سلول‌های مصنوعی

احتمال دارد روزی رگ‌های ریزِ پیش ساخته وظیفه‌ی انتقال خون را به عهده بگیرند و داروها را با دقت و ایمنی فراوان به بافت‌ها برسانند. در سال 1957 میلادی توماس چنگ که دانشجوی سال آخر دوره‌ی لیسانس دانشگاه مک گیل کانادا بود در این اندیشه بود که چگونه می‌تواند طرح پژوهشی مناسبی بریزد تا علاقه‌ی روزافزونش را به پزشکی و فناوری زیستی نمایان سازد. پاسخش به این پرسش، هم ساده و هم بلند پروازانه بود: باید نخستین یاخته‌ی مصنوعی را بسازد. چنگ با استفاده از عطرپاشی ارزان، کمی نیترات سلولز و هموگلوبین، به منظور خود دست یافت و یاخته‌هایی ساخت با حدود یک میلیمتر قطر که حاوی هموگلوبین بسته بندی شده در غشایی پلاستیکی بودند. چنگ بعدها مدیر مرکز پژوهش یاخته‌ها و اعضای مصنوعی و استاد فیزیولوژی و پزشکی در همان دانشگاهی شد که از آن فارغ التحصیل شده بود. طرح پژوهشی که پایان نامه‌اش بود تبدیل شد به برنامه‌ای فعال در پژوهش زیستی و پزشکی که بیش از هفتاد گروه را در سراسر جهان به خود مشغول داشت. گرچه اکنون بررسی و کاربرد یاخته‌های مصنوعی مستلزم به کار گرفتن همه جانبه‌ی رشته‌های میکروب شناسی، شیمی و تکنولوژی زیستی است مفهوم آن به همان روشنی تصور اولیه‌ی چنگ است. او بیان داشت:«یاخته‌های مصنوعی اصولاً ساختارهای میکروسکوپی مصنوعی هستند که اندازه‌اشان تقریباً به اندازه‌ی یاخته‌های طبیعی است و پاره‌ای از کارکردهای زیستی یاخته‌های طبیعی را دارند. باید تأکید کنیم که قصد ما ساختنِ نمونه‌ی بدل یاخته‌های طبیعی نیست، بلکه می‌خواهیم یاخته‌هایی بسازیم که در پزشکی و تکنولوژی زیستی مورد استفاده قرار گیرد.»
از آن‌جا که یاخته‌ی مصنوعی باید پاره‌ای از فرایندهای زیستی یاخته‌ی طبیعی را تقلید کند ممکن است سرانجام برای جانشینی بخش‌هایی از یاخته‌ها و اعضای انسان بسیار مناسب باشد. مثلاً ممکن است یاخته‌های مصنوعی، روزی، انسولین برای مبتلایان به دیابت تولید کنند، جای خون انسان را بگیرند و نیاز به انتقال خون را مرتفع سازند، یا برای ساختن جگر و کلیه‌ی مصنوعی به کار روند. ولی منظور از ساختن آن‌ها هر چه باشد، مرحله‌ی بحرانی در تولید همه‌ی یاخته‌های مصنوعی ساختن غشای یاخته است به گونه‌ای که سمیّت نداشته باشد. در حال حاضر، پژوهشگران قادرند بیش از سی و پنج بسپار (پلیمر) و نیز چند نوع پروتئین بسازند. در سال 1961 میلادی، کشفی تصادفی، چربی‌ها را نیز به فهرست مواد ساختمانی غشاهای یاخته افزود. الک بنگم، از مؤسسه‌ی فیزیولوژی حیوانی در کمبریج، ضمن بررسیِ لخته شدن خون پی برد که اگر فسفولیپیدها – یعنی مولکول‌هایی که غشای یاخته‌ها را می‌سازند – را در آب قرار دهند گوی‌هایی به اندازه‌ی یاخته و پر از آب تشکیل می‌دهند که آن‌ها را لیپوزوم نامید. امکان درهم‌آمیختن و جور کردن مولکول‌های غشا، دست پژوهشگران را برای تغییر دادن ترکیب و درنتیجه کلفتی غشاهای یاخته‌های سفارشی باز می‌گذارد. با تنظیم کلفتی غشاها، می‌توان نفوذپذیری آن‌ها را نیز تنظیم کرد. بدین گونه، یاخته‌های مصنوعی می‌توانند انواع گوناگونی از رگ‌های ریز با نفوذناپذیری فراوان تا تقریباً نفوذناپذیر را دربرگیرند و رفع کننده‌ی نیازهای بسیاری شوند.
یاخته‌ی مصنوعی از لحاظ نظری می‌تواند محتوی هر چیزی باشد: اکسیژن، دارو، آنزیم، پادتن، شیره‌ی یاخته‌ای یا حتی خودِ یاخته. با وجود این تاکنون در کاربرد جاری پزشکی، گوی‌های کوچک تنها حامل زغال فعال شده بوده‌اند. زغال، سمِ خون افرادی را که دچار پاره‌ای مسمومیت‌های دارویی شده‌اند می‌زداید. این کار که هموپرفوزیون نام دارد نخست در سال 1960 در مرکز پژوهش یاخته‌ها و اعضای مصنوعی مک گیل انجام گرفت. پزشکان در این فرایند خون بیمار را از ستونی از یاخته‌های مصنوعی پر از زغال می‌گذرانند. با گذر خون از این ستون، غشای یاخته‌های مصنوعی که نفوذپذیریشان انتخابی است سم‌های خون را از خود عبور می‌دهند و به درون یاخته‌ها می‌کشند تا در آن‌جا جذب زغال شوند. درعین حال این غشاها جلوی فرار زغال و آلوده کردن خون را که تازه پالایش یافته می‌گیرند. در این فرایند، یاخته‌های مصنوعی نقش کلیه‌ی مصنوعی را ایفا می‌کنند. پس، از این یاخته‌ها می‌توان برای کمک به مبتلایان به نارسایی مزمن کلیه که باید به طور مرتب دیالیز شوند کمک گرفت. (دیالیز، روش جدا کردن ذره‌های با اندازه‌های متفاوت از درون مایع است. با گذراندن خون از غشای نیمه تراوایی که روزنه‌های آن برای گذشتن ذره‌های درشت مانند پروتئین، تنگ و برای گذشتن مواد محلول گشاد است، خون را تصفیه می‌کنند.)
به عقیده‌ی چنگ، با استفاده از غشای مصنوعی می‌توان خون را در دو سوم زمانی که برای انجام دیالیز لازم است تصفیه کرد. در حال حاضر پاره‌ای از بیمارستان‌های ایتالیا و ژاپن از این فرایند بهره برداری کرده‌اند تا زمان درمان دیالیز را از دوازده ساعت در هفته به هشت ساعت در هفته برسانند. اما برای این‌که کلیه‌ی آزمایشگاهی جایگزین واقعی دیالیز سنتی شود باید شیوه‌ای ابداع کرد که آب اضافی، نمک و اوره‌ی خون مبتلایان به نارسایی کلیه گرفته شود. برای این منظور، یاخته‌های مصنوعی پر شده با آنزیم‌ها تحت بررسی است و این توفیق حاصل شده است که در آزمایشگاه با استفاده از آنزیم‌ها، فراورده‌های زایدی مثل آمونیاک و اوره را تبدیل به اسیدهای آمینه‌ی ضروری – والین، لوسین و ایزولوسین – کنند (بدن نمی‌تواند اسیدهای آمینه‌ی ضروری را بسازد و باید آن‌ها را از خوراکی‌ها بگیرد). این دستگاه چند آنزیمی هم‌چنین نویدی است برای درمان بیماری‌های ناشی از کمبود آنزیم مانند فنیل کتونوری (این بیماری، درون زاد و مربوط به نقص در سوخت و ساز پروتئین‌هاست که باعث می‌شود مقدار اسید آمینه‌ی فنیل آلانین در خون افزایش یابد). قربانیان این بیماری ژنتیکی نمی‌توانند با اکسایش، فنیل آلانین را تبدیل به تیروزین کنند و اگر ابتلای نوزاد در بدو تولد تشخیص داده نشود و برنامه‌ی غذایی خاصی که دارای فنیل آلانین کمی باشد مقرر نگردد آسیب مغزی و عقب ماندگی شدید روانی پیش می‌آید.
چنگ و همکارش لویی بورژه، آزمایش‌هایی روی موش انجام داده‌اند که طلیعه‌ی روش درمانی تازه‌ای است. در آینده پژوهشگران می‌توانند یاخته‌های مصنوعی را با آنزیم‌های ضروری پر کنند و آن‌ها را به دستگاه گوارش مبتلایان به فنیل کتونوری وارد سازند. آنزیم‌های جانشین، پس از ورود به بدن خواهند توانست فنیل آلانین آسیب دیده را به خارج برانند. روشن است که تزریق یا پیوند یاخته‌های مصنوعی هدف بسیاری از پژوهشگران این رشته است. از لحاظ نظری، یاخته‌های مصنوعی که درواقع کپسول‌های ریزی هستند می‌توانند مواد را به جایی که به آن‌ها نیاز است برسانند بدون این‌که واکنش ایمنی بدن را برانگیزند ویا آسیبی به محتوای آن‌ها که اغلب بسیار ظریف است برسد. مثلاً یاخته‌های مصنوعی حامل یاخته‌های ترشح کننده‌ی انسولین خواهند توانست میلیون‌ها نفر از مبتلایان به دیابت را از ناراحتی و عوارض تزریق روزانه‌ی انسولین برهانند. انتونی سان، پژوهشگرسابق دانشگاه تورونتو و آزمایشگاه پژوهشی کانات، از سال 1968 میلادی درباره‌ی پیوند چنین یاخته‌هایی که انسولین ترشح کنند پژوهش می‌نمود و پس از سال‌ها برخورد با بن بست و موانع گمراه کننده توانست یاخته‌ها را در غشاهایی از پولی‌ساکارید آلگ‌های دریایی بسته بندی کند و با تزریق این شبهِ لوزالمعده‌ها به حفره‌ی شکمی موش‌های مبتلا به دیابت، میزان گلوکز خونشان را تا یک سال پس از تزریق تثبیت کند. امید این بوده است که اگر همه چیز طبق طرح پیش رود آزمایش بر روی انسان نیز شروع شود.

یاخته‌های مصنوعی چگونه ساخته می‌شوند؟

یاخته‌ی مصنوعی را می‌توان از سه راه اساسی ساخت: دو راه فیزیکی و یک راه شیمیایی. انتخاب شیوه‌ی ساخت بستگی به این دارد که یاخته‌ها را برای چه کاری می‌سازیم و می‌خواهیم در خود چه داشته باشند. پژوهشگران می‌توانند این سه فرایند را با دگرگونی‌هایی چنان اصلاح کنند تا با هر ماده‌ای برای ساختن غشای یاخته جور شوند. با روش‌های فیزیکی می‌توان هربار یک یاخته‌ی بزرگ با قطر یک میلیمتر یا میلیون‌ها یاخته‌ی کوچک با قطر هشت میکرومتر یا کم‌تر ساخت. (قطر گویچه‌ی سرخ خون انسان هفت میکرومتر است.) روش‌های فیزیکی ارزان‌تر از روش‌های شیمیایی هستند. در روش تک قطره، محتوای یاخته قطره قطره روی سطح محلول بسپاری (پلیمری) (به صورت لایه‌ای روی روغن پارافین) چکانده می‌شود. همراه با افتادنِ ریزقطره‌ها به درون محلول، غشایی دور آن‌ها تشکیل می‌شود. با هم زدن مخلوط، قطره‌های محفوظ در غشا به درون روغن می‌روند و سفت می‌شوند. سپس مایع آلی را که بسپار در آن حل شده است جدا می‌کنند و یاخته‌ی نوساخته را در محلول آبی کلرور سدیم معلق می‌سازند. برای تولید میلیون‌ها یاخته‌ی مصنوعی میکروسکوپی، روش قطره را کمی اصلاح کرده‌اند. به جای چکاندن یک قطره درون محلول بسپار و روغن، امولسیونی از قطره‌های ریز در مایعی روغنی درست می‌کنند. وقتی محلول بسپار به امولسیون افزوده شود قطره‌های ریز را می‌پوشاند. سرانجام یاخته‌ها را پاک می‌کنند و در محلولی آبی انبار می‌کنند. (امولسیون، مخلوط دو مایع نامحلول است که یکی در دیگری به صورت قطره‌های ریز پراکنده است.)
با روش شیمیایی نیز می‌توان یاخته‌های درشت و ریز ساخت. تفاوت در این است که یاخته‌هایی که از راه شیمیایی ساخته می‌شوند همه با هم دارای شباهت فراوانی هستند. این روش سریع‌تر است اما در آن احتمال آسیب دیدن محتوای یاخته که اغلب بسیار گران و ظریف است در فرایند تولید بسیار زیاد است. اگر یاخته‌ی مصنوعی از راه شیمیایی ساخته شود ماده‌ای محلول در آب مانند دیامین که از اجزای نایلون است به مایع روغنی و محتوای یاخته افزوده می‌شود و محلول، امولسیون می‌گردد. سپس یک ماده‌ی شیمیایی محلول در روغن مانند دیاسید را که آن نیز از اجزای نایلون است در حلال آلی حل می‌کنند و به مخلوط می‌افزایند. با برخورد دیامین و دیاسید، واکنشی شیمیایی، یعنی بسپار شدنِ رودررو، رخ می‌دهد و غشایی نایلونی دور محتوای یاخته تشکیل می‌شود. سپس حلال آلی را جدا می‌کنند و یاخته‌های پاک شده را درون محلول آبی می‌گذارند.

حامل و محافظی برای داروها

شش آزمایشگاه در آلمان غربی، ژاپن، ایالات متحده و کانادا معتقدند که راه حل موقت، هموگلوبین پیوندی است. با گره زدن شیمیایی مولکول‌های هموگلوبین یا پیوند بین آن‌ها، جلوی متلاشی شدن هموگلوبین را که خارج از یاخته‌ی سرخ خون پیش می‌آید می‌گیرند. پیوند هم‌چنین می‌تواند عوامل ضروری برای حمل اکسیژن و انیدرید کربنیک را زیاد کند. ولی باز هم باید گفت که هوش آدمیزاد به گَردِ پای طبیعت نیز نمی‌رسد. با وجود این‌که بررسی حیوان‌ها با موفقیت همراه بوده است و آزمایش‌های بالینی به زودی گسترده می‌شوند، هموگلوبین پیوندی هنوز کم‌تر از یاخته‌ی سرخ خون اکسیژن حمل می‌کند. ممکن است که راه حل مشکل اکسیژن در آینده‌ی دور، بسته بندی میکروسکوپی هموگلوبین باشد، یعنی قرار دادن هموگلوبین در یاخته‌ی مصنوعی. چند آزمایشگاه پی برده‌اند که لیپوزوم‌ها می‌توانند این ماده‌ی حیاتی (یعنی هموگلوبین) را به نحو مؤثر حمل کنند. مثلاً چنگ متوجه شد که لیپوزوم‌های حامل هموگلوبین از چهار تا بیست ساعت در جریان خون جوندگان باقی می‌مانند. او پی برد که حیوان‌ها حتی هنگامی که نود درصد خونشان با فراورده‌ی لیپوزومی عوض شده باشد زنده می‌مانند. گره‌ی کار، ساختن یاخته‌های مصنوعی خون است که آن‌قدر کوچک باشند که در دستگاه گردش خون انسان با ایمنی حرکت کنند و در عین حال چنان بزرگ باشند که مقدار کافی هموگلوبین حمل کنند. چنگ خوش‌بینانه معتقد بود که پژوهشگران سرانجام بر این مشکل‌ها غالب می‌شوند. پس چشم انداز یاخته‌های مصنوعی در دراز مدت چگونه است؟ آیا یاخته‌های مصنوعی همراه با فضانوردان به فضا پرواز خواهند کرد تا فضولات بدنشان را به اسیدهای آمینه و پروتئین‌های سودمند تبدیل کنند؟ آیا روبات‌های میکروسکوپی جراحی درون کپسول‌های میکروسکوپی به جاهایی از بدن که جراحان به آن دسترسی ندارند سفر خواهند کرد؟ آیا یاخته‌ها و عضوهای مصنوعی روزی بر همتاهای زیستی و طبیعی خود پیشی خواهند گرفت؟ با پیش‌رفت‌هایی که در این زمینه‌ها در حال صورت گرفتن است بعید نیست روزی این داستان علمی-تخیلی به واقعیتی علمی بدل شود.
منبع: راسخون