به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، بیوفیلم‌ها جوامع بسیار مقاومی از باکتری‌ها هستند که چالش بزرگی در درمان عفونت‌ها به شمار می‌روند. در حالی که مطالعه تشکیل بیوفیلم در شرایط آزمایشگاهی به طور گسترده انجام شده است، درک توسعه آنها در محیط پیچیده دستگاه تنفسی انسان مبهم باقی مانده است. در همین راستا تیمی از محققان به رهبری الکساندر پرسات در EPFL اکنون با توسعه موفقیت آمیز ارگانوئیدهایی به نام AirGels این مشکل را برطرف کرده اند. ارگانوئیدها بافت‌های سه بعدی مینیاتوری و خودسازمان یافته هستند که از سلول‌های بنیادی برای تقلید از بافت‌ها و اندام‌های واقعی بدن در بدن انسان رشد می‌کنند. آنها نشان دهنده یک تغییر پارادایم در این زمینه هستند که دانشمندان را قادر می‌سازد محیط‌های پیچیده اندام‌ها را در آزمایشگاه تکرار و مطالعه کنند.

بیوفیلم و بررسی نحوه تشکیل آن

باکتری‌ها عمدتاً محیط خود را به شکل بیوفیلم، جوامع متراکم از سلول‌های به هم پیوسته که در یک ماتریکس پلیمری خود ترشح می‌شوند، مستعمره می‌کنند. مکانیسم‌های تشکیل بیوفیلم به طور گسترده بر روی سطوح غیر زنده و در شرایط آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. ولی در مقابل، درک ما از مورفوژنز بیوفیلم در زمینه واقعی عفونت‌های انسانی محدود است. بیوفیلم‌های پاتوژن سودوموناس آئروژینوزا مظهر این نابرابری است. زیرا مشاهدات بالینی نشان می‌دهد که P. aeruginosa بیوفیلم‌های مرتبط با راه هوایی را در طی پنومونی حاد و مزمن در افراد دارای نقص ایمنی تشکیل می‌دهد. با توجه به شیوع بالینی عفوننت ناشی از این سویه، بیوفیلم‌های P. aeruginosa به طور دقیق در شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته اند. با این حال، ساختار بیوفیلم‌های in vivo P. aeruginosa نمونه‌برداری شده از خلط بیمار و ریزنمونه‌های ریه کاملاً متمایز از نمونه‌های in vitro است . این اختلاف نشان می‌دهد که مطالعات بیوفیلم در محیط‌های کشت آکسنیک، عوامل حیاتی سطح مخاطی راه هوایی را که به مورفوژنز بیوفیلم کمک می‌کنند، را حذف می‌کند.

هیدروژل مخاطی

بافت‌های اپیتلیال با یک ماده هیدروژلی به نام موکوس پوشیده شده اند، موکوس اولین خط دفاعی راه هوایی در برابر پاتوژن‌های تنفسی است. در واقع سلول‌های جام اختصاصی، گلیکوپروتئین‌های موسین ژل‌ساز را ترشح می‌کنند تا در هنگام اگزوسیتوز به یک ماده ویسکوالاستیک متصل ‌شوند و مخاط را تشکیل ‌دهند. هیدروژل مخاطی نسبت به ذرات بزرگ نفوذ ناپذیر است و در نتیجه به عنوان یک مانع فیزیکی غیرفعال عمل می‌کند. افراد مبتلا به بیماری‌های تنفسی زمینه‌ای مانند بیماری مزمن انسدادی ریه (COPD) و فیبروز کیستیک (CF) دارای مخاط نابجا هستند. در عین حال، آنها در معرض خطر ابتلا به پنومونی مزمن P. aeruginosaهستند. با وجود این ارتباط مشترک، چگونگی کمک مکانیک مخاط به شروع و تداوم P. aeruginosa در طول عفونت حل نشده باقی مانده است.

باکتری P. aeruginosa و مکانیسم تشکیل بیوفیلم

سودوموناس آئروژینوزا یک بیماریزای فرصت طلب است. این باکتری از سیستم ایمنی ناتوان بهره‌گیری کرده و در آن‌ها عفونت و سموم مضر برای بافت‌ها ایجاد می‌کند. سودوموناس آئروژینوزا سبب عفونت‌های مجاری ادراری، سیستم تنفسی، التهاب و آماس پوست، عفونت‌های بافتهای نرم، باکتریمی (وجود باکتری در خون) عفونت‌های استخوان و مفاصل، عفونت‌های معده و روده‌ای و عفونت‌های سیستمیک گوناگون به ویژه در بیماران با سوختگی‌های شدید، بیماران دچار به سرطان و ایدز که سیستم ایمنی آن‌ها سرکوب شده‌است، می‌نماید. آزمایش‌های Invitro نشان می‌دهند که موسین‌ها بر سبک زندگی کلونی سلولی P. aeruginosa تأثیر می‌گذارند. زیرا سطوح پوشش داده شده با موسین و موکوس غلیظ، تحرک P. aeruginosa را سرکوب می‌کنند و در نتیجه تشکیل بیوفیلم را تسهیل می‌کنند. همچنین، پلیمرهای موسین نیروهای آنتروپیک را تولید می‌کنند که به طور غیر فعال این تجمع را افزایش می‌دهند. در شرایط دیگر، موسین‌های خالص شده بومی نیز می‌توانند با تحریک تحرک و پراکندگی اثر منفی بر بیوژنز بیوفیلم‌ها داشته باشند.  بنابراین این آزمایش‌ها هر کدام جنبه‌های شیمیایی و فیزیکی مخاط را نشان می‌دهند، اما اینکه چگونه همه این مشارکت‌ها در داخل بدن برای تأثیرگذاری بر شکل‌گیری بیوفیلم متعادل می‌شوند، هنوز حل نشده است. مدل‌های تجربی کم تهاجمی که ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی مخاط راه هوایی را تکرار می‌کنند، این پتانسیل را دارند که دیدگاه جدیدی در این فرآیند ارائه کنند.

مطالعه ارگانوئید AirGel

AirGels که توسط تامارا روسی و همکارانش ساخته شده‌اند، مدل‌های مهندسی زیستی بافت ریه انسان هستند که فرصت‌های جدیدی را در تحقیقات عفونت ایجاد می‌کنند. آنها با تقلید دقیق خواص فیزیولوژیکی مخاط راه هوایی، از جمله ترشح مخاط و ضربان مژگانی، تحقیقات مربوط به عفونت را متحول کردند. این فناوری به دانشمندان اجازه می‌دهد تا عفونت‌های راه هوایی را به شیوه ای واقع بینانه و جامع تر مطالعه کنند و شکاف بین مطالعات آزمایشگاهی و مشاهدات بالینی را پر کنند. پرسات می‌گوید: «در مورد این مطالعه حرف‌های زیادی برای گفتن وجود دارد، اما مهندسی ارگانوئیدها برای تحقیقات عفونت پتانسیل فوق العاده ای دارد. "زیرا این روش درمانی، یک تغییر دهنده بازی است." در این مطالعه که در PLoS Biology منتشر شده است، محققان از AirGels برای بررسی نقش مخاط در فرآیند تشکیل بیوفیلم توسط Pseudomonas aeruginosa، یک باکتری بیماری‌زا که معمولاً به آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم است، استفاده کردند. با آلوده کردن ایرژل‌ها به P. aeruginosa و مطالعه آن‌ها در زیر میکروسکوپ زنده با وضوح بالا، آن‌ها توانستند باکتری را بیوفیلم در زمان واقعی تشکیل دهند.

یافته‌های کسب شده از این مطالعه

مشاهدات آنها نشان داد که P. aeruginosa به طور فعال انقباض مخاط میزبان خود را با استفاده از رشته‌های جمع شونده معروف به نوع IV pili (T4P) القا می‌کند. رشته‌های T4P نیروهای لازم را برای انقباض مخاط راه هوایی ایجاد می‌کنند که این خود به سلول‌های P. aeruginosa اجازه می‌دهد جمع شوند و یک بیوفیلم تشکیل دهند. محققان یافته‌های خود را با شبیه سازی‌های بعدی و آزمایش‌های بیوفیزیکی بر روی جهش یافته‌های P. aeruginosa تایید کردند. این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که مدل ارگانوئید AirGel می‌تواند بینش‌های منحصربه‌فردی را در مورد فعل و انفعالات مکانیکی بین باکتری‌ها و محیط‌های میزبان‌هایشان ارائه دهد، این مطالعه توانسته است مکانیسم  این فعل و انفعالات را که قبلاً ناشناخته بوده کشف کند، زیرا این مکانیسم به تشکیل بیوفیلم در دستگاه تنفسی کمک می‌کند.

مهندسی ارگانوئیدهای بافت تنفسی

بنابراین توانایی مهندسی ارگانوئیدهایی که به طور صادقانه محیط مخاطی را تکثیر می‌کنند، راه‌های جدیدی برای اکتشاف باز می‌کند و محققان را قادر می‌سازد تا جنبه‌های نادیده گرفته شده عفونت‌ها را کشف کنند و همچنین بتوانند تأثیر عوامل فیزیولوژیکی اضافی مانند دما، رطوبت، داروها و عوامل استرس‌زای شیمیایی را بر روی رشد و نمو و بیماری‌ها بررسی کنند و درنهایت بتوانند از پیشرفت عفونت جلوگیری کرده و درمان‌های هدفمندی را بر علیه پاتوژن‌های مقاوم به آنتی بیوتیک ایجاد کنند.

پایان مطلب/.