به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، ارگانوئیدهای ریه انسان (HLOs) به طور فزاینده‌ای برای مدل سازی تکوینی و بیماری‌های عفونی مورد استفاده قرار می‌گیرند، با این حال توانایی آنها برای پاسخ عملکردی بافت ریه به قرار گرفتن در معرض نانومواد (NM) هنوز نشان داده نشده است. در اینجا، یک تیم تحقیقاتی یک مدل قرار گرفتن در معرض ارگانوئید ریه ایجاد شده است که از تزریق نانو برای ارائه NMs به لومن ارگانوئیدها استفاده می‌کند. این تیم به سرپرستی دکتر ساندرا ورانیک، زیست‌شناس سلولی و نانوتوکسیکولوژیست، استدلال می‌کند که اگرچه انتظار نمی‌رود که این مدل ارگانوئید به طور کامل جایگزین مدل‌های حیوانی شود، ولی همین ارگانوئیدهای انسانی می‌توانند به زودی سبب کاهش قابل توجهی از بکارگیری حیوانات تحقیقاتی منجر شوند. مینی ریه‌های انسان که توسط دانشمندان دانشگاه منچستر رشد کرده‌اند، می‌توانند واکنش حیوانات را هنگام قرار گرفتن در معرض نانومواد خاص تقلید کنند. این مطالعه در ژورنالNano Today منتشر شده است.

مقایسه کشت‌های دو بعدی و سه‌بعدی پیشرفته

استاندارد کنونی برای تجزیه و تحلیل پاسخ بافت ریوی، سیستم‌های تک/هم‌کشتی در شرایط آزمایشگاهی را با مدل‌های درون تنی با زمان فشرده و دارای بار اخلاقی ترکیب می‌کند. اگرچه سیستم‌های تک‌کشتی امکان غربال‌گری در مقیاس بزرگ نانومواد (NMs) را فراهم می‌کنند و درک بهتری از اثرات سلولی با توجه به ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی NMs ارائه کرده‌اند، چنین سیستم‌هایی اغلب بسیار ساده‌اند. آنها فاقد عملکردهای فیزیولوژیکی هستند و فقط تا حدی گفتگوی متقابل پیچیده بین سلول‌ها را به تصویر می‌کشند. چنین مدل‌هایی همچنین پیچیدگی اپیتلیوم ریوی انسان را نشان نمی‌دهند و ممکن است پتانسیل سمی NM ها را بیش از حد تخمین بزنند. از طرفی بکارگیری مدل‌های in vivo، نگرانی‌های اخلاقی و هزینه‌ها تعداد NM‌هایی که می‌توان ارزیابی کرد، را محدود می‌کند. علاوه بر این، نگرانی‌های مربوط به رفاه حیوانات، مناسب بودن و دقت چنین مدل‌هایی برای پیش‌بینی پاسخ‌های فیزیولوژیکی انسان، بحث‌های زیادی را در مورد استفاده از حیوانات در آزمایش‌های ایمنی شیمیایی و استفاده از چارچوب 3Rs آغاز کرده است که هدف آن کاهش، اصلاح و جایگزینی آزمایش‌های حیوانی است. در سال‌های اخیر، کشت‌های سه‌بعدی پیشرفته در شرایط آزمایشگاهی محبوبیت زیادی پیدا کرده‌اند. نمونه‌ها عبارتند از برش‌های ریه با برش دقیق ex vivo، کروی‌های سلولی ریه و مدل‌های ریه روی تراشه میکروسیال. چنین پلتفرم‌هایی جایگزین منحصربه‌فردی برای پر کردن شکاف بین مدل‌های دوبعدی سنتی in vitro و in vivo ارائه کرده‌اند، اما تا به امروز اکثر آنها فقط از دو یا سه نوع سلول تشکیل شده‌اند. بنابراین، توسعه یک رویکرد جدید ضروری است که بتواند پاسخ بافت ریوی ناشی از NM را در کوتاه‌مدت مدل‌سازی کند و پیچیدگی سلولی کافی و سناریوی واقع‌بینانه قرار گرفتن در معرض NM را ارائه دهد.

سیستم‌های ارگانوئید انسانی

یکی از امیدوارکننده‌ترین و نوظهورترین فناوری‌های مدل‌سازی، استفاده از سیستم‌های ارگانوئید انسانی است. ارگانوئیدهای ریه در شرایط آزمایشگاهی، خودسازماندهی و سیستم‌های کشت سه بعدی هستند که از سلول‌های پیش ساز ریه بالغ یا سلول‌های بنیادی پرتوان مشتق می‌شوند. آنها ساختارها و عملکردهای کلیدی بافت انسانی را خلاصه می‌کنند و مطالعه الگوهای رشد و بیماری‌ها را ممکن می‌سازند. تا به امروز، چندین گروه تمایز گام به گام سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی را به ارگانوئیدهای ریه حاوی سلول‌های پروگزیمال و/یا دیستال راه هوایی توصیف کرده اند. از نظر کاربرد، ارگانوئیدهای ریه برای درک بهتر بیماری‌های ریوی مختلف، از فیبروز سیستیک گرفته تا سرطان ریه و بیماری‌های عفونی مانند عفونت ویروس سنسیشیال تنفسی و عفونت SARS-CoV-2 استفاده شده‌اند. چندین مقاله چشم انداز نیز درباره سودمندی بالقوه ارگانوئیدهای انسانی در سم شناسی و ارزیابی خطر با تمرکز بر سمیت اندام ناشی از دارو در کبد، قلب، کلیه، روده و ارگانوئیدهای مغز بحث کرده اند. با این حال، توانایی HLO های چندسلولی برای خلاصه کردن پاسخ عملکردی بافت ریوی به NMs هنوز نشان داده نشده است.

ایجاد مدل ارگانوئیدی ریوی در معرض نانومواد مبتنی بر کربن

ارگانوئیدهای ریه که در ظرفی از سلول‌های بنیادی انسان رشد می‌کنند، ساختارهای چند سلولی و سه بعدی هستند که هدف آنها بازآفرینی ویژگی‌های کلیدی بافت‌های انسانی مانند پیچیدگی سلولی و معماری است. آنها به طور فزاینده ای برای درک بهتر بیماری‌های مختلف ریوی، از فیبروز کیستیک گرفته تا سرطان ریه، و بیماری‌های عفونی از جمله SARS-CoV-2 مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، توانایی آنها در گرفتن پاسخ بافت به قرار گرفتن در معرض نانومواد تاکنون نشان داده نشده است. دکتر رهاف عیسی، دانشمند ارشد گروه دکتر ورانیک، برای قرار دادن مدل ارگانوئیدی در معرض نانومواد مبتنی بر کربن، روشی را برای دوز دقیق و ریز تزریق نانومواد به لومن ارگانوئید ابداع کرد. این قرار گرفتن در معرض واقعی اپیتلیوم ریوی آپیکال، بیرونی‌ترین لایه سلول‌های پوشاننده مجاری تنفسی در ریه‌ها را شبیه سازی کرد.

درک بهتر فعل و انفعالات نانومواد با بافت مدل

داده‌های تحقیقات حیوانی موجود نشان داده‌اند که نوعی از نانولوله‌های کربنی چند جداره بلند و سفت و سخت (MWCNT) می‌تواند اثرات نامطلوبی در ریه‌ها ایجاد کند که منجر به التهاب و فیبروز مداوم - یک نوع جدی اسکار غیرقابل برگشت در ریه - شود. با استفاده از همان نقاط پایانی بیولوژیکی، ارگانوئیدهای ریه انسان این تیم پاسخ بیولوژیکی مشابهی را نشان دادند که آنها را به عنوان ابزاری برای پیش‌بینی پاسخ‌های ناشی از نانومواد در بافت ریه تأیید می‌کند. ارگانوئیدهای انسانی درک بهتری از فعل و انفعالات نانومواد با بافت مدل را در سطح سلولی ممکن کردند،  زیرا در این مدل اکسید گرافن (GO)، شکل مسطح، نازک و انعطاف‌پذیر از نانومواد کربنی، به‌طور لحظه‌ای در ماده‌ای که توسط سیستم تنفسی به نام موسین ترشحی تولید می‌شود، به دام می‌افتد. در مقابل، MWCNT برهمکنش پایدارتری با سلول‌های آلوئولی ایجاد کرد، با ترشح موسین محدودتر و منجر به رشد بافت فیبری شد.

حدف نیاز به حیوانات در تحقیقات نانوسم شناسی

در یک پیشرفت بیشتر، دکتر عیسی و ورانیک مستقر در مرکز نانوتکنولوژی پزشکی دانشگاه، اکنون در حال توسعه و مطالعه یک ارگانوئید ریه انسانی هستند که شامل یک جزء سلول ایمنی یکپارچه نیز می‌شود. دکتر ورانیک گفت: "با تایید بیشتر، قرار گرفتن در معرض طولانی مدت و ترکیب یک جزء ایمنی، ارگانوئیدهای ریه انسان می‌توانند نیاز به حیوانات مورد استفاده در تحقیقات نانوسم شناسی را تا حد زیادی کاهش دهند.

ارگانوئیدها جایگزینی مناسب برای انسان و حیوان در تحقیقات

پروفسور کوستاس کوستارلوس، رئیس نانوپزشکی دانشگاه گفت: «آزمایش دوبعدی فعلی نانومواد با استفاده از مدل‌های کشت سلولی دوبعدی، درک درستی از اثرات سلولی ارائه می‌کند، اما آن‌ها به قدری ساده هستند که تنها می‌توانند تا حدی روش پیچیده ارتباط سلولی را به تصویر بکشند. مطمئناً پیچیدگی اپیتلیوم ریوی انسان را نشان نمی‌دهد و ممکن است پتانسیل سمی نانومواد را برای بهتر یا بدتر نشان دهد. اگرچه در آینده قابل پیش‌بینی همچنان به حیوانات در تحقیقات نیاز خواهد بود، اما ارگانوئیدهای سه بعدی یک چشم‌انداز هیجان‌انگیز در زمینه تحقیقاتی ما و به طور کلی در تحقیقات به عنوان جایگزینی برای انسان و حیوان هستند.

پایان مطلب/.