به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، یک تیم تحقیقاتی موفق به توسعه پلتفرمی شده است که قادر به تولید مقیاس‌پذیر و یکنواخت ارگانوئیدهایی است که عملکردهای بیولوژیکی اعضای انسانی را شبیه‌سازی می‌کنند. تحقیقات آن‌ها به‌تازگی در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

معرفی ساختار و اهمیت ارگانوئید

ارگانوئیدها ساختارهای سلولی سه‌بعدی هستند که عملکردهای اعضای انسانی را تقلید می‌کنند و در زمینه‌های توسعه اعضای انسانی، مدل‌سازی بیماری‌ها و تحقیق در پزشکی بازساختی توجه زیادی را جلب کرده‌اند. با این حال، عدم یکنواختی و تولید پایین ارگانوئیدها چالش‌هایی را در تولید مقیاس‌پذیر آن‌ها ایجاد می‌کند و کاربرد عملی آن‌ها در آزمایشات بالینی و فرآیندهای توسعه دارو را محدود می‌کند. علاوه بر این، فناوری‌های کنونی در تولید ارگانوئیدها در مقیاس بزرگ با محدودیت‌هایی مواجه هستند و قادر به تأمین نیازهای صنعتی نیستند. کاربرد ارگانوئیدها به دلیل کمبود روش‌های تولید ارگانوئیدهای کاملاً بالغ و یکنواخت در مقیاس وسیع محدود شده است. علیرغم پتانسیل بالای آن‌ها در مدل‌سازی بیماری‌ها، آزمون پاسخ‌های دارویی و مطالعه فرآیندهای تکاملی، تولید ارگانوئیدهایی که از نظر اندازه، ساختار و بلوغ یکنواخت باشند، همچنان چالش‌برانگیز است. دستیابی به تولید انبوه ارگانوئیدهایی که به‌طور دقیق با پیچیدگی بافت‌های انسانی مطابقت داشته باشند، نیازمند پیشرفت در شرایط کشت، بهینه‌سازی پروتکل‌های تمایز و توسعه تکنولوژی‌هایی برای فرآیندهای مقیاس‌بندی کارآمد و قابل تکرار است. تا زمانی که این موانع برطرف نشوند، کاربرد گسترده ارگانوئیدها در تحقیق و درمان ممکن است محدود باقی بماند. بنابراین ارگانوئیدها که از سلول‌های بنیادی انسانی به‌طور خودبه‌خود به ساختارهای چندسلولی پیچیده سازماندهی می‌شوند، پتانسیل بازسازی واحدهای ساختاری و عملکردی ارگان‌های مربوطه در بدن انسان را دارند. به همین دلیل، ارگانوئیدها به عنوان ابزارهای امیدوارکننده در مدل‌سازی اندام انسانی و بیماری‌ها، همچنین غربالگری مولکول‌های درمانی مطرح شده‌اند. علیرغم پیشرفت‌های چشمگیر در تولید ارگانوئیدهایی که پیچیدگی مشابه سیستم‌های فیزیولوژیکی درون‌تنی را دارند، پذیرش گسترده آن‌ها در تأیید کارآزمایی‌های بالینی و توسعه داروهای داروسازی هنوز محدود است. این محدودیت عمدتاً به دلیل تغییرات بالای مشاهده‌شده در مورفولوژی، عملکرد و کارایی تشکیل ارگانوئیدها است. چنین تغییرات قابل توجهی به‌ویژه در ارگانوئیدهایی که بدون محدودیت‌های فیزیکی تشکیل می‌شوند، مشاهده می‌شود. برای مثال، ارگانوئیدهایی که از طریق خودسازماندهی خودکار در هیدروژل‌های ماتریس خارج سلولی (ECM) مانند Matrigel یا Geltrex تولید می‌شوند، اغلب تغییرات قابل توجهی در اندازه، شکل و تمایز نشان می‌دهند. این پدیده ناشی از طبیعت غیرخطی و تعیین‌کننده ارگانوژنز و تشکیل ارگانوئید است، جایی که حتی انحرافات جزئی در شرایط اولیه می‌تواند منجر به تفاوت‌های قابل توجهی در مورفوژنز نهایی شود. این عدم سازگاری مقایسه‌های تجربی دقیق را پیچیده کرده و قابلیت اطمینان نتایج را به خطر می‌اندازد، و به این ترتیب چالش‌هایی را برای استانداردسازی آزمایش‌های مبتنی بر ارگانوئید ایجاد می‌کند.

کارآزمایی‌های بالینی

کارآزمایی‌های بالینی برای جمع‌آوری داده‌های ایمنی و اثربخشی برای داروها یا دستگاه‌های جدید انجام می‌شوند. این کارآزمایی‌ها تنها پس از جمع‌آوری اطلاعات کافی درباره کیفیت محصول و ایمنی غیر بالینی آن و دریافت تأیید از مقامات بهداشتی/کمیته اخلاقی در کشور محل انجام کارآزمایی امکان‌پذیر است. بسته به نوع محصول و مرحله توسعه آن، محققان ابتدا داوطلبان سالم و/یا بیماران را در مطالعات آزمایشی کوچک ثبت‌نام می‌کنند و سپس مطالعات گسترده‌تری را در بیماران انجام می‌دهند که اغلب داروی جدید را با درمان فعلی مقایسه می‌کنند. با جمع‌آوری داده‌های مثبت ایمنی و اثربخشی، معمولاً تعداد بیماران افزایش می‌یابد. کارآزمایی‌های بالینی می‌توانند از یک مرکز در یک کشور تا کارآزمایی‌های چندمرکزی در چندین کشور متفاوت باشند.

معرفی پلتفرم UniMat  برای کشت ارگانوئید یکنواخت و بالغ

برای رفع این چالش‌ها، تیم تحقیقاتی پلتفرمی به نام UniMat (پلتفرم کشت ارگانوئید یکنواخت و بالغ) توسعه داده است که امکان تولید مقیاس‌پذیر ارگانوئیدهای بالغ را فراهم می‌کند. این پلتفرم از یک غشاء سه‌بعدی مهندسی‌شده که از نانوفیبرهای بسیار ظریف ساخته شده است، استفاده می‌کند (قطر این نانوفیبرها حدود ۱/۲۰۰ عرض موی انسان است)، که محیط ساختاری مناسبی را برای شکل‌گیری یکنواخت ارگانوئیدها فراهم می‌آورد و همچنین با افزایش نفوذپذیری مواد، امکان تأمین بهتر مواد مغذی و فاکتورهای تمایزی را فراهم می‌آورد، که برای تمایز و بلوغ ارگانوئیدها بسیار حیاتی است. با استفاده از UniMat، تیم تحقیقاتی موفق به تولید ارگانوئیدهای کلیوی با ساختارهای نفرون و رگ‌های خونی مشابه آنچه در کلیه‌های انسانی وجود دارد، از سلول‌های بنیادی القا شده انسانی (iPSCs) شد، که باعث رسیدن به کیفیت ثابت و بهبود چشمگیر کارایی تولید گردید. علاوه بر این، آن‌ها از UniMat برای ایجاد مدل بیماری کلیه پلی‌کیستیک استفاده کردند که پتانسیل مدل‌سازی استاندارد بیماری‌ها و ارزیابی دارویی مبتنی بر ارگانوئیدها را نشان می‌دهد. در واقع این نرم افزار به‌طور خاص طراحی شده است تا نه تنها رشد یکنواخت ارگانوئیدها را تضمین کند، بلکه عرضه نامحدود فاکتورهای محلول را از طریق یک پلتفرم غشای قابل نفوذ با طراحی هندسی سه‌بعدی تسهیل کند. با استفاده از UniMat، ما نسل‌زایی مقیاس‌پذیر ارگانوئیدهای کلیوی را با یکنواختی بهبود یافته در هر دو جنبه ساختاری و عملکردی نسبت به روش‌های متداول نشان می‌دهیم. به‌ویژه، ارگانوئیدهای کلیوی در UniMat بلوغ بهبود یافته‌ای نشان می‌دهند، به‌طوری‌که افزایش بیان ترانسکریپت‌های نفرون، تعادل بهتر انواع سلولی مشابه درون‌تنی، عروق‌سازی بیشتر و پایداری بلندمدت بهبود یافته را نشان می‌دهند. علاوه بر این، طراحی UniMat مدل ارگانوئید استانداردتری برای مدل‌سازی بیماری و آزمایش دارو ارائه می‌دهد، همانطور که در مدل‌سازی بیماری کلیه پلی‌کیستیک و آسیب حاد کلیه نشان داده شده است. به طور کلی، UniMat یک پلتفرم ارزشمند برای فناوری ارگانوئیدها ارائه می‌دهد که کاربردهای بالقوه‌ای در توسعه ارگان، مدل‌سازی بیماری و غربالگری دارویی دارد.

اهمیت این مطالعه

این تحقیق تحت رهبری پروفسور دونگ سانگ کیم و پژوهشگر دوهوئی کیم از بخش مهندسی مکانیک دانشگاه POSTECH (دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ) انجام شده است، و در همکاری با پروفسور تائه‌اون پارک و پژوهشگر هیونجی لیِم از بخش مهندسی بیومدیکال دانشگاه UNIST (دانشگاه ملی علم و فناوری اولسان) صورت گرفته است. پروفسور کیم از POSTECH که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، اهمیت این مطالعه را چنین توضیح داد: "با این نتایج تحقیقاتی، نه تنها به شتاب‌دهی به تحقیقات مبتنی بر ارگانوئید که نیاز به تولیدپذیری و قابلیت اطمینان بالا دارند کمک می‌کنیم، بلکه انتظار داریم که سهم عمده‌ای در توسعه روش‌های آزمایش جایگزین حیوانی که در حال جلب توجه بیشتر هستند، داشته باشیم." با رفع چالش‌های تضمین کیفیت و تولید مقیاس‌پذیر ارگانوئیدها با استفاده از UniMat، ما پایه‌گذار استفاده عملی از ارگانوئیدها در صنایع بالینی و دارویی را فراهم کرده‌ایم."

پایان مطلب/.