلول‌های بیماران مبتلا به اختلالات قلبی مختلف، مدل‌هایی شبیه‌سازی‌شده از بیماری‌های خاص بسازند. این اختلالات شامل:

• کاردیومیوپاتی اتساعی (یک بیماری غالباً ژنتیکی عضله‌ی قلب که می‌تواند به نارسایی قلبی منجر شود)

• آریتمی‌ها (مجموعه‌ای از اختلالات که باعث بی‌نظمی ضربان قلب می‌شوند)

در بلندمدت، این فناوری می‌تواند به پزشکان کمک کند پیش از تجویز دارو، درمان‌های مختلف را روی سلول‌های خود بیمار آزمایش کنند و مؤثرترین گزینه را برگزینند.

«هومن ساوجی»، نویسنده‌ی ارشد و مهندس مکانیک و زیست‌پزشکی در University of Montreal، در پایان می‌گوید:

«این پیشرفت ما را یک گام دیگر به تحقق واقعی سلامت دقیق نزدیک می‌کند؛ زیرا اکنون می‌توانیم پیش از آغاز درمان، مؤثرترین دارو را برای هر فرد شناسایی کنیم.»