پیوند بافت مغز انسان به مغز موش؛ آزمایش تازه استنفورد برای مطالعه بیماری‌های عصبی

پیوند بافت مغز انسان به موش‌ها؛ دستاورد تازه دانشمندان استنفورد

دانشمندان دانشگاه استنفورد گام تازه‌ای برای بررسی بیماری‌های مغزی انسان برداشته‌اند؛ روشی که در آن بافت عصبی ساخته‌شده از سلول‌های انسانی در بخشی از قشر مغز موش قرار می‌گیرد و سپس امکان رشد و برقراری ارتباط آن با سیستم عصبی حیوان فراهم می‌شود. این آزمایش به ساخت یک «مغز انسانی» در بدن موش منجر نشده است، اما سلول‌های انسانی توانسته‌اند در محیط مغز حیوان زنده بمانند، رشد کنند و با مدارهای عصبی اطراف خود ارتباط برقرار کنند.

هدف اصلی پژوهشگران از طراحی این مدل، ایجاد ابزاری جدید برای مطالعه بیماری‌هایی است که بررسی سازوکار آن‌ها در مغز انسان بسیار دشوار است. بسیاری از اختلالات عصبی و روان‌پزشکی ویژگی‌هایی دارند که در مغز موش به شکل مشابه انسان ظاهر نمی‌شوند. همین تفاوت میان مغز انسان و جوندگان یکی از دلایلی است که برخی درمان‌ها در آزمایش‌های حیوانی امیدوارکننده به نظر می‌رسند، اما در مراحل آزمایش انسانی نتیجه مشابهی ندارند.

مدل جدید تلاش می‌کند بخشی از این فاصله را کاهش دهد. دانشمندان به جای اینکه تمام پژوهش را روی مغز طبیعی موش انجام دهند یا سلول‌های انسانی را تنها در محیط آزمایشگاه پرورش دهند، بافت عصبی انسانی را در یک سیستم عصبی زنده قرار داده‌اند تا رفتار و ارتباط آن را در محیط پیچیده‌تری بررسی کنند.

چرا مدل‌های معمول موش همیشه کافی نیستند؟

موش‌ها یکی از پرکاربردترین حیوانات آزمایشگاهی در تحقیقات پزشکی و علوم اعصاب هستند. مغز این جانوران از نظر بسیاری از فرایندهای زیستی برای پژوهش مناسب است و دانشمندان می‌توانند با استفاده از آن، سازوکار بیماری‌ها یا اثر داروهای مختلف را بررسی کنند.

اما مغز موش با مغز انسان تفاوت‌های قابل‌توجهی دارد. اندازه، سازمان‌دهی، تعداد و تنوع برخی سلول‌های عصبی و همچنین پیچیدگی مدارهای مغزی در انسان و جوندگان یکسان نیست. در برخی بیماری‌های عصبی نیز ویژگی‌هایی وجود دارد که نمی‌توان آن‌ها را به‌طور کامل در موش بازسازی کرد.

این مسئله به‌خصوص در زمینه اختلالات روان‌پزشکی اهمیت دارد. سرجیو پاسکا، عصب‌شناس دانشگاه استنفورد و پژوهشگر ارشد این مطالعه، اشاره می‌کند که روان‌پزشکی یکی از حوزه‌هایی است که در آن بسیاری از درمان‌هایی که در مراحل اولیه امیدوارکننده به نظر می‌رسند، در کارآزمایی‌های بالینی موفق نمی‌شوند.

یکی از دلایل احتمالی این مسئله، محدودیت مدل‌های آزمایشگاهی موجود است. اگر یک دارو روی سلول‌های موش یا مغز موش اثر مطلوبی داشته باشد، لزوماً نمی‌توان انتظار داشت که همان نتیجه در مغز انسان نیز رخ دهد. بنابراین، محققان به دنبال مدل‌هایی هستند که ویژگی‌های بیشتری از زیست‌شناسی مغز انسان را در خود داشته باشند.

آغاز آزمایش با تغییر ژنتیکی موش‌ها

پژوهشگران برای ایجاد مدل موردنظر ابتدا موش‌هایی را از نظر ژنتیکی تغییر دادند. هدف این تغییر آن بود که بخش بزرگی از قشر مغز موش به شکل طبیعی رشد نکند و فضای مناسبی برای قرارگرفتن بافت عصبی انسانی فراهم شود.

قشر مغز خارجی‌ترین لایه مغز است و در مجموعه‌ای از فعالیت‌های پیچیده نقش دارد. پردازش اطلاعات حسی، حافظه و برخی فرایندهای شناختی از جمله عملکردهایی هستند که به فعالیت بخش‌های مختلف قشر مغز وابسته‌اند.

دانشمندان با ایجاد نقص در رشد بخش موردنظر، شرایطی فراهم کردند که بافت انسانی بتواند در آن قرار بگیرد و رشد کند. این مرحله اهمیت زیادی داشت، زیرا هدف صرفاً قرار دادن یک توده سلولی در مغز حیوان نبود؛ پژوهشگران می‌خواستند سلول‌های انسانی بتوانند در ساختار عصبی موجود ادغام شوند و با مدارهای آن ارتباط برقرار کنند.

ساخت بافت عصبی انسانی از سلول‌های پوست

در گام بعدی، دانشمندان از سلول‌های پوست انسان استفاده کردند. این سلول‌ها با روش‌های آزمایشگاهی دوباره برنامه‌ریزی شدند تا به سلول‌هایی تبدیل شوند که قابلیت تشکیل بافت عصبی دارند.

از این سلول‌ها ساختارهایی به نام «ارگانوئید مغزی» ساخته شد. ارگانوئید مغزی را نباید یک مغز کوچک یا نسخه کامل مغز انسان در نظر گرفت. این ساختارها مجموعه‌هایی از سلول‌های عصبی هستند که در شرایط مناسب می‌توانند برخی ویژگی‌های سازمان‌یافتگی و عملکرد بافت مغز را ایجاد کنند.

ارگانوئیدها در سال‌های اخیر به یکی از ابزارهای مهم تحقیقات علوم اعصاب تبدیل شده‌اند. پژوهشگران با استفاده از آن‌ها می‌توانند رشد سلول‌های عصبی، تعامل میان انواع سلول‌ها و برخی تغییرات مرتبط با بیماری‌ها را خارج از بدن بررسی کنند.

بااین‌حال، یک مشکل اساسی وجود دارد: ارگانوئیدی که در ظرف آزمایشگاهی رشد می‌کند، درون یک مغز زنده قرار ندارد و بنابراین نمی‌تواند تمام شرایطی را که سلول‌های عصبی در بدن تجربه می‌کنند، بازسازی کند.

قرار گرفتن بافت انسانی در مغز موش

ارگانوئیدهای ساخته‌شده از سلول‌های انسانی پس از آماده‌سازی در قشر مغز موش‌ها قرار گرفتند. پس از پیوند، سلول‌های انسانی زنده ماندند و به رشد خود ادامه دادند.

اما نکته مهم‌تر این بود که این سلول‌ها تنها در محل پیوند باقی نماندند. بررسی‌های انجام‌شده توسط پژوهشگران نشان داد که با گذشت زمان، بافت انسانی با بخش‌هایی از سیستم عصبی موش ارتباط برقرار کرده است.

اسکن‌های مغزی نیز شواهدی از شکل‌گیری ارتباط‌های عصبی میان بافت انسانی و قسمت‌های دیگر مغز حیوان نشان دادند. برخی از ارتباط‌ها حتی به مسیرهای عصبی مرتبط با نخاع می‌رسیدند.

این موضوع مدل آزمایشی جدید را از بسیاری از روش‌هایی که صرفاً سلول‌های انسانی را در محیط کشت بررسی می‌کنند، متمایز می‌کند. در اینجا سلول‌ها در یک سیستم زنده رشد می‌کنند و در معرض جریان‌های زیستی و ارتباط‌های عصبی واقعی قرار می‌گیرند.

بافت پیوندشده در ابتدا کاملاً شبیه قشر مغز نبود

البته رشد بافت انسانی در مغز موش به این معنا نبود که ساختاری کاملاً مشابه قشر طبیعی مغز انسان ایجاد شده است. قشر مغز انسان سازمان‌دهی پیچیده‌ای دارد و از لایه‌ها و انواع مختلف سلول‌ها تشکیل شده است.

پژوهشگران مشاهده کردند بافت ایجادشده در مغز موش در ابتدا نظم مشابهی با قشر طبیعی مغز نداشت. برخی متخصصان نیز ظاهر این ساختار را نسبتاً نامنظم توصیف کرده‌اند.

بااین‌حال، در ماه‌های پس از جراحی، سلول‌های انسانی به تدریج ویژگی‌های بیشتری شبیه سلول‌های قشر مغز پیدا کردند. تغییرات ایجادشده در شکل و عملکرد این سلول‌ها نشان داد که محیط زنده مغز می‌تواند در روند بلوغ و سازمان‌یافتگی بافت عصبی انسانی نقش داشته باشد.

این یافته برای دانشمندانی که روی رشد مغز انسان کار می‌کنند اهمیت دارد، زیرا نشان می‌دهد برخی مراحل بلوغ سلول‌های عصبی ممکن است در یک محیط زنده بهتر قابل بررسی باشند.

سلول‌های انسانی ویژگی‌های خاص خود را حفظ کردند

یکی از یافته‌های جالب پژوهش، شناسایی انواعی از سلول‌ها بود که معمولاً در مغز انسان و دیگر نخستی‌سانان دیده می‌شوند اما نمونه مشابه آن‌ها در مغز موش وجود ندارد.

این سلول‌ها پس از رشد بافت انسانی در مغز موش نیز شکل گرفتند. چنین مشاهده‌ای نشان می‌دهد سلول‌های انسانی بخشی از دستورالعمل زیستی مربوط به رشد خود را حتی در محیط بدن یک جانور دیگر حفظ می‌کنند.

ایلاری آلودی، عصب‌شناس دانشگاه سنت‌اندروز که در این پژوهش مشارکت نداشته است، این وضعیت را به نوعی استفاده از بدن موش به‌عنوان محیط رشد یا انکوباتور تشبیه کرده است.

به بیان ساده، محیط مغز موش توانسته شرایطی را فراهم کند که سلول‌های انسانی زنده بمانند و به مسیر رشد خود ادامه دهند، درحالی‌که برخی ویژگی‌های اختصاصی آن‌ها همچنان حفظ شده است.

این موضوع می‌تواند برای مطالعه تفاوت میان رشد طبیعی و رشد غیرطبیعی سلول‌های عصبی نیز مفید باشد.

آیا موش‌ها ویژگی‌های انسانی پیدا کردند؟

یکی از نخستین پرسش‌هایی که ممکن است پس از شنیدن چنین خبری مطرح شود این است که آیا پیوند بافت انسانی باعث شده موش‌ها رفتار یا توانایی‌های شناختی شبیه انسان پیدا کنند؟

نتایج آزمایش چنین چیزی را نشان نمی‌دهد.

حدود شش ماه پس از انجام عمل، پژوهشگران مجموعه‌ای از آزمایش‌های رفتاری را روی حیوانات انجام دادند. موش‌ها در آزمایش‌های حرکتی و رفتاری عمدتاً مشابه موش‌های معمولی عمل کردند و نشانه‌ای از افزایش غیرعادی توانایی‌های شناختی یا رفتاری در آن‌ها مشاهده نشد.

پاسکا نیز تأکید کرده است که این حیوانات توانایی جدیدی شبیه توانایی‌های انسان پیدا نکرده‌اند. همچنین هیچ مدرکی وجود ندارد که نشان دهد وجود سلول‌های انسانی در مغز باعث شده موش‌ها بتوانند به شیوه‌ای شبیه انسان فکر کنند.

بنابراین، تعبیرهایی مانند «ساخت مغز انسان در بدن موش» تصویر دقیقی از آنچه در آزمایش رخ داده است ارائه نمی‌کنند. پژوهشگران تنها بخشی از بافت عصبی انسانی را در مغز حیوان قرار داده‌اند تا ویژگی‌های رشد و ارتباط آن را بررسی کنند.

پرسش‌های اخلاقی همچنان جدی هستند

با وجود نبود شواهدی از تغییر چشمگیر رفتار موش‌ها، چنین پژوهش‌هایی پرسش‌های اخلاقی مهمی ایجاد می‌کنند.

سارا چان، متخصص اخلاق زیستی در دانشگاه ادینبرو، که در این مطالعه حضور نداشته، معتقد است این نوع تحقیقات باید با دقت اخلاقی زیادی دنبال شوند. پرسش اصلی این است که اگر در آینده بافت انسانی پیچیده‌تر شود و تأثیر بیشتری بر عملکرد مغز حیوان بگذارد، چگونه باید وضعیت و رفاه آن حیوان را ارزیابی کرد.

در واقع، مسئله فقط منشأ سلول‌ها نیست. اگر سلول‌های انسانی بتوانند در مغز حیوان به ساختارهای پیچیده‌تری تبدیل شوند یا نقش مهم‌تری در پردازش اطلاعات داشته باشند، ممکن است دانشمندان نیازمند معیارهای جدیدی برای ارزیابی وضعیت حیوانات آزمایشگاهی باشند.

این نگرانی‌ها به‌ویژه درباره آزمایش‌هایی اهمیت پیدا می‌کند که هدف آن‌ها ایجاد بافت‌های عصبی انسانی پیچیده‌تر یا اتصال گسترده‌تر این بافت‌ها با مدارهای مغزی حیوان است.

پژوهشگران استنفورد اعلام کرده‌اند که مطالعه آن‌ها تحت نظارت مستقل اخلاقی انجام شده و نگهداری و استفاده از حیوانات نیز بر اساس دستورالعمل‌های مربوط به رفاه حیوانات صورت گرفته است.

کاربرد احتمالی در مطالعه بیماری‌های مغزی

مهم‌ترین هدف از توسعه چنین مدلی، استفاده از آن در تحقیقات پزشکی است. پژوهشگران امیدوارند بتوانند از این سیستم برای بررسی بیماری‌هایی استفاده کنند که مدل‌سازی آن‌ها در موش‌های معمولی دشوار است.

از جمله بیماری‌ها و اختلالاتی که ممکن است در آینده با کمک این مدل بررسی شوند، می‌توان به اوتیسم، صرع و فلج مغزی اشاره کرد.

در بیماری‌های عصبی، بسیاری از فرایندهای سلولی و ارتباط‌های میان نورون‌ها بسیار پیچیده‌اند. بررسی این فرایندها در مغز انسان زنده تقریباً همیشه با محدودیت‌های جدی روبه‌رو است. از سوی دیگر، مطالعه سلول‌های انسانی در ظرف آزمایشگاهی نیز نمی‌تواند تمام ویژگی‌های یک سیستم عصبی زنده را بازسازی کند.

مدل استنفورد در تلاش است بخشی از این فاصله را پر کند. پژوهشگران می‌توانند سلول‌های انسانی مرتبط با یک بیماری مشخص را در محیط مغز حیوان قرار دهند و سپس نحوه رشد، ارتباط و واکنش آن‌ها را بررسی کنند.

امکان آزمایش دقیق‌تر داروها

یکی از کاربردهای بالقوه دیگر این فناوری، آزمایش داروهای جدید است. در حال حاضر بسیاری از ترکیبات دارویی ابتدا در مدل‌های سلولی و حیوانی آزمایش می‌شوند. با وجود این، تفاوت میان مغز حیوان و انسان می‌تواند باعث شود یک درمان در مراحل اولیه نتیجه مناسبی داشته باشد اما هنگام آزمایش انسانی اثر مورد انتظار را نشان ندهد.

اگر مدل‌های حاوی بافت انسانی بتوانند برخی ویژگی‌های مهم مغز انسان را بهتر بازسازی کنند، شاید در آینده به پژوهشگران کمک کنند داروها را در مرحله پیش‌بالینی با اطلاعات بیشتری ارزیابی کنند.

البته هنوز برای رسیدن به چنین کاربرد گسترده‌ای فاصله زیادی وجود دارد. این مدل تازه توسعه یافته و مشخص نیست در چه بیماری‌هایی بیشترین ارزش آزمایشگاهی را خواهد داشت. همچنین نمی‌توان انتظار داشت یک مدل حیوانی، حتی با وجود سلول‌های انسانی، تمام پیچیدگی‌های مغز انسان را بازسازی کند.

محدودیت‌های مدل جدید

با وجود اهمیت فنی پژوهش، مدل ایجادشده محدودیت‌هایی دارد. نخست اینکه بافت پیوندشده فقط بخشی از ساختار مغز انسان را تشکیل می‌دهد و نمی‌توان آن را جایگزین یک مغز کامل انسانی دانست.

دوم اینکه محیط مغز موش همچنان با مغز انسان تفاوت زیادی دارد. حتی اگر سلول‌های انسانی در این محیط رشد کنند و برخی ویژگی‌های انسانی خود را حفظ کنند، سایر بخش‌های سیستم عصبی، جریان خون، سلول‌های پشتیبان و شبکه‌های عصبی متعلق به حیوان هستند.

همچنین رفتار موش نمی‌تواند جایگزین بررسی مستقیم عملکرد مغز انسان شود. بنابراین، هر نتیجه‌ای که با این مدل به دست می‌آید باید در کنار نتایج حاصل از سایر مدل‌های آزمایشگاهی و در مراحل بعدی، در صورت امکان، در تحقیقات انسانی بررسی شود.

برخی دانشمندان نیز معتقدند استفاده عملی از چنین مدل‌هایی ممکن است محدودتر از چیزی باشد که در نگاه نخست به نظر می‌رسد. جیمز اینج، عصب‌شناس دانشگاه سنت‌اندروز، از جمله پژوهشگرانی است که بر پیچیدگی فنی و اخلاقی این رویکرد تأکید کرده است.

کاهش فاصله میان آزمایشگاه و مغز انسان

علوم اعصاب مدت‌هاست با یک مشکل اساسی مواجه است: مغز انسان را نمی‌توان به‌سادگی در یک محیط آزمایشگاهی بازسازی کرد. از طرفی، موش‌ها ابزار مناسبی برای بسیاری از مطالعات هستند، اما تفاوت‌های مهم میان مغز آن‌ها و مغز انسان باعث ایجاد محدودیت می‌شود.

ارگانوئیدهای مغزی انسانی نیز راهکاری ارزشمند برای مطالعه سلول‌های عصبی ارائه کرده‌اند، اما آن‌ها نیز نمی‌توانند تمام پیچیدگی‌های یک سیستم عصبی زنده را در اختیار پژوهشگر قرار دهند.

روش استنفورد در واقع تلاش می‌کند میان این دو رویکرد پل بزند. بافت انسانی درون یک مغز زنده رشد می‌کند و می‌تواند با شبکه عصبی موجود ارتباط برقرار کند. در نتیجه، پژوهشگران امکان مشاهده برخی ویژگی‌های سلول‌های انسانی را در محیطی پیچیده‌تر از ظرف آزمایشگاهی به دست می‌آورند.

گام نخست برای تحقیقات آینده

اهمیت اصلی این پژوهش را می‌توان در ایجاد یک ابزار تحقیقاتی تازه خلاصه کرد. دانشمندان هنوز نمی‌توانند بر اساس این آزمایش ادعا کنند که مدل جدید تمام مشکلات تحقیقات مربوط به بیماری‌های مغزی را حل خواهد کرد. همچنین این روش قرار نیست جایگزین تمام مدل‌های حیوانی یا سلولی موجود شود.

بااین‌حال، امکان رشد بافت عصبی انسانی در مغز موش و شکل‌گیری ارتباط میان سلول‌های انسانی و سیستم عصبی حیوان می‌تواند فرصت‌های جدیدی در اختیار علوم اعصاب قرار دهد.

در آینده، پژوهشگران می‌توانند بررسی کنند که آیا این مدل در مطالعه بیماری‌های خاص عملکرد بهتری دارد یا خیر، آیا می‌توان از آن برای بررسی اثر داروها استفاده کرد و تا چه اندازه یافته‌های به‌دست‌آمده از این مدل با ویژگی‌های بیماری در انسان همخوانی دارند.

در کنار همه این موارد، مرزهای اخلاقی چنین تحقیقاتی نیز باید هم‌زمان با پیشرفت فناوری مورد توجه قرار بگیرند. هرچه توانایی دانشمندان برای ایجاد بافت عصبی انسانی پیچیده‌تر شود، پرسش درباره رفاه حیوانات و احتمال تغییر ویژگی‌های شناختی آن‌ها اهمیت بیشتری پیدا خواهد کرد.

در مجموع، آزمایش دانشمندان استنفورد را می‌توان تلاشی برای ایجاد نسل تازه‌ای از مدل‌های تحقیقاتی مغز دانست؛ مدلی که در آن سلول‌های انسانی در یک سیستم عصبی زنده رشد می‌کنند، اما حیوان همچنان از نظر رفتاری یک موش باقی می‌ماند. این روش هنوز در مراحل اولیه قرار دارد و محدودیت‌های فنی و اخلاقی متعددی دارد، اما می‌تواند مسیر تازه‌ای برای مطالعه برخی بیماری‌های مغزی، شناخت روند رشد سلول‌های عصبی و ارزیابی درمان‌های احتمالی فراهم کند.

اگر تحقیقات آینده بتوانند کاربرد این مدل را تأیید کنند، ترکیب ارگانوئیدهای انسانی با سیستم عصبی حیوانات ممکن است به یکی از ابزارهای مکمل در پژوهش‌های علوم اعصاب تبدیل شود؛ ابزاری که هدف آن نزدیک‌ترکردن مدل‌های آزمایشگاهی به زیست‌شناسی واقعی مغز انسان، بدون ادعای تبدیل حیوان به موجودی با ذهن یا مغز انسانی است.