به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، گروهی از پژوهشگران ژاپنی با الهام از ساختارهای طبیعی درون سلول‌ها، ابزاری نوآورانه موسوم به «تزریق‌کننده نانولوله‌ای» ساخته‌اند که قادر است مواد درون سلولی مانند میتوکندری را با حفظ بیش از ۹۵ درصد زنده‌مانی سلول و کارایی انتقال بیش از ۹۰ درصد، از یک سلول زنده استخراج کرده و به سلول دیگری تزریق کند. این فناوری که می‌تواند میزان تولید انرژی سلول گیرنده را تا ۲۵ درصد افزایش دهد، افق‌های جدیدی را در زمینه پزشکی بازساختی و سلول‌درمانی گشوده است.

تولید سامانه تزریق‌کننده نانولوله‌ای

در تاریخ ۱۷ مارس ۲۰۲۶، مجله علمی Small Science مقاله‌ای از پژوهشگران دانشگاه واسدا در ژاپن منتشر کرد که در آن جزئیات یک سامانه پیشگامانه برای انتقال مستقیم محتویات سیتوپلاسمی بین سلول‌های زنده شرح داده شده است. این سامانه که «تزریق‌کننده نانولوله‌ای» نام دارد، از یک غشای نازک طلایی حاوی نانولوله‌های عمودی تشکیل شده که روی یک لوله شیشه‌ای نصب می‌شود. با اعمال فشار کنترل‌شده، نانولوله‌ها به درون غشای سلول نفوذ کرده و امکان مکش و تزریق مواد را فراهم می‌آورند. نکته حائز اهمیت آن است که این فرآیند برخلاف روش‌های پیشین که معمولاً به سلول آسیب می‌رساندند، با حفظ بیش از ۹۵ درصد زنده‌مانی سلول‌ها انجام می‌شود. پژوهشگران با موفقیت نشان داده‌اند که میتوکندری‌های منتقل‌شده در سلول مقصد فعال باقی می‌مانند و تولید ATP را تا ۲۵ درصد افزایش می‌دهند. این دستاورد که به عنوان نوعی «جراحی سلولی» توصیف شده، کاربردهای گسترده‌ای در بهبود کیفیت سلول‌های درمانی، مهندسی بافت و حتی مدل‌سازی بیماری‌ها خواهد داشت.

مقدمه

سلول‌های زنده هرگز موجوداتی منزوی و جداافتاده نیستند. در طول چند دهه گذشته، دانشمندان دریافته‌اند که سلول‌ها به طور مداوم در حال تبادل پروتئین‌ها، مواد ژنتیکی و حتی اندامک‌های کامل با یکدیگر هستند. این تبادلات نقش تعیین‌کننده‌ای در شکل‌گیری بافت‌ها، پاسخ به استرس‌های محیطی و فرآیند ترمیم آسیب‌ها ایفا می‌کنند. برای نمونه، در برخی انواع سرطان، سلول‌های توموری قادرند با دریافت میتوکندری از سلول‌های مجاور، رشد خود را حفظ کنند. همچنین شواهدی وجود دارد که این نوع مبادلات سلولی با فرآیند پیری مرتبط هستند.

با وجود پیشرفت‌های عظیم در فناوری‌های ویرایش ژن و هدف‌گیری مولکولی، دانشمندان تا همین اواخر ابزاری برای دستکاری مستقیم و قابل اطمینان محتویات درون سلول‌های زنده در اختیار نداشتند. روش‌های سنتی استخراج مواد درون‌سلولی معمولاً بر پایه تجزیه سلول با استفاده از مواد شوینده یا آنزیم‌ها بود که عملاً سلول را از بین می‌برد. روش‌های فیزیکی پیشرفته‌تر مانند امواج فراصوت نیز نیازمند تنظیم دقیق و زمان‌بر هستند تا به مولکول‌های هدف آسیب نرسانند. در سمت دیگر، تحویل مواد به درون سلول نیز با چالش‌هایی مواجه است: حامل‌های لیپیدی فقط برای مولکول‌های کوچک کاربرد دارند، بردارهای ویروسی پرهزینه و زمان‌بر هستند و تکنیک‌های ریزتزریق نیز مقیاس‌پذیری مناسبی ندارند. به عبارت دیگر، تا پیش از این، هیچ رویکردی وجود نداشت که امکان انتقال کنترل‌شده و کارآمد مواد درون‌سلولی را بدون به خطر انداختن زنده‌مانی سلول فراهم کند.

تاریخچه

تلاش برای انتقال مواد بین سلول‌ها ریشه در چند دهه پژوهش دارد. در سال ۲۰۲۲، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی گابلاین روشی به نام «نانوسرنگ» را گزارش کردند که ترکیبی از میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ نوری و نانوسیالات بود و می‌توانست میتوکندری را بین سلول‌های منفرد با نرخ موفقیت تا ۹۵ درصد جابه‌جا کند. این روش که در مجله PLoS Biology منتشر شد، نشان داد میتوکندری‌های منتقل‌شده با شبکه میتوکندریایی سلول میزبان ادغام می‌شوند و DNA میتوکندریایی دهنده در ژنوم میتوکندریایی گیرنده جای می‌گیرد. با این حال، روش نانوسرنگ مبتنی بر میکروسکوپ نیروی اتمی ذاتاً کند و کم‌بازده بود و برای کار با جمعیت‌های بزرگ سلولی مناسب نبود. پژوهشگران بسیاری در سراسر جهان به دنبال راهی بودند تا بتوانند این فرآیند را به سطحی از کارایی و مقیاس‌پذیری برسانند که برای کاربردهای بالینی و صنعتی قابل استفاده باشد. در این میان، گروه پژوهشی پروفسور تاکئو میاکه در دانشگاه واسدا، با الهام از ساختار نانولوله‌های متصل‌کننده سلولی (TNT) که به طور طبیعی در برخی سلول‌ها دیده می‌شود، مسیر متفاوتی را در پیش گرفتند. تفاوت اساسی رویکرد آن‌ها در این بود که به جای تقلید از طبیعت، یک سامانه مصنوعی با قابلیت کنترل فشار طراحی کردند تا بتواند حجم بالایی از سلول‌ها را در مدت زمان کوتاه پردازش کند.

شیوه مطالعاتی

سامانه ابداعی پژوهشگران دانشگاه واسدا از سه جزء اصلی تشکیل شده است. نخست، یک غشای نازک طلایی که با آرایه‌ای از نانولوله‌های عمودی و توخالی پوشیده شده است. این نانولوله‌ها قطرهایی در مقیاس میکرومتر دارند و با چگالی مشخصی روی غشا قرار گرفته‌اند. دوم، یک لوله شیشه‌ای که غشای نانولوله‌دار روی آن نصب می‌شود و نقش یک مخزن فشار را ایفا می‌کند. سوم، یک سامانه کنترل فشار که امکان تنظیم دقیق فشار هوای درون لوله شیشه‌ای را فراهم می‌آورد. فرآیند کار به این صورت است که ابتدا غشای نانولوله‌دار به آرامی روی سلول‌های دهنده فشار داده می‌شود. نانولوله‌ها با نفوذ به غشای دولایه فسفولیپیدی سلول، بدون ایجاد آسیب قابل توجه، راهی به درون سلول باز می‌کنند. در این مرحله، پژوهشگران با کاهش فشار درون لوله شیشه‌ای (ایجاد فشار منفی)، مواد درون سلولی را به درون نانولوله‌ها می‌مکند. نکته ظریف اینجاست که با افزودن مقادیر مشخصی از محلول بافر به لوله شیشه‌ای، می‌توان فشار داخلی را تنظیم کرد و میزان مکش را کنترل نمود. پژوهشگران دریافتند که افزودن حدود ۱۸۵ میکرولیتر محلول بافر (معادل ایجاد فشار ۶۴ پاسکال) می‌تواند جریان استخراج را تا حد قابل توجهی مهار کند و از آسیب به سلول جلوگیری نماید. پس از استخراج مواد از سلول‌های دهنده، سامانه روی سلول‌های گیرنده قرار می‌گیرد. در این مرحله، با افزایش فشار درون لوله شیشه‌ای (اعمال فشار مثبت)، مواد ذخیره‌شده در نانولوله‌ها به درون سلول‌های جدید تزریق می‌شوند. پژوهشگران برای ارزیابی کارایی این روش از رنگ‌های فلورسنت و سنجش‌های پروتئینی استفاده کردند. آن‌ها سلول‌های HeLa (رده سلولی رایج در پژوهش‌های زیستی) را با ماده Calcein-AM رنگ‌آمیزی کردند و شدت فلورسانس سلول‌ها را قبل و بعد از فرآیند استخراج اندازه‌گیری نمودند. این آزمایش نشان داد که با بهینه‌سازی قطر نانولوله‌ها، چگالی آن‌ها و فشار اعمالی، می‌توان سلول‌ها را با حداقل آسیب پردازش کرد.

نتایج و دستاوردها

داده‌های تجربی منتشرشده در مقاله Small Science نشان می‌دهد که سامانه تزریق‌کننده نانولوله‌ای به عملکرد استثنایی دست یافته است. تحت شرایط بهینه‌شده، میزان زنده‌مانی سلول‌ها پس از انجام فرآیند انتقال حدود ۹۵ درصد بود. این رقم در مقایسه با روش‌های پیشین که معمولاً زنده‌مانی کمتر از ۵۰ درصد را گزارش می‌کردند، پیشرفت چشمگیری محسوب می‌شود. همچنین کارایی انتقال مواد درون‌سلولی (درصد سلول‌های گیرنده که موفق به دریافت مواد شده‌اند) به بیش از ۹۰ درصد رسید. اما مهم‌ترین یافته این پژوهش، مربوط به انتقال میتوکندری است. میتوکندری‌ها که نیروگاه‌های انرژی‌زای سلول محسوب می‌شوند، اندامک‌هایی حساس و شکننده هستند و حفظ عملکرد آن‌ها در حین انتقال چالشی بزرگ محسوب می‌شود. پژوهشگران با برچسب‌گذاری فلورسنت میتوکندری‌های سلول‌های دهنده و مشاهده آن‌ها در سلول‌های گیرنده با میکروسکوپ کانفوکال، تأیید کردند که ده‌ها میتوکندری به ازای هر سلول گیرنده منتقل می‌شود. سپس با اندازه‌گیری سطح ATP (آدنوزین تری‌فسفات) که مولکول اصلی ذخیره انرژی در سلول است، دریافتند که سلول‌های گیرنده نسبت به گروه کنترل، افزایش معناداری در تولید انرژی نشان می‌دهند. به طور مشخص، میزان ATP در سلول‌های دریافت‌کننده میتوکندری تا ۲۵ درصد بیشتر از سلول‌هایی بود که میتوکندری جدید دریافت نکرده بودند.

پروفسور میاکه در این باره می‌گوید: «این فناوری پارادایم جدیدی در دستکاری سلول ایجاد می‌کند؛ دگرگونی سلول‌ها نه از طریق اصلاح ژنتیکی، بلکه از طریق بازسازی خود ترکیبات درون‌سلولی.» این جمله کلیدی نشان می‌دهد که رویکرد پژوهشگران تفاوت بنیادین با روش‌های مرسوم دارد. به جای تغییر اطلاعات ژنتیکی سلول، آن‌ها به دنبال تغییر «محتوای عملکردی» سلول هستند؛ رویکردی که از بسیاری جهات ایمن‌تر و مستقیم‌تر به نظر می‌رسد.

گام بعدی مطالعه

با وجود نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران تأکید می‌کنند که این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد و راه طولانی تا کاربرد بالینی در پیش است. نخستین گام بعدی، تکرار این یافته‌ها در مدل‌های حیوانی زنده است. تمام آزمایش‌های انجام‌شده تاکنون روی سلول‌های کشت‌شده در محیط آزمایشگاه (In vitro) صورت گرفته و مشخص نیست که سامانه نانولوله‌ای در محیط پیچیده بدن موجود زنده (In vivo) چه عملکردی خواهد داشت. دومین گام، افزایش مقیاس تولید است. در حال حاضر این فناوری در مقیاس آزمایشگاهی و برای پردازش چند هزار سلول طراحی شده است. برای کاربرد در پزشکی بازساختی که به میلیاردها سلول نیاز دارد، باید روش‌های تولید انبوه و خودکار برای غشاهای نانولوله‌ای ابداع شود. سومین گام، انجام مطالعات ایمنی‌شناسی است. تزریق میتوکندری‌های خارجی به سلول‌های گیرنده ممکن است پاسخ‌های ایمنی یا واکنش‌های پیش‌بینی‌نشده دیگری را به دنبال داشته باشد که باید پیش از هر کاربرد بالینی به دقت بررسی شوند.

چالش‌های مسیر

با وجود این چالش‌ها، مسیر پیش‌رو روشن است. پژوهشگران دانشگاه واسدا در حال برنامه‌ریزی برای همکاری با مراکز پزشکی جهت آغاز مطالعات پیش‌بالینی روی مدل‌های حیوانی بیماری‌های ناشی از نارسایی میتوکندریایی هستند. همچنین برنامه‌هایی برای بهینه‌سازی غشاهای نانولوله‌ای با قطرها و چگالی‌های مختلف وجود دارد تا بتوان انواع متنوع‌تری از مواد درون‌سلولی را با کارایی بالاتر منتقل کرد. یکی از اهداف بلندمدت این گروه پژوهشی، توسعه نسخه‌ای از این فناوری است که بتواند همزمان هزاران سلول را در یک آرایه پردازش کند و راه را برای کاربردهای صنعتی و بالینی هموار سازد.

پایان مطالب/.