به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، آسیب نخاعی یکی از پیچیده‌ترین و ناتوان‌کننده‌ترین آسیب‌هایی است که یک انسان می‌تواند تجربه کند. برخلاف بسیاری از بافت‌های بدن، نخاع توانایی بسیار محدودی برای بازسازی خود دارد و همین موضوع باعث می‌شود بسیاری از بیماران با فلج دائمی یا اختلالات شدید حرکتی مواجه شوند. در دهه‌های گذشته، دانشمندان تلاش‌های گسترده‌ای برای یافتن راه‌حلی مؤثر انجام داده‌اند، اما هنوز هیچ درمان قطعی برای بازگرداندن کامل عملکرد عصبی در بیماران مبتلا به آسیب شدید نخاعی وجود ندارد.

اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه ETH زوریخ و دانشگاه زوریخ رویکردی نوآورانه را معرفی کرده‌اند که در آن سلول‌های پیش‌ساز عصبی با نانوذرات مغناطیسی ترکیب شده و ساختارهایی موسوم به «میکروربات‌های زیستی» یا NPCbot را تشکیل می‌دهند . این ربات‌های سلولی پس از هدایت به محل ضایعه توسط میدان‌های مغناطیسی خارجی، سیگنال‌های الکتریکی بسیار ظریفی تولید می‌کنند که موجب تمایز سلول‌های عصبی و تسریع ترمیم بافت آسیب‌دیده می‌شود .

چالش بزرگ: چرا درمان آسیب نخاعی این‌قدر دشوار است؟

برای درک اهمیت این فناوری، ابتدا باید بدانیم چرا آسیب نخاعی این‌قدر چالش‌برانگیز است. نخاع مجموعه‌ای از میلیون‌ها رشته عصبی است که مغز را به سایر قسمت‌های بدن متصل می‌کند. وقتی این رشته‌ها آسیب می‌بینند، توانایی مغز برای کنترل حرکات و دریافت حس از بدن مختل می‌شود. مشکل اصلی این است که برخلاف پوست یا کبد که به‌سرعت خود را ترمیم می‌کنند، نورون‌های نخاعی تقریباً هیچ توانایی بازسازی ندارند. علاوه بر این، پس از آسیب، بافت اسکار در محل ضایعه تشکیل می‌شود که مانع رشد مجدد رشته‌های عصبی می‌شود .

در سال‌های اخیر، استفاده از سلول‌های بنیادی برای ترمیم نخاع مورد توجه قرار گرفته است. سلول‌های پیش‌ساز عصبی می‌توانند به انواع سلول‌های سیستم عصبی تبدیل شوند و در شرایط مناسب به بازسازی بافت آسیب‌دیده کمک کنند. با این حال، چالش‌های متعددی مانع موفقیت کامل این روش‌ها شده است. بسیاری از سلول‌های پیوندی پس از انتقال به بدن زنده نمی‌مانند یا در محل مناسب مستقر نمی‌شوند. علاوه بر این، تمایز سلولی اغلب به‌صورت کنترل‌نشده رخ می‌دهد و سلول‌ها نمی‌توانند ارتباط مؤثری با بافت میزبان برقرار کنند .

یکی از راه‌حل‌هایی که دانشمندان به آن روی آوردند، استفاده از تحریک الکتریکی برای هدایت رشد سلول‌های عصبی بود. اما این روش نیازمند کاشت الکترود در نزدیکی نخاع است که با محدودیت‌های فنی و خطرات جراحی همراه است. نخاع بافتی بسیار حساس است و هرگونه دستکاری فیزیکی می‌تواند آسیب بیشتری وارد کند .

NPCbot چیست و چگونه کار می‌کند؟

ساختار منحصربه‌فرد: ترکیب سلول زنده با فناوری نانو

NPCbot یک ساختار ترکیبی است که از دو جزء اصلی تشکیل شده است: سلول‌های پیش‌ساز عصبی و نانوذرات مغناطیسی-الکتریکی. سلول‌های پیش‌ساز عصبی از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی یا iPS سلول‌ها مشتق می‌شوند. این سلول‌ها در واقع سلول‌های معمولی بدن هستند که در آزمایشگاه برنامه‌ریزی مجدد شده‌اند تا خواص سلول‌های بنیادی را باز یابند و توانایی تبدیل شدن به انواع سلول‌های سیستم عصبی را داشته باشند .

نانوذرات مورد استفاده در این ربات‌ها ساختاری دو لایه دارند. لایه داخلی این نانوذرات به میدان‌های مغناطیسی پاسخ می‌دهد و لایه بیرونی، تغییرات مغناطیسی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند . این طراحی هوشمندانه به NPCbot اجازه می‌دهد تا هم با میدان مغناطیسی هدایت شود و هم بدون نیاز به الکترود، سلول‌ها را تحریک کند.

ساخت در آزمایشگاه تراشه‌ای

یکی از جنبه‌های جالب این فناوری، روش ساخت آن است. پژوهشگران NPCbot‌ها را در یک «آزمایشگاه روی تراشه» به مساحت تنها یک سانتی‌متر مربع می‌سازند. فرآیند ساخت به این صورت است که ابتدا سلول‌ها در یک مخزن مرکزی در تراشه قرار می‌گیرند، سپس نانوذرات به آن تزریق می‌شود و تنها پس از ۳۰ دقیقه، NPCbot‌هایی با قطر تقریبی ۶ میکرومتر آماده استفاده می‌شوند .

برای تولید انبوه، تیم تحقیقاتی از چندین سیستم تراشه‌ای به‌صورت موازی استفاده می‌کند. بسته به نوع آزمایش، برای مطالعات سلولی به صدها هزار و برای آزمایش‌های حیوانی به چندین میلیون NPCbot نیاز است . این روش تولید مقیاس‌پذیر، یکی از مزیت‌های کلیدی این فناوری نسبت به روش‌های سنتی است.

دستاوردهای آزمایشگاهی: از ماهی گورخری تا موش

نتیجه شگفت‌انگیز در ماهی گورخری

اولین آزمایش‌ها بر روی لارو ماهی گورخری انجام شد که به دلیل توانایی بالای بازسازی، مدل مناسبی برای مطالعه آسیب نخاعی است. پژوهشگران NPCbot‌ها را مستقیماً به محل آسیب تزریق کردند و سپس میدان الکترومغناطیسی اعمال کردند. نتیجه بسیار چشمگیر بود: تنها پس از سه روز، ماهی‌های آسیب‌دیده توانایی شنا کردن و رفتار اکتشافی تقریباً طبیعی خود را بازیافتند .

این سرعت بازیابی نشان می‌دهد که NPCbot‌ها نه تنها در محل آسیب زنده می‌مانند، بلکه به‌سرعت به نورون‌های بالغ تبدیل می‌شوند و با بافت میزبان یکپارچه می‌شوند. محققان توضیح می‌دهند که تحریک الکتریکی ناشی از نانوذرات، فرآیند تمایز سلول‌های پیش‌ساز به نورون را به‌طور چشمگیری تسریع می‌کند .

موفقیت در موش‌های با نخاع قطع‌شده

مهم‌ترین دستاورد این پروژه، آزمایش بر روی موش‌هایی بود که نخاع آن‌ها به‌طور کامل قطع شده بود. این موضوع اهمیت ویژه‌ای دارد زیرا برخلاف ماهی گورخری، نخاع موش‌ها معمولاً توانایی بازسازی طبیعی ندارد و این مدل، شرایطی مشابه آسیب شدید نخاعی در انسان را شبیه‌سازی می‌کند .

پس از تزریق NPCbot‌ها و اعمال میدان مغناطیسی، نتایج درخشان بود. پس از ۲۸ روز، سلول‌های عصبی در محل آسیب دوباره به هم متصل شده بودند و موش‌ها الگوهای حرکتی به‌طور فزاینده طبیعی‌تری از خود نشان می‌دادند. راه رفتن، طول قدم، هماهنگی بدن و رفتار اکتشافی آن‌ها به‌طور قابل توجهی بهبود یافت . این در حالی است که در گروه کنترل (موش‌هایی که NPCbot دریافت نکرده بودند)، هیچ بهبود قابل توجهی مشاهده نشد.

بدون عوارض جانبی یا رد ایمنی

یکی از نگرانی‌های اصلی در هر روش درمانی جدید، عوارض جانبی و واکنش سیستم ایمنی است. خوشبختانه، در آزمایش‌های حیوانی، هیچ شواهدی از عوارض جانبی یا واکنش ایمنی مشاهده نشد . پس از اینکه سلول‌های پیش‌ساز به نورون‌های بالغ تبدیل شدند، NPCbot‌ها به‌تدریج در بافت حل شدند و نانوذرات باقی‌مانده به دلیل پوشش باریم تیتانات، پایداری و واکنش‌پذیری حداقلی از خود نشان دادند .

اهداف و چشم‌انداز آینده

هدف کوتاه‌مدت: حذف الکترودهای کاشتنی

بزرگ‌ترین هدف فناوری NPCbot حذف نیاز به الکترودهای کاشتنی برای تحریک سلول‌های بنیادی است. روش‌های سنتی نیازمند جراحی برای کارگذاری الکترود در نزدیکی نخاع هستند که خطرات عفونت و آسیب بافتی را افزایش می‌دهند. با NPCbot، تنها اعمال میدان مغناطیسی از خارج بدن کافی است تا سلول‌ها تحریک شوند . این رویکرد «کم‌تهاجمی» برای نخاع که بافتی بسیار حساس است، یک مزیت حیاتی محسوب می‌شود.

هدف میان‌مدت: تولید انبوه و آزمایش‌های بالینی

تیم تحقیقاتی در حال توسعه سیستم‌های چندتراشه‌ای موازی برای افزایش ظرفیت تولید است. با این حال، قبل از آزمایش بر روی انسان، مراحل متعددی باید طی شود. پژوهشگران باید تعیین کنند که کدام میدان‌های مغناطیسی در بدن انسان بهترین عملکرد را دارند و مدت زمان بهینه تحریک چقدر است . همچنین آزمایش‌های سم‌شناسی طولانی‌مدت بر روی مدل‌های حیوانی بزرگ‌تر ضروری است تا مسیر متابولیک نانوذرات و ایمنی بلندمدت آن‌ها به‌طور کامل ارزیابی شود .

هدف بلندمدت: گسترش به سایر بیماری‌ها

اگرچه تمرکز اصلی این پروژه بر آسیب نخاعی است، اما پتانسیل NPCbot‌ها بسیار فراتر از این حوزه است. پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که این فناوری می‌تواند در درمان بیماری‌های قلبی-عروقی، سرطان و ترمیم زخم نیز به کار رود. به‌علاوه، دستکاری دقیق NPCbot‌ها در محیط آزمایشگاهی و درون‌تنی نشان می‌دهد که آن‌ها می‌توانند برای اختلالات عصبی-تحلیلی مختلف نیز کاربرد داشته باشند.

چالش‌ها و ملاحظات اخلاقی

با وجود دستاوردهای چشمگیر، فناوری NPCbot با چالش‌هایی نیز روبروست. یکی از نگرانی‌های اصلی، ایمنی بلندمدت نانوذرات در بدن انسان است. اگرچه در آزمایش‌های حیوانی عوارض جانبی مشاهده نشده، اما باید مشخص شود که نانوذرات در طولانی‌مدت چگونه تجزیه یا دفع می‌شوند .

چالش دیگر، کنترل دقیق میدان‌های مغناطیسی است. میدان مغناطیسی باید به‌قدری قوی باشد که نانوذرات را فعال کند، اما نه آنقدر قوی که به بافت‌های سالم آسیب برساند. استانداردسازی این پارامترها برای کاربردهای انسانی ضروری است .

از نظر اخلاقی نیز پرسش‌هایی مطرح است: آیا دستکاری سلول‌ها با نانوذرات و کنترل آن‌ها از راه دور، نوعی دستکاری در فرآیندهای طبیعی بدن است؟ این پرسش‌ها نیازمند گفتگوی گسترده در جامعه علمی و عمومی است.

جمع‌بندی: آینده‌ای روشن برای درمان آسیب نخاعی

ربات‌های سلولی NPCbot نمایانگر یک جهش خلاقانه در مرز میان رباتیک، نانوفناوری و پزشکی بازساختی هستند. با ترکیب سلول‌های بنیادی زنده با نانوذرات هوشمند، این فناوری توانسته است سه چالش اصلی سلول‌درمانی را حل کند: بقای پایین سلول‌های پیوندی، تمایز کنترل‌نشده و نیاز به الکترودهای کاشتنی.

نتایج آزمایش‌ها بر روی ماهی گورخری و موش‌های با نخاع قطع‌شده نشان می‌دهد که NPCbot‌ها می‌توانند بازسازی نخاع را به‌طور قابل توجهی تسریع کنند و عملکرد حرکتی را بهبود بخشند، آن هم بدون عوارض جانبی یا رد ایمنی. اگرچه هنوز فاصله‌ای تا کاربرد بالینی در انسان وجود دارد، اما این فناوری مسیر جدیدی را برای درمان یکی از لاعلاج‌ترین آسیب‌های پزشکی هموار کرده است.

در آینده‌ای نه‌چندان دور، ممکن است بیماران مبتلا به آسیب نخاعی بتوانند با یک تزریق ساده از ربات‌های سلولی و اعمال میدان مغناطیسی از خارج بدن، امید تازه‌ای برای بازیافتن حرکت و استقلال خود داشته باشند. این همان وعده‌ای است که فناوری NPCbot به ارمغان می‌آورد.

پایان مطلب./