آزمایش‌های درمانی بر روی حیوانات انسانی شده و زیست شناسی مصنوعی

تصویر: خوک‌هایی با سیستم ایمنی انسانی
 
سازمان غذا و داروی آمریکا قبل از تأیید داروهای جدید و مصرف آن‌ها توسط مردم، ابتدا همه‌ی این داروهای جدید را در حیوانات تست و آزمایش می‌کند. در تحقیقات پزشکی خوک‌ها از نظر آزمایشگاهی بهتر از موش‌ها هستند زیرا از نظر اندازه، فیزیولوژی و ترکیب و ساختار ژنتیکی به انسان نزدیک‌ترند.
 
در سال‌های اخیر، تیمی از محققان در دانشگاه ایالتی آیووا در آمریکا موفق به تولید خوک‌هایی شده‌اند که نسبت به سایر خوک‌های دستکاری نشده، شباهت بیشتری به انسان دارند و این خوک‌ها در آزمایشات پزشکی جایگزین بهتری برای انسان نسبت به مدل‌های قبلی هستند. آن‌ها توانستند اجزای سیستم ایمنی بدن انسان را به خوک‌های فاقد سیستم ایمنی فعال انتقال دهند. این موفقیت و دستاورد بزرگ محققان می‌تواند به تحقیقات پزشکی در بسیاری زمینه‌ها مانند ویروس‌ها، واکسن‌ها و همچنین داروهای درمان سرطان و درمان‌هایی که بر پایه‌ی سلول‌های بنیادین است، کمک نماید و روند این تحقیقات را سرعت بخشد.
 در عرض دو و نیم هفته  کبدهای آزمایشگاهی می‌توانند تکامل پیدا کنند و شبکه‌ای فعال و کاربردی از رگ‌های خونی تولید کنند.

مدل‌های زیست پزشکی موجود و در دسترس

نقص ایمنی ترکیبی شدید با نام SCID، نوعی بیماری ژنتیکی است که سبب اختلال در سیستم ایمنی بدن فرد می‌گردد. این بیماری می‌تواند انسان‌ها و همچنین حیواناتی مانند موش‌ها را مبتلا سازد. همان طور که در فیلم "پسری در حباب پلاستیکی" ساخته‌ی سال 1976 فرد مبتلا به این بیماری نشان داده شد.
 
پژوهشگران در دهه‌ی 1980 به این نتیجه رسیدند که می‌توان با استفاده از سلول‌های ایمنی بدن انسان و انتقال آن به موش‌ها، موش‌های بیمار مبتلا به SCID تولید کرد. به موش‌هایی که به این شکل دستکاری می‌شوند، موش‌های انسانی گفته می‌شود و در 30 سال گذشته محققان با تولید بالای این موش‌ها به مطالعه‌ در مورد بسیاری از مسائل مربوط به سلامتی انسان، پرداخته‌اند.
   
تصویر: موش‌ها مدل‌های ارزشمندی برای استفاده در آزمایشات هستند، اما محدودیت‌هایی نیز دارند.
 
بیشترین حیوانات مورد استفاده در تحقیقات زیست پزشکی، موش‌ها می‌باشند. اما نتایج به دست آمده از این تحقیقات را نمی‌توان به خوبی برای انسان‌ها به کار برد زیرا این حیوانات از نظر متابولیسم، اندازه و تنوع عملکردهای سلولی با انسان تفاوت دارند.
 آن‌ها برای اصلاح ژن‌هایی که سلول‌های بنیادین برای تکامل و تبدیل به کبد بالغ نیاز دارند، از مهندسی ژنتیک استفاده می‌کنند.پستانداران نخستی مانند میمون‌ها نیز در تحقیقات پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و مطمئناً این جانوران جایگزین خوبی برای انسان در پژوهش‌ها هستند. اما استفاده از آن‌ها در تحقیقات و آزمایش بر روی آن‌ها، از نظر اخلاقی با ملاحظاتی بسیاری رو به رو است. به دلیل نگرانی‌ها و ملاحظات اخلاقی فراوان، مؤسسه‌ی ملی بهداشت در سال 2013، بیشتر شامپانزه‌های خود را از تحقیقات زیست پزشکی خارج کرد.
 

تحقیقات پزشکی نیاز به مدل‌های حیوانی جایگزین دارند

خوک‌ها و گرازها شباهت زیادی با انسان دارند و از این رو گزینه‌ی مناسبی برای تحقیقات پزشکی هستند. با استفاده‌ی گسترده‌ی تجاری که از این حیوانات صورت می‌گیرد، استفاده از این حیوانات در آزمایشات نسبت به پستانداران نخستی با ملاحظات و معضلات اخلاقی کمتری همراه است. سالیانه بیش از 100 میلیون گراز برای تأمین غذا در آمریکا کشته می‌شوند.
 

تولید خوک‌های انسانی

در سال 2012، گروه‌های مختلفی از محققان از دانشگاه ایالتی آیووا و همچنین پژوهشگران دانشگاه ایالتی کانزاس، از جمله جک دکرز متخصص ژنتیک و پرورش حیوانات و ریموند رولند متخصص بیماری‌های حیوانات به طور اتفاقی نوعی جهش ژنتیکی در خوک‌ها کشف کردند. این جهش خود به خود رخ می‌دهد و عامل بیماری SCID یا نقص ایمنی ترکیبی شدید است. این کشف آن‌ها را به فکر تولید خوک‌های مبتلا به SCID به عنوان مدل جدید زیست پزشکی برای استفاده در تحقیقات انداخت.
 
این محققان نزدیک به یک دهه بر روی تولید خوک‌های مبتلا به نقص ایمنی شدید برای استفاده در تحقیقات زیست پزشکی کار کردند. در سال 2018، جیسون راس فیزیولوژیست حیوانات و همکارانش توانستند به موفقیت دیگری دست یابند. آن‌ها نوعی خوک با نقص ایمنی بیشتر و شدیدتر نسبت به خوک مبتلا به SCID تولید کردند. آن‌ها موفق شدند سلول‌های بنیادین ایمنی انسان را در آزمایشگاه کشت دهند و سپس این سلول‌ها را به کبد بچه خوک‌های در حال رشد منتقل کنند.
 
در مراحل اولیه‌ی رشد جنین خوک، سلول‌های ایمنی در کبد تکثیر می‌شوند و به این ترتیب تعداد سلول‌های انسانی در بدن خوک افزایش می‌یابد. محققان برای تزریق سلول‌های بنیادین انسان از تصویربرداری استفاده کردند و  با کمک سونوگرافی، محل کبد را در جنین خوک تشخیص دادند. با رشد جنین خوک، سلول‌های بنیادین انسانی تزریق شده به آن شروع به رشد و تمایز می‌کنند و یا به سلول‌های دیگری تبدیل می‌شوند و در تمام بدن خوک پخش می‌گردند. هنگامی که بچه خوک‌های مبتلا به SCID  یا نقص ایمنی شدید متولد می‌شوند، می‌توانیم سلول‌های ایمنی انسانی را در خون، کبد، طحال و غده‌ی تیموس آن‌ها شناسایی کنیم. حیواناتی که به این روش دارای سلول‌های انسانی می‌گردند، برای آزمایش روش‌های درمانی جدید بسیار ارزشمند هستند.
 
طبق یافته‌ی محققان، سلول‌های مربوط به تومورهای تخمدان انسانی در خوک‌های مبتلا به نقص ایمنی شدید SCID، زنده مانده و رشد می‌کنند و به این طریق فرصت خوبی برای پژوهشگران است تا به مطالعه‌ی سرطان تخمدان به روشی نوین بپردازند. به همین ترتیب، سلول‌های پوست انسان نیز در این خوک‌ها زنده می‌مانند و دانشمندان قادر خواهند بود تا برای سوختگی پوست درمان‌های جدیدی کشف کنند. از این حیوانات برای تحقیقات بسیار زیادی می‌توان استفاده کرد.
 هدف تبدیل سلول‌های بنیادین به اندام‌های کوچکی است که دارای رگ‌های خونی و انواع سلول‌های بالغ که در یک اندام طبیعی یافت می‌شود، باشد.  
تصویر: نگهداری خوک‌های مبتلا به نقص ایمنی شدید در محیطی فوق العاده تمیز و با استفاده از امکانات پیشگیری از بیماری
 
خوک‌هایی که به این روش تولید می‌شوند، اجزای اصلی سیستم ایمنی بدن خود را ندارند و از این رو نسبت به عفونت بسیار حساس هستند و محل نگهداری آن‌ها باید به گونه‌ای باشد که تماس آن‌ها با عوامل بیماری‌زا  به حداقل برسد.
 
خوک‌های مبتلا به نقص ایمنی شدید در محفظه‌های حبابی شکل مجهز به امکانات پیشگیری از بیماری‌ها پرورش می‌یابند. این محفظه‌ها اتاق‌هایی با فشار مثبت نسبت به محیط اطراف هستند، که آب و هوای آن‌ها به شدت فیلتر شده است و از ورود عوامل بیماری‌زا جلوگیری می‌کنند. تمام کارکنان ملزم به استفاده از تجهیزات کامل حفاظت شخصی هستند. در هر بازه‌ی زمانی بین دو تا پانزده خوک مبتلا به SCID و در حال جفتگیری وجود دارد. حیوانات پرورشی مبتلا به نقص ایمنی شدید نیستند اما آن‌ها ناقل ژنتیکی این جهش به شمار می‌آیند، بنا بر این فرزندان این خوک‌ها ممکن است مبتلا به نقص ایمنی شدید باشند.
 محققان موفق به پیشرفت در زمینه‌ی تولید اندام‌های آزمایشگاهی شده‌اند.تمام تحقیقاتی که بر روی حیوانات انجام می‌شود دارای ملاحظات اخلاقی هستند که همیشه در اولویت قرار دارند. در این تحقیق، تمام پروتکل‌ها و دستور العمل‌ها توسط کمیته‌ی مراقبت و نهاد استفاده از حیوانات دانشگاه ایالتی آیووا تأیید شده است و مطابق با قوانین مؤسسه‌ی ملی بهداشت برای مراقبت و استفاده از حیوانات آزمایشگاهی است.
 
در این پژوهش روزی دو بار وضعیت خوک‌ها توسط افراد متخصص که مسئول مراقبت از آن‌ها هستند، بررسی می‌گردد و برای زاد و ولد انتخاب می‌شوند. همچنین دام پزشکان نیز همیشه در دسترس هستند و مشارکت دارند. در صورت بیمار شدن هر یک از خوک‌ها، در صورتی که درمان‌هایی دارویی و آنتی بیوتیکی برای حیوان بیمار مؤثر نباشند و وضعیت آن‌ بهتر نشود، برای نجات خوک بیمار از درد، حیوان به صورت آرام و طبیعی با استفاده از دارو می‌میرد، مشابه روشی که در بعضی کشورها برای افراد مبتلا به بیماری‌های لاعلاج و با درخواست خود آن‌ها انجام می‌گیرد.
 
محققان در نظر دارند تا تولید و پرورش خوک‌های انسانی مبتلا به SCID یا نقص ایمنی شدید را ادامه دهند و به این ترتیب در آینده برای آزمایش بر روی سلول‌های بنیادین و همچنین تحقیقات در سایر زمینه‌ها از جمله سرطان، به اندازه‌ی کافی مدل حیوانی شبیه به انسان در دسترس داشته باشد. آن‌ها امیدوارند که توسعه‌ و پروش مدل خوک مبتلا به نقص ایمنی شدید، زمینه‌ای برای پیشرفت در آزمایش‌های درمانی باشد و در بلند مدت بتوانند به نتایجی برای بهبود حال بیماران دست یابند.
 

 استفاده از مهندسی ژنتیک و سلول های بنیادی

 
تصویر: مقطعی از بافت کبد انسانی رشد یافته در آزمایشگاه. رنگ سبز شبکه‌ای از رگ‌های خونی را نشان می‌دهد.
 
خلاصه‌ای از تحقیق جدید دانشمندان:
* دانشمندان توانسته‌اند به موفقیت‌هایی در زمینه‌ی رشد و تکثیر سلول‌های کبد انسان در آزمایشگاه دست یابند.
* چالش آن‌ها تبدیل سلول‌های بنیادین به اندامی بالغ و کارآمد بوده است.
* تحقیقات دانشمندان نشان می‌دهد که با استفاده از مهندسی ژنتیک می‌توان سلول‌های بنیادین را از بافتی نابالغ به بافتی تکامل یافته تبدیل کرد.
* موش‌های بیمار مبتلا به بیماری کبد پس از پیوند اندامک کبدی که در آزمایشگاه تولید شده بود، طول عمر طولانی‌تری پیدا کردند.
 حیواناتی که به این روش دارای سلول‌های انسانی می‌گردند، برای آزمایش روش‌های درمانی جدید بسیار ارزشمند هستند.سلول‌های بنیادین قادر به رشد، تمایز و تبدیل به انواع سلول‌های بدن هستند، حالا تصور کنید پژوهشگران بتوانند این سلول‌ها را برنامه ریزی کنند و موفق به تولید یک اندام کامل انسانی گردند. اگر آن‌ها به چنین موفقیتی دست یابند، می‌توانند از این بافت‌های انسانی برای آزمایش داروها استفاده کنند و حتی با رشد اندام‌های جدید که مستقیماً از سلول‌های بنیادین خود بیمار به دست می‌آید، تقاضا برای پیوند اعضای بدن نیز کاهش می‌یابد.
 
زیست شناسی مصنوعی رشته‌ای جدید است که شامل تولید قطعات بیولوژیک جدید و طراحی مجدد سیستم‌های بیولوژیکی موجود است. در پژوهشی جدید، محققان موفق به پیشرفت در زمینه‌ی تولید اندام‌های آزمایشگاهی شده‌اند. ساخت کبد انسان در آزمایشگاه نیاز به انواع مختلفی از سلول‌های بالغ دارد و آن‌ها توانسته‌اند ژن‌های مورد نیاز برای تولید این سلول‌ها را کشف کنند.
 
سلول‌های القایی با توان بالا یا پر توان، گروهی از سلول‌های بنیادین می‌باشند که سلول‌های به دست آمده از آن، قادر به تولید تمام اعضای بدن انسان هستند. اما این سلول‌ها تنها در صورتی کار خود را به خوبی انجام می‌دهند که پیام رشد را به مقدار کافی و صحیح از محیط اطراف خود دریافت کنند. اگر این اتفاق بیفتد، در نهایت انواع مختلفی از سلول‌ها تولید می‌شوند که می‌توانند تکامل یابند و در کنار هم بافت‌ها و اندام‌های مختلف بدن انسان را تشکیل دهند.
 
بافت‌هایی که محققان به این روش از سلول‌های بنیادین پر توان تولید می‌کنند، منبعی منحصر به فرد و عالی برای آزمایش داروهای مختلف و کشف داروهای جدید است و همچنین می‌توان از آن‌ها در پیوند اعضا استفاده کرد.
 
اما متأسفانه بافت‌های مصنوعی به دست آمده از سلول‌های بنیادین همیشه برای پیوند یا تست داروها مناسب نیستند زیرا این بافت‌ها حاوی سلول‌هایی از سایر بافت‌ها هستند و خالص نیستند، همچنین دارای بلوغ بافتی و شبکه‌ی کاملی از عروق خونی لازم برای حمل اکسیژن و مواد مغذی مورد نیاز برای رشد و پرورش اندام مورد نظر نمی‌باشند. به همین دلیل خیلی مهم است که بستر و الگویی برای ارزیابی کار این سلول‌ها و بافت‌های آزمایشگاهی وجود داشته باشد و طبق آن بتوان بافت‌هایی با شباهت بیشتر به اعضای بدن انسان تولید کرد.
 
محققان به دنبال نوعی روش مصنوعی زیستی  برای طراحی و برنامه ریزی رشد و تکثیر بافتی هستند. برای این کار آن‌ها از زبان ژنتیکی سلول‌های بنیادین استفاده می‌کنند، این همان زبانی است که طبیعت برای تشکیل اندام‌های انسانی از آن استفاده می‌کند.
 

بافت‌ها و اندام‌هایی که با استفاده از طرح‌های ژنتیکی ساخته شده‌اند

متخصصان در زمینه‌ی زیست شناسی مصنوعی و مهندسی بیولوژیک در مرکز تحقیقات کبدی پیتسبورگ و مؤسسه‌ی پزشکی ترمیمی مک گوان، از روش‌های مهندسی برای تجزیه و تحلیل و ساخت سیستم‌های زیستی جدید استفاده می‌کنند و در پی حل مشکلات سلامتی انسان هستند. آزمایشگاه آن‌ها ترکیبی از زیست شناسی مصنوعی و پزشکی ترمیمی به روشی جدید است که برای جایگزینی، رشد مجدد یا ترمیم اندام‌ها یا بافت‌های بیمار تلاش می‌کند.
 
به دلیل اهمیت کبد به عنوان اندامی حیاتی برای کنترل سطح مواد شیمیایی مانند پروتئین‌ها یا قند در خون، محققان در حال پژوهش برای تولید و پرورش کبد جدید انسانی در آزمایشگاه هستند. کبد همچنین مواد شیمیایی مضر را تجزیه می‌کند و بسیاری از داروها در این اندام متابولیزه می‌شوند. اما بافت کبد آسیب پذیر است و در اثر بسیاری از بیماری‌ها مانند هپاتیت یا کبد چرب آسیب دیده و از بین می‌رود. به دلیل کمبود اعضای اهدا کننده، پیوند کبد به صورت محدود انجام می‌شود.  
یک راه برای تنظیم بلوغ و تکامل بافت‌های مصنوعی تعیین لیست ژن‌هایی است که در القای رشد و بلوغ در سلول‌های بنیادین و تبدیل آن‌ها به اندامی تکامل یافته و کاربردی، نقش دارند. برای تهیه‌ی این لیست، آن‌ها ابتدا به تجزیه و تحلیل محاسباتی برای شناسایی ژن‌های مسئول تبدیل گروهی از سلول‌های بنیادین به کبدی با عملکرد تکامل یافته، پرداختند. سپس تیم محققان از مهندسی ژنتیک برای تغییر ژن‌های مخصوصی که شناسایی کرده بودند، استفاده کردند و به این ترتیب توانستند از سلول‌های بنیادین بافت‌های کبدی انسانی تکامل یافته تولید کنند.
 
این بافت آزمایشگاهی از یک لایه سلول‌های بنیادین در ظرف آزمایشگاه تشکیل شده که با استفاده از مهندسی ژنتیکی دستکاری شده‌‌ است. برنامه‌های ژنتیکی به همراه مواد مغذی طوری عمل می‌کنند که تشکیل اندامک‌های کبدی در طی 15 تا 17 روز انجام می‌شود.
 

کبد در ظرف آزمایشگاه

 
تصویر: این سه تصویر، از چپ به راست ترتیب رشد بافت کبدی در ظرفی حاوی ژل غنی از مواد مغذی در طی حدود 15 روز را نشان می‌دهد. با تکامل آن، بافت جمع می‌شود، خود را به بخش‌های مختلف تقسیم می‌کند و منقبض می‌گردد. سپس این اندامک‌های کبدی به موش‌های مبتلا به بیماری کبد پیوند زده می‌شوند.
 
برای این کار محققان ابتدا با استفاده از تجزیه و تحلیل محاسباتی  ژن‌های فعال موجود در اندامک‌های کبدی جنینی رشد یافته در آزمایشگاه را با ژن‌های موجود در کبد انسان بالغ مقایسه کردند تا لیستی از ژن‌های مورد نیاز برای تکامل و تبدیل اندامک‌های کبدی جنین به اندام‌های بالغ و تکامل یافته تهیه کنند.
 
سپس آن‌ها برای اصلاح ژن‌هایی که سلول‌های بنیادین برای تکامل و تبدیل به کبد بالغ نیاز دارند، از مهندسی ژنتیک استفاده می‌کنند. پس از 17 روز با استفاده از سلول‌هایی که معمولاً در کبد انسان در سه ماهه‌ی سوم بار داری یافت می‌شود، اندامک‌های کوچک کبدی با عرض چند میلی متر تولید می‌گردد.
 
کبدهای مصنوعی مانند کبد انسان بالغ قادر به ذخیره‌، تولید و متابولیسم مواد مغذی هستند. اگر چه کبدهای آزمایشگاهی کوچک هستند، اما محققان امیدوارند در آینده بتوانند اندامک‌هایی با سایز بزرگ‌تر تولید کنند. در حالی که این اندام‌ها شباهت زیادی با کبد انسان بالغ دارند، اما هنوز کامل نیستند و محققان باید به تحقیقات خود ادامه دهند. برای مثال، ظرفیت کبدهای آزمایشگاهی برای متابولیسم انواع داروها هنوز بالا نیست و باید زیاد شود. همچنین ایمنی و کارآمدی این اندام‌ها برای استفاده‌ی نهایی درانسان بایستی افزایش یاید.
 خوک‌ها و گرازها شباهت زیادی با انسان دارند و از این رو گزینه‌ی مناسبی برای تحقیقات پزشکی هستند.تحقیقات دانشمندان نشان داده است که در عرض دو و نیم هفته  کبدهای آزمایشگاهی می‌توانند تکامل پیدا کنند و شبکه‌ای فعال و کاربردی از رگ‌های خونی تولید کنند. آن‌ها معتقدند که با استفاده از این روش و از طریق برنامه ریزی ژنتیکی می‌توانند اندام‌های دیگر به جز کبد به همراه شبکه‌های عروقی آن‌ها در آزمایشگاه تولید کنند.
 
اندامک‌های کبدی دارای ویژگی‌های اصلی کبد در انسان بالغ هستند به عنوان مثال می‌توانند تولید پروتئین‌های اصلی خون و صفرا (ماده‌ی شیمیایی مهم برای هضم غذا) را تنظیم کنند.
 
طبق یافته‌های محققان پیوند بافت کبدی آزمایشگاهی به موش‌هایی که مبتلا به بیماری کبدی بودند، باعث افزایش طول عمر این موش‌ها می‌گردد. آن‌ها اندام‌های تولیدی را "اندامک‌های طراحی شده" نامیدند زیرا با استفاده از طرح ژنتیکی تولید می‌شوند.
 
منبع: کریستوفر تاگل، آدِلین بوچر، Iowa State University، مُ. ابراهیم خانی، University of Pittsburgh