به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، قلب انسان هرگز به‌تنهایی عمل نمی‌کند. اگرچه انقباض عضلات قلب باعث پمپاژ خون در بدن می‌شود، اما تنظیم ضربان قلب، پاسخ به استرس، فعالیت بدنی و بسیاری از عملکردهای دیگر تحت تأثیر مستقیم سیستم عصبی قرار دارند. ارتباط دائمی میان قلب و مغز از طریق شبکه‌ای از اعصاب خودمختار برقرار می‌شود و اختلال در این ارتباط می‌تواند زمینه‌ساز بیماری‌های مختلف قلبی باشد. در سال‌های اخیر، دانشمندان توانسته‌اند ارگانوئیدهای قلبی یا «مینی‌قلب‌ها» را از سلول‌های بنیادی تولید کنند. این ساختارهای سه‌بعدی می‌توانند ضربان داشته باشند، سیگنال‌های الکتریکی تولید کنند و بسیاری از ویژگی‌های قلب انسان را تقلید نمایند. با این حال، یک محدودیت مهم وجود داشت؛ این مدل‌ها فاقد شبکه عصبی بودند و نمی‌توانستند ارتباط واقعی قلب با سیستم عصبی را بازسازی کنند. اکنون پژوهشگران با افزودن سلول‌های مشتق از تاج عصبی و نورون‌های تخصصی به ارگانوئیدهای قلبی، گام مهمی در جهت بازسازی این ارتباط برداشته‌اند. نتیجه این تلاش، ساخت مدل‌هایی است که می‌توانند بخشی از تعاملات قلب و سیستم عصبی را شبیه‌سازی کنند. این دستاورد نه‌تنها برای مطالعه بیماری‌های قلبی مفید است، بلکه می‌تواند آینده مهندسی اندام‌های مصنوعی را نیز متحول کند.

بیماری‌های قلبی

بیماری‌های قلبی همچنان مهم‌ترین علت مرگ‌ومیر در بسیاری از کشورهای جهان محسوب می‌شوند. با وجود پیشرفت‌های گسترده در دارودرمانی و جراحی قلب، هنوز بسیاری از مکانیسم‌های ایجاد بیماری‌های قلبی به‌طور کامل شناخته نشده‌اند. یکی از دلایل این مسئله، پیچیدگی ساختار قلب است. قلب تنها از سلول‌های عضلانی تشکیل نشده است. این اندام مجموعه‌ای از سلول‌های عضلانی، سلول‌های عروقی، سلول‌های ایمنی، بافت همبند و شبکه عصبی را در خود جای داده است. هر کدام از این اجزا نقش ویژه‌ای در حفظ عملکرد طبیعی قلب دارند. در مطالعات سنتی معمولاً سلول‌های قلبی به‌صورت جداگانه مورد بررسی قرار می‌گرفتند. اگرچه این روش اطلاعات ارزشمندی در اختیار پژوهشگران قرار داده است، اما نمی‌تواند تعاملات پیچیده میان انواع مختلف سلول‌ها را بازسازی کند. ظهور فناوری سلول‌های بنیادی و ارگانوئیدها شرایط را تغییر داد. دانشمندان اکنون قادرند با استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی، ساختارهای سه‌بعدی شبیه اندام‌های واقعی ایجاد کنند. این فناوری ابتدا در مغز، روده، کبد و کلیه توسعه یافت و سپس به حوزه قلب وارد شد.

اولین نسل ارگانوئیدهای قلبی

اولین نسل ارگانوئیدهای قلبی عمدتاً از سلول‌های عضلانی قلب تشکیل شده بودند. این مدل‌ها توانایی انقباض داشتند و می‌توانستند فعالیت الکتریکی ایجاد کنند، اما از نظر ساختاری بسیار ساده‌تر از قلب واقعی بودند. در سال‌های بعد پژوهشگران موفق شدند سلول‌های عروقی را نیز به این مدل‌ها اضافه کنند. این پیشرفت باعث شد ساختارهای سه‌بعدی حاصل، شباهت بیشتری به قلب جنینی پیدا کنند. مرحله بعدی افزودن سلول‌های ایمنی به ارگانوئیدهای قلبی بود. این اقدام امکان مطالعه نقش التهاب در بیماری‌های قلبی را فراهم کرد و پژوهشگران توانستند برای نخستین بار برخی آریتمی‌های قلبی را در یک مدل انسانی بازسازی کنند.با وجود این پیشرفت‌ها، پژوهشگران به‌خوبی می‌دانستند که قلب در بدن انسان به‌صورت مستقل عمل نمی‌کند. هر ضربان قلب تحت تأثیر سیگنال‌هایی است که از سیستم عصبی دریافت می‌شود. افزایش ضربان هنگام ورزش، کاهش ضربان هنگام استراحت و پاسخ به شرایط استرس‌زا همگی نتیجه این ارتباط عصبی هستند. همین مسئله باعث شد نسل جدیدی از پروژه‌های تحقیقاتی شکل بگیرد که هدف آنها ایجاد ارتباط میان ارگانوئیدهای قلبی و سلول‌های عصبی بود.

شیوه مطالعاتی

در این مطالعات، پژوهشگران ابتدا سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی را در شرایط ویژه کشت می‌دهند تا به سلول‌های قلبی تبدیل شوند. این سلول‌ها به‌تدریج ساختارهای سه‌بعدی تشکیل می‌دهند که قادر به انقباض و تولید سیگنال الکتریکی هستند. در مرحله بعد، سلول‌های مشتق از تاج عصبی و نورون‌های تخصصی به سیستم اضافه می‌شوند. تاج عصبی در دوران جنینی نقش مهمی در ایجاد شبکه عصبی قلب ایفا می‌کند و بسیاری از اعصاب قلب از همین سلول‌ها منشأ می‌گیرند. پژوهشگران با استفاده از فناوری‌های زیست‌مهندسی، شرایطی فراهم می‌کنند تا این سلول‌های عصبی بتوانند به درون بافت قلبی نفوذ کنند و ارتباط عملکردی برقرار نمایند. در برخی پروژه‌ها از فناوری‌های میکروفلوئیدیک و سامانه‌های «اندام روی تراشه» نیز استفاده شده است. این سامانه‌ها اجازه می‌دهند ارتباط میان سلول‌های عصبی و سلول‌های قلبی در محیطی بسیار کنترل‌شده مورد بررسی قرار گیرد.

نتایج

نتایج اولیه بسیار امیدوارکننده بوده است. پژوهشگران مشاهده کردند که نورون‌های اضافه‌شده به ارگانوئیدهای قلبی می‌توانند درون بافت گسترش پیدا کنند و ارتباطاتی مشابه اعصاب قلب ایجاد نمایند. این نورون‌ها قادر بودند بر فعالیت الکتریکی و الگوی انقباض سلول‌های قلبی تأثیر بگذارند. به عبارت دیگر، قلب مینیاتوری دیگر صرفاً یک بافت عضلانی ضربان‌دار نبود، بلکه شروع به پاسخ دادن به سیگنال‌های عصبی کرد. مطالعات نشان داده‌اند که وجود شبکه عصبی باعث می‌شود پاسخ ارگانوئیدها به محرک‌های مختلف شباهت بیشتری به قلب واقعی پیدا کند. همچنین پژوهشگران توانستند برخی تغییرات مرتبط با بیماری‌های ریتم قلب را بهتر مدل‌سازی کنند.

گام بعدی مطالعه

پژوهشگران اکنون به دنبال ایجاد مدل‌های پیچیده‌تر هستند. هدف نهایی، ساخت سامانه‌هایی است که نه‌تنها قلب و اعصاب، بلکه ارتباط قلب با مغز، سیستم ایمنی و سایر اندام‌ها را نیز بازسازی کنند. یکی از پروژه‌های آینده، اتصال ارگانوئیدهای قلبی به ارگانوئیدهای عصبی است تا مسیر کامل ارتباط قلب و مغز مورد مطالعه قرار گیرد. چنین مدلی می‌تواند برای بررسی اثر استرس، اضطراب و بیماری‌های عصبی بر عملکرد قلب بسیار ارزشمند باشد. پژوهشگران همچنین در تلاش‌اند میزان بلوغ سلول‌های موجود در ارگانوئیدها را افزایش دهند. بسیاری از ارگانوئیدهای فعلی بیشتر به قلب جنینی شباهت دارند تا قلب بالغ. افزایش بلوغ سلولی می‌تواند دقت مدل را برای مطالعه بیماری‌های بزرگسالان افزایش دهد. در بلندمدت، این فناوری ممکن است به توسعه اندام‌های مصنوعی هوشمند منجر شود؛ اندام‌هایی که نه‌تنها ساختار فیزیکی دارند، بلکه قادرند سیگنال‌های عصبی را دریافت و پردازش کنند. هرچند رسیدن به چنین هدفی هنوز به سال‌ها تحقیق نیاز دارد، اما پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهد که مسیر دستیابی به آن بیش از هر زمان دیگری روشن شده است. امروزه ارگانوئیدهای قلبی دیگر صرفاً توده‌هایی از سلول‌های ضربان‌دار نیستند. آنها به تدریج در حال تبدیل شدن به مدل‌هایی هستند که می‌توانند بخشی از تعاملات پیچیده بدن انسان را بازسازی کنند. اتصال قلب مینیاتوری به سیستم عصبی شاید در نگاه نخست یک پیشرفت آزمایشگاهی به نظر برسد، اما در واقع می‌تواند آغازگر نسل جدیدی از اندام‌های مصنوعی باشد؛ اندام‌هایی که نه‌تنها زنده‌اند، بلکه با بدن «گفت‌وگو» می‌کنند.

پایان مطالب/.