به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، مکانیوبیولوژی، شاخه‌ای هیجان‌انگیز از علم که رابطه بین مکانیک و زیست‌شناسی را بررسی می‌کند، این روزها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در این میان، پژوهش‌هایی که روی سلول‌های بنیادی انجام می‌شود، نویدبخش پیشرفت‌های بزرگی در پزشکی و مهندسی زیستی است. یکی از این تحقیقات برجسته، کار دکتری منوچهر ربیعی از دانشگاه تگزاس در آرلینگتون است که به شبیه‌سازی بلندمدت مکانیوبیولوژی سلول‌های بنیادی پرداخته است.

سلول‌های بنیادی و اهمیت آن‌ها

سلول‌های بنیادی به‌عنوان ستون‌های اصلی بازسازی و ترمیم بدن شناخته می‌شوند. این سلول‌ها توانایی تبدیل شدن به انواع مختلف سلول‌ها، مانند سلول‌های چربی، استخوانی یا عضلانی، را دارند. این قابلیت آن‌ها را به ابزاری ارزشمند برای درمان بیماری‌ها و تحقیقات پزشکی تبدیل کرده است. اما چیزی که این سلول‌ها را خاص‌تر می‌کند، واکنش آن‌ها به نیروهای مکانیکی است. مکانیوبیولوژی دقیقاً همین موضوع را مطالعه می‌کند: اینکه چگونه فشار، کشش یا تغییر شکل بر رفتار و تکامل این سلول‌ها تأثیر می‌گذارد.

مطالعات نشان داده‌اند که سلول‌های بنیادی در محیط‌هایی با سختی یا انعطاف‌پذیری متفاوت، مسیر متفاوتی را برای تمایز انتخاب می‌کنند. برای مثال، یک سطح سفت ممکن است آن‌ها را به سمت تشکیل استخوان هدایت کند، در حالی که یک سطح نرم‌تر به تولید سلول‌های چربی منجر شود. این ارتباط عمیق بین مکانیک و زیست‌شناسی، دانشمندان را بر آن داشته تا مدل‌های دقیق‌تری برای شبیه‌سازی این فرآیندها بسازند.

تاریخچه مختصر مکانیوبیولوژی

اگرچه مکانیوبیولوژی به عنوان یک رشته رسمی نسبتاً جدید است، ریشه‌های درک ارتباط بین نیرو و زیست‌شناسی به قرن‌ها پیش بازمی‌گردد.

• آغازها (سده‌های ۱۷ و ۱۸): دانشمندانی مانند گالیله و بورلی به رابطه بین ساختار فیزیکی موجودات و نیروهای وارد بر آنها توجه کردند.
• پایه‌گذاری نظری (سده ۱۹): جولیوس ولف، جراح آلمانی، در سال ۱۸۹۲ "قانون ولف" را ارائه داد که بیان می‌کند استخوان در پاسخ به نیروهای مکانیکی وارده، ساختار خود را تطبیق می‌دهد و محکم‌تر می‌شود. این یک اصل بنیادین در مکانیوبیولوژی است.
• مطالعات سلولی اولیه (دهه‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۰): با پیشرفت میکروسکوپ، محققان شروع به مشاهده پاسخ سلول‌ها به کشش کردند. اصطلاح "مکانیوترانسداکشن" (تبدیل سیگنال مکانیکی به شیمیایی) در این دوره رایج شد.
• تولد یک رشته مستقل (دهه ۱۹۹۰ و ۲۰۰۰): کشف حسگرهای مولکولی نیرو، مانند اینتگرین‌ها (که سلول را به ماتریکس خارج سلولی متصل می‌کنند) و پروتئین‌های کانال یونی حساس به کشش، باعث شکل‌گیری مکانیوبیولوژی به عنوان یک حوزه پژوهشی مجزا شد.
• عصر حاضر: امروزه تمرکز تحقیقات بر درک دقیق مکانیسم‌های مولکولی حس کردن نیرو و کاربرد این دانش در زمینه‌هایی مانند سرطان چرا تومورها سفت می‌شوند؟، پزشکی بازساختی (طراحی داربست‌های هوشمند برای هدایت ترمیم بافت) و توسعه اندام است

چالش‌های شبیه‌سازی بلندمدت

شبیه‌سازی رفتار سلول‌های بنیادی به‌ویژه در بازه‌های زمانی طولانی، کاری بسیار پیچیده است. سلول‌ها از اجزای زیرسلولی بسیار کوچک با جرم‌هایی در حد فمتوگرم (یک میلیونیم میکروگرم) و ابعاد نانومتری تشکیل شده‌اند. وقتی این اجزا تحت تأثیر نیروهایی با شدت‌های بسیار بالا قرار می‌گیرند، شتاب‌های عظیمی ایجاد می‌شود که نیاز به محاسبات دقیق و گام‌های زمانی بسیار کوچک دارد. این موضوع باعث می‌شود که شبیه‌سازی حتی یک ثانیه از زندگی یک سلول با استفاده از کامپیوترهای معمولی یا حتی ابررایانه‌ها، زمان زیادی ببرد.

تا پیش از این، شبیه‌سازی‌های بلندمدت معمولاً به دلیل نیاز به قدرت محاسباتی بالا محدود بودند. اما ربیعی با تیمی از محققان در دانشگاه تگزاس، رویکردی نوآورانه ارائه داده‌اند که این محدودیت‌ها را پشت سر گذاشته است. آن‌ها با استفاده از روش‌های چندمقیاسی (Method of Multiple Scales)، توانسته‌اند زمان محاسبات را از جرم و توزیع اجزای زیرسلولی جدا کنند.

نوآوری در شبیه‌سازی

این روش جدید به دانشمندان اجازه می‌دهد فرآیندهای سلولی که دو هفته یا بیشتر طول می‌کشند، را در چند ساعت روی یک کامپیوتر معمولی شبیه‌سازی کنند. این پیشرفت نه‌تنها سرعت کار را افزایش داده، بلکه دقت نتایج را نیز با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه کرده و تأیید کرده است. برای مثال، آن‌ها فرآیند آدیپوژنز (تبدیل سلول‌های بنیادی مزانشیمی مغز استخوان به سلول‌های چربی) را بررسی کرده‌اند، که معمولاً دو هفته طول می‌کشد.

در طول آدیپوژنز، سلول‌ها تغییرات چشمگیری در شکل و ساختار خود تجربه می‌کنند. بازسازی اسکلت سلولی، تغییر شکل هسته و افزایش تولید لیپیدها (چربی‌ها) از جمله این تغییرات هستند. مدل‌های بیومکانیک که ربیعی ارائه داده، این فرآیند را با جزئیات دقیق شبیه‌سازی کرده و نشان داده که چگونه نیروها و فشارها بر این تحولات اثر می‌گذارند.

آدیپوژنز: سفری به درون سلول‌های چربی

آدیپوژنز فرآیندی است که در آن سلول‌های بنیادی مزانشیمی (hMSC) با تحریک بیوشیمیایی به سلول‌های چربی (آدیپوسیت‌ها) تبدیل می‌شوند. این فرآیند نه‌تنها برای درک چاقی و بیماری‌های متابولیک مهم است، بلکه در مهندسی بافت و بازسازی بدن نیز نقش کلیدی دارد. ربیعی و همکارانش با استفاده از مدل‌های چندبخشی (Multibody Dynamics) و مدل‌های تنسیگریتی (Tensegrity)، توانسته‌اند این تحول را در سه بعد شبیه‌سازی کنند.

مدل‌های آن‌ها شامل اجزای زیرسلولی با جرم‌هایی از فمتوگرم تا پیکوگرم و طول‌هایی از نانومتر تا میکرومتر است. این اجزا تحت تأثیر نیروهایی قرار می‌گیرند که هزاران برابر جرمشان بزرگ‌ترند، و این امر محاسبات را چالش‌برانگیز می‌کند. اما با روش مقیاس‌بندی جدید، آن‌ها توانسته‌اند این پیچیدگی را مدیریت کنند و نتایج را در مدت زمان معقولی به دست آورند.

کاربردهای عملی و آینده پژوهش

این پیشرفت می‌تواند تحول بزرگی در پزشکی بازساختی ایجاد کند. با شبیه‌سازی دقیق‌تر و سریع‌تر، دانشمندان می‌توانند داروها و روش‌های درمانی را قبل از آزمایش روی انسان، ابتدا روی مدل‌های کامپیوتری تست کنند. این کار نه‌تنها هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، بلکه ایمنی بیشتری نیز به همراه دارد. همچنین، درک بهتر مکانیزم‌های سلولی می‌تواند به طراحی بافت‌های مصنوعی برای پیوند یا ترمیم اندام‌ها کمک کند.

در آینده، این فناوری می‌تواند به شبیه‌سازی سایر فرآیندهای سلولی مانند osteogenesis (تشکیل استخوان) یا chondrogenesis  (تشکیل غضروف) گسترش یابد. این کار نیازمند همکاری بین مهندسان، زیست‌شناسان و پزشکان است تا مدل‌ها هرچه دقیق‌تر شوند. ربیعی در پایان رساله‌اش به اهمیت این همکاری‌ها اشاره کرده و از حمایت سازمان‌هایی مانند انستیتو ملی سلامت (NIH) قدردانی کرده است.

نتیجه‌گیری: آینده‌ای روشن

مکانیوبیولوژی و سلول‌های بنیادی در حال باز کردن درهای جدیدی به سوی آینده پزشکی هستند. کار منوچهر ربیعی نشان داده که با نوآوری و پشتکار، می‌توان چالش‌های بزرگ را پشت سر گذاشت. شبیه‌سازی بلندمدت این فرآیندها نه‌تنها دانش ما را عمیق‌تر می‌کند، بلکه امید به درمان‌های پیشرفته‌تر را نیز زنده نگه می‌دارد. این پژوهش، گامی است به سوی دنیایی که در آن بیماری‌ها با استفاده از علم و فناوری، قابل‌کنترل‌تر از همیشه خواهند بود.

پایان مطلب./