بیماری‌های کبدی از جمله معضلات بزرگ سلامت عمومی در جهان هستند که سالانه میلیون‌ها نفر را تحت تأثیر قرار می‌دهند. یکی از عملکردهای حیاتی کبد، تولید و دفع صفرا است؛ مایعی که به هضم چربی‌ها کمک می‌کند و مواد زائد را از بدن دفع می‌نماید. اختلال در جریان صفرا، که به آن «کلستاز» گفته می‌شود، می‌تواند به آسیب جدی کبد و حتی نارسایی کامل این عضو منجر شود. علی‌رغم پیشرفت‌های چشمگیر در پزشکی، هنوز بسیاری از مکانیسم‌های دقیق بیماری‌های صفراوی به‌درستی شناخته نشده‌اند و درمان‌های مؤثری برای آنها وجود ندارد. یکی از دلایل اصلی این کمبود دانش، نبود مدل‌های آزمایشگاهی مناسبی است که بتوانند ساختار پیچیده و عملکرد جریان صفرا در کبد انسان را به‌طور واقع‌گرایانه شبیه‌سازی کنند.

مدل‌های سنتی آزمایشگاهی اغلب شامل کشت سلول‌های کبدی به‌صورت تخت و دوبعدی هستند که توانایی بازسازی قطبیت سلولی و ارتباطات سه‌بعدی بین سلول‌ها را ندارند. از سوی دیگر، مدل‌های حیوانی نیز با وجود جامعیت، تفاوت‌های گونه‌ای قابل توجهی با انسان دارند و نمی‌توانند پاسخ‌های دقیق به داروها یا مکانیسم‌های ویژه بیماری‌های انسانی را نشان دهند. این شکاف بزرگ، محققان را بر آن داشت تا با استفاده از ابزارهای نوین مهندسی بافت و زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی، به دنبال ساخت مدلی از بافت کبد باشند که هم ساختار و هم عملکرد مجاری صفراوی را در یک محیط سه‌بعدی و کاملاً انسانی بازتولید کند. هدف نهایی، خلق یک سکوی آزمایشگاهی بود که بتواند فرآیندهای پیچیده تولید، حمل و دفع صفرا را به‌صورت پویا و قابل اندازه‌گیری به نمایش بگذارد.

در این پژوهش، محققان با استفاده از سلول‌های اولیه کبد انسان که از بافت‌های اهدایی تهیه شده بودند، و همچنین سلول‌های مجاری صفراوی که با فناوری نوین ارگانوئید (ساختارهای سه‌بعدی شبیه به عضو) تکثیر و پرورش داده شدند، گام‌های اساسی برداشتند. ارگانوئیدهای کلانژیوسیتی (که از سلول‌های پوشاننده مجاری صفراوی ساخته شدند) ابتدا در محیط کشت سه‌بعدی حاوی ماتریکس خارج سلولی رشد کردند. سپس، این سلول‌ها به همراه سلول‌های اصلی کبد (هپاتوسیت‌ها) و سلول‌های فیبروبلاستی که نقش داربست و حمایت را ایفا می‌کردند، در قالب یک روش کارآمد و مقیاس‌پذیر به نام «اگریول» (AggreWell) با یکدیگر ترکیب شدند. این روش امکان تولید همزمان تعداد زیادی از ریزساختارهای کروی به نام «اسفروئید» را فراهم می‌آورد که هر یک می‌توانستند به‌عنوان یک واحد عملکردی کوچک از کبد عمل کنند.

نتیجه این هم‌آوری سلولی، تشکیل اسفروئیدهای سه‌جزئی بود که در آنها هپاتوسیت‌ها و کلانژیوسیت‌ها به‌طور خودکار از یکدیگر تفکیک شده و آرایش فضایی مشخصی پیدا کردند. سلول‌های کبدی در بخش‌هایی از اسفروئید تجمع یافتند و با ایجاد قطبیت سلولی، کانالیکول‌های صفراوی (ریزترین مجاری صفراوی بین سلولی) را تشکیل دادند. در همین حال، سلول‌های مجاری صفراوی نیز ساختارهای لوله‌ای کوچکی ایجاد کردند که به‌طور مستقیم به این کانالیکول‌ها متصل شدند. این اتصال فیزیکی و عملکردی، دقیقاً همان چیزی است که در کبد طبیعی انسان و در ناحیه باریک و حیاتی به نام «مجرای هرینگ» (Canals of Hering) مشاهده می‌شود؛ جایی که صفرا از سلول‌های کبدی به شبکه مجاری صفراوی تخلیه می‌گردد. این موفقیت، برای اولین بار نشان داد که می‌توان این ارتباط پیچیده و ظریف را در خارج از بدن و با استفاده از سلول‌های بالغ انسانی بازسازی کرد.

برای اثبات عملکرد این اتصال بازسازی‌شده، از یک روش تصویربرداری هوشمند استفاده شد. محققان یک ماده شیمیایی فلورسنت به نام «کولیل-لیزیل فلورسین» (CLF) را که به‌طور ویژه توسط سلول‌های کبدی جذب و به داخل مجاری ترشح می‌شود، به محیط کشت اسفروئیدها اضافه کردند. با استفاده از میکروسکوپ هم‌کانون و تحلیل تصاویر با کمک هوش مصنوعی، مسیر حرکت این ماده در طول زمان ردیابی شد. نتایج به‌وضوح نشان داد که ماده فلورسنت ابتدا در کانالیکول‌های صفراوی تجمع می‌یابد و سپس به‌آرامی به سمت ساختارهای لوله‌ای مجاری صفراوی حرکت کرده و در آنها انباشته می‌شود. این آزمایش پویا، عملکرد جریان صفرا را در این مدل به‌صورت کمی و کیفی تأیید کرد. همچنین تحلیل‌های بیوشیمیایی نشان داد که این اسفروئیدها علاوه بر حمل صفرا، خود نیز اسیدهای صفراوی تولید کرده و آلبومین (یک پروتئین حیاتی ساخته شده توسط کبد) را ترشح می‌کنند که گواهی بر بلوغ و عملکرد کامل سلول‌های کبدی در این سامانه است.

پس از اثبات کارآیی مدل در حالت سالم، گام بعدی استفاده از آن برای شبیه‌سازی یک بیماری بالینی مهم بود. یکی از عوارض شایع و جدی پس از پیوند کبد، آسیب به مجاری صفراوی ناشی از کم‌خونی و سپس احیای مجدد جریان خون (ایسکمی-ریپرفیوژن) است. این عارضه که «کلانژیوپاتی ایسکمیک» نام دارد، عامل اصلی از کار افتادن عضو پیوندی در بلندمدت است و درمان مؤثری جز پیوند مجدد ندارد. برای شبیه‌سازی این وضعیت، اسفروئیدهای سه‌جزئی به مدت ۶ ساعت در معرض محیطی با اکسیژن بسیار پایین (۲ درصد) قرار گرفتند و سپس به محیط طبیعی با اکسیژن ۲۱ درصد بازگردانده شدند. این روند، دقیقاً شرایطی را که یک کبد اهدایی در حین انتقال و پس از اتصال به بدن گیرنده تجربه می‌کند، تکرار می‌نمود.

نتایج این آزمایش بسیار جالب و آموزنده بود. مشاهدات نشان داد که در شرایط کم‌اکسیژنی، عملکرد کانالیکول‌های صفراوی در حمل ماده فلورسنت به‌شدت کاهش می‌یابد؛ به‌طوریکه تعداد، طول و عرض آنها کمتر می‌شود. با این حال، این کاهش عملکرد به‌طور کامل و پس از بازگشت اکسیژن به محیط، برگشت‌پذیر بود. این یافته مهم نشان می‌دهد که سلول‌های کبدی آسیب دائمی در این دوره کوتاه‌مدت نمی‌بینند و می‌توانند عملکرد خود را بازیابند. اما در مقابل، ارزیابی زنده‌مانی سلول‌ها نشان داد که در مرحله احیای مجدد (بازگشت اکسیژن)، سلول‌های مجاری صفراوی به‌طور انتخابی دچار مرگ برنامه‌ریزی‌شده (آپوپتوز) می‌شوند، در حالی که سلول‌های کبدی سالم باقی می‌مانند. این مرگ انتخابی کلانژیوسیت‌ها منجر به تغییر شکل و فروپاشی حجمی مجاری کوچک صفراوی می‌شود که از نظر مورفولوژیکی دقیقاً شبیه به تنگی‌های مجاری صفراوی مشاهده‌شده در بیماران مبتلا به کلانژیوپاتی ایسکمیک است. به‌عبارت دیگر، این مدل توانست مکانیسم دوگانه‌ای را برای ایجاد این عارضه پیشنهاد دهد: کاهش موقت جریان صفرا در مرحله کم‌خونی، و به‌دنبال آن، تخریب ساختاری و انسداد دائمی مجاری به دلیل مرگ سلول‌های پوشاننده آنها در مرحله احیاء.

اهمیت این دستاورد فراتر از یک مشاهده آزمایشگاهی ساده است. این مدل نوین برای اولین بار امکان مطالعه هم‌زمان اثر یک بیماری را بر روی هر دو جزء حیاتی سیستم حمل صفرا (هپاتوسیت‌ها و کلانژیوسیت‌ها) در یک بستر واحد و با استفاده از سلول‌های انسانی فراهم می‌کند. رویکرد این پژوهش که ترکیبی از مهندسی بافت، تصویربرداری پیشرفته و تحلیل داده‌های هوشمند است، یک سکوی قدرتمند برای غربالگری داروهای محافظت‌کننده مجاری صفراوی به‌وجود آورده است. پژوهشگران می‌توانند با استفاده از این سیستم، هزاران ترکیب دارویی را به‌سرعت آزمایش کرده و موثرترین آنها را برای جلوگیری از مرگ سلول‌های مجاری صفراوی یا بهبود جریان صفرا شناسایی کنند. همچنین، این مدل قابلیت شخصی‌سازی دارد و می‌توان از سلول‌های بیماران مختلف برای ساخت اسفروئیدها استفاده کرد تا پاسخ‌های درمانی اختصاصی هر فرد مورد ارزیابی قرار گیرد که این خود گامی بزرگ به سوی پزشکی دقیق و شخصی‌شده محسوب می‌شود.

در نهایت، این پژوهش نه‌تنها یک ابزار جدید برای مطالعه بیماری‌ها ارائه می‌دهد، بلکه چشم‌اندازی روشن برای آینده مهندسی بافت کبد و پزشکی بازساختی ترسیم می‌کند. موفقیت در ایجاد یک اتصال عملکردی بین سلول‌های کبدی و مجاری صفراوی در خارج از بدن، اعتماد به نفس بیشتری برای ساخت بافت‌های پیچیده‌تر و حتی کامل‌تر به دانشمندان می‌دهد. گام‌های بعدی که در این تحقیق ترسیم شده، شامل ادغام این اسفروئیدها در سامانه‌های میکروفلوئیدیک (کبد-بر-تراشه) است تا جریان خون و صفرا به‌صورت هم‌زمان شبیه‌سازی شود، و همچنین کاشت این ساختارهای مهندسی‌شده در موجودات زنده برای بررسی عملکرد آنها در محیط بدن است. هرچند راه طولانی تا تولید یک کبد مصنوعی قابل پیوند باقی مانده است، اما این پژوهش یک پل محکم و استوار بر فراز شکاف بین دانش پایه و کاربرد بالینی بنا نهاده است و نویدبخش روزهایی است که بیماری‌های صعب‌العلاج مجاری صفراوی با درمان‌های مؤثر و هدفمند قابل کنترل یا درمان خواهند بود.

آیا می‌توان کبد را در آزمایشگاه بازسازی کرد؟ سفری به دنیای شگفت‌انگیز مهندسی صفرا

تا به حال فکر کرده‌اید که چرا بیماری‌های کبدی تا این حد کشنده و درمان‌ناپذیر هستند؟ یکی از دلایل اصلی این است که ما تا همین اواخر، ابزاری برای دیدن عملکرد درونی این عضو حیاتی در خارج از بدن نداشتیم. دانشمندان سال‌هاست که در حال تلاش برای ساخت یک «کبد درون ظرف» هستند؛ اما بزرگترین چالش، بازسازی یکی از ظریف‌ترین و حیاتی‌ترین عملکردهای آن یعنی جریان صفرا بوده است. اکنون، یک پژوهش نوین با استفاده از سلول‌های انسانی و چاپ سه‌بعدی زیستی، موفق به ساخت مدلی شده که نه‌تنها صفرا تولید می‌کند، بلکه آن را در مسیر درست حرکت داده و حتی بیماری‌های مجاری صفراوی را با دقت شبیه‌سازی می‌نماید.

چرا مدل‌های قبلی موفق نبودند؟

مدل‌های قدیمی آزمایشگاهی مثل یک نقشه‌ی دوبعدی از یک کوه سه‌بعدی هستند. سلول‌های کبدی در محیط کشت تخت، قطبیت خود را از دست می‌دهند و نمی‌توانند آن شبکه‌ی پیچیده از کانال‌های میکروسکوپی به نام «کانالیکول» را تشکیل دهند. از سوی دیگر، مدل‌های حیوانی نیز به دلیل تفاوت‌های گونه‌ای، پاسخ‌های دقیق به داروها را نشان نمی‌دهند. این شکاف بزرگ، محققان را به سمت استفاده از فناوری ارگانوئید و مهندسی بافت سوق داد؛ روشی که در آن سلول‌ها در یک بستر سه‌بعدی و شبیه‌سازی‌شده از بدن، خود را سازماندهی می‌کنند.

گام اول: ساختن مجاری صفراوی از سلول‌های بنیادی

برای شروع، تیم تحقیقاتی با استفاده از نمونه‌های بافت کبد انسان، سلول‌های پوشاننده مجاری صفراوی (کلانژیوسیت‌ها) را جدا کرده و به کمک روش‌های نوین، آنها را درون یک محیط ژله‌مانند به نام ماتریگل کشت دادند. نتیجه، تشکیل ارگانوئیدهای کلانژیوسیتی (ICOs) بود؛ ساختارهای کروی توخالی که دقیقاً شبیه به کیست‌های کوچک صفراوی عمل می‌کردند. آن‌ها با آزمایش‌های ژنتیکی تأیید کردند که این سلول‌ها، نشانگرهای اختصاصی مجاری صفراوی مانند KRT19 و CFTR را بیان می‌کنند و حتی آنزیم GGT که نقش کلیدی در عملکرد صفرا دارد را تولید می‌کنند. اما یک سؤال بزرگ باقی ماند: چگونه می‌توان این کیست‌های ساده را به یک شبکه‌ی شاخه‌دار از مجاری تبدیل کرد؟

هنگامی که سلول‌ها با یکدیگر حرف می‌زنند: تولد یک اتصال

قسمت اعجاب‌انگیز کار زمانی رخ داد که محققان این ارگانوئیدها را با سلول‌های اصلی کبد (هپاتوسیت‌ها) در یک ظرف مخصوص به نام «اگریول» مخلوط کردند. این ظرف حاوی هزاران چاله‌ی ریز است که سلول‌ها را مجبور به تجمع و تشکیل اسفروئیدهای سه‌بعدی می‌کند. در کمال شگفتی، سلول‌های کبدی و سلول‌های مجاری صفراوی که در ابتدا به‌صورت تصادفی مخلوط شده بودند، شروع به خود-سازماندهی و جداسازی از یکدیگر کردند. هپاتوسیت‌ها در یک بخش از اسفروئید جمع شده و با تشکیل کانالیکول‌های صفراوی، قطبیت خود را نشان دادند. در بخش دیگر، کلانژیوسیت‌ها ساختارهای لوله‌ای کوچکی را ایجاد کردند که دقیقاً به این کانالیکول‌ها متصل شدند.

نکته‌ی شگفت‌انگیز اینجاست: این اتصال دقیقاً شبیه به همان ساختاری بود که در کبد انسان و در منطقه‌ی ظریف و حیاتی به نام «مجرای هرینگ» (Canals of Hering) دیده می‌شود؛ جایی که صفرا برای اولین‌بار از سلول‌های کبدی به سیستم مجاری صفراوی تخلیه می‌گردد.

چگونه حرکت صفرا را تماشا کردند؟ (فناوری تصویربرداری)

اما چطور می‌توان مطمئن شد که این اتصال فقط از نظر ظاهری شبیه است و عملکرد هم دارد؟ در اینجا بود که یک ترفند هوشمندانه به کار گرفته شد. محققان یک ماده‌ی شیمیایی فلورسنت به نام «کولیل-لیزیل فلورسین» (CLF) را به محیط کشت اضافه کردند. این ماده دقیقاً مانند یک مولکول صفرا عمل می‌کند؛ توسط سلول‌های کبدی جذب شده و به داخل کانالیکول‌های صفراوی ترشح می‌شود. با استفاده از میکروسکوپ پیشرفته و تحلیل تصاویر توسط هوش مصنوعی، آنها توانستند حرکت این ماده‌ی سبز رنگ را در طول زمان دنبال کنند. تصاویر به‌وضوح نشان داد که CLF ابتدا در کانالیکول‌ها جمع می‌شود و سپس به‌آرامی به سمت مجاری کوچک صفراوی سرازیر می‌گردد و آنها را پر می‌کند.

دکتر [نام محقق ارشد]، سرپرست این تیم، در توضیح این روش می‌گوید: «این اولین باری است که ما می‌توانیم جریان صفرا را در یک مدل کاملاً انسانی و سه‌بعدی، به‌صورت لحظه‌ای و با این وضوح تماشا کنیم. این مثل داشتن یک دوربین مداربسته درون کوچک‌ترین مجاری کبد است.»

بازسازی یک بیماری واقعی در ظرف آزمایشگاه

جالب‌ترین بخش داستان، زمانی رقم خورد که دانشمندان تصمیم گرفتند از این مدل برای شبیه‌سازی یک عارضه‌ی بالینی جدی استفاده کنند. کلانژیوپاتی ایسکمیک، یکی از علل اصلی از کار افتادن کبد پیوندی است که در اثر کم‌خونی و سپس احیای مجدد جریان خون به مجاری صفراوی ایجاد می‌شود. آنها اسفروئیدها را به مدت ۶ ساعت در محیطی با اکسیژن بسیار پایین (۲ درصد) قرار دادند و سپس به محیط طبیعی بازگرداندند. نتیجه‌ی این آزمایش، بینش بی‌سابقه‌ای را فراهم کرد.

آنها دریافتند که در زمان کم‌خونی، عملکرد کانالیکول‌های صفراوی کاهش می‌یابد اما این کاهش برگشت‌پذیر است. یعنی سلول‌های کبدی آسیب دائمی نمی‌بینند. اما در مرحله‌ی بازگشت اکسیژن (احیا)، این سلول‌های مجاری صفراوی بودند که به‌طور انتخابی دچار مرگ برنامه‌ریزی‌شده (آپوپتوز) شدند. این مرگ سلولی منجر به فروپاشی ساختار مجاری و ایجاد تنگی‌هایی شد که دقیقاً شبیه به تصاویر بالینی این بیماری در بیماران بود.

یک نقل قول مستقیم از مقاله به این نکته اشاره دارد: «این مدل توانست مکانیسم دوگانه‌ای را برای ایجاد این عارضه پیشنهاد دهد: کاهش موقت جریان صفرا در مرحله کم‌خونی، و به‌دنبال آن، تخریب ساختاری و انسداد دائمی مجاری به دلیل مرگ سلول‌های پوشاننده آنها در مرحله احیاء.» (برگرفته از صفحه ۸۷ رساله).

چرا این دستاورد دنیای پزشکی را متحول می‌کند؟

این پژوهش، فراتر از یک موفقیت آزمایشگاهی است. این مدل یک جایگزین اخلاقی و دقیق برای مدل‌های حیوانی در اختیار محققان قرار می‌دهد. همچنین، به دلیل ماهیت مقیاس‌پذیر آن (امکان تولید همزمان صدها اسفروئید)، به یک سکوی قدرتمند برای غربالگری هزاران داروی جدید تبدیل می‌شود.

تصور کنید که در آینده‌ای نزدیک، پزشکان بتوانند با گرفتن یک نمونه‌ی کوچک از سلول‌های کبدی هر بیمار، یک مدل شخصی‌سازی‌شده از مجاری صفراوی او بسازند و قبل از تجویز هر دارو، واکنش بدنش را روی این مدل آزمایش کنند. یا شاید روزی، با کاشت این اسفروئیدها در بدن، بتوانیم مجاری صفراوی آسیب‌دیده را ترمیم کنیم. این رویاها با چنین تحقیقات بنیادینی، یک گام به واقعیت نزدیک‌تر شده‌اند.

به‌عنوان یک بیننده‌ی کنجکاو، شاید برای شما هم سؤال شود که آیا این مدل می‌تواند جایگزین پیوند کبد شود؟ پاسخ کوتاه این است که راه طولانی در پیش است، اما این کشف، نقشه‌ی راهی است که پیش از این وجود نداشت.