تراشه چنداندامی کلمبیا برای ردیابی متاستاز سرطان

تصور کنید در یک چهارراه میکروسکوپی، استخوان، ریه و رگ‌های خونی انسان به هم می‌رسند؛ همان جایی که سرطان از گردش خون بیرون می‌جهد و با پذیرش خطری بزرگ، خانه‌ای تازه برای خود پیدا می‌کند. پژوهشگران دانشگاه کلمبیا دقیقا چنین سامانه‌ای ساخته‌اند: یک تراشه چنداندامی برگرفته از سلول‌های انسانی که به دانشمندان امکان می‌دهد خروج سلول‌های در گردش سرطان پستان از جریان خون و آغاز نخستین و پنهان‌ترین مرحله متاستاز را مشاهده کنند.

چرا این موضوع اکنون اهمیت دارد

سرطان زمانی مرگبار نمی‌شود که تومور اولیه رشد می‌کند، بلکه هنگامی خطر اصلی آغاز می‌شود که سلول‌ها از منشأ خود جدا می‌شوند و اندام‌های دوردست را بذرپاشی می‌کنند. بیشتر مرگ‌های ناشی از سرطان به متاستاز بازمی‌گردد، با این حال درمان‌هایی که به طور اختصاصی برای توقف یا کند کردن این زنجیره طراحی شده‌اند، همچنان دست‌نیافتنی و دشوار باقی مانده‌اند. یک دلیل آن روشن است: ما سامانه‌های انسانی دقیق و پیش‌بینی‌پذیری در اختیار نداریم که نشان دهند سلول‌های متاستاتیک در محیط بدن انسان چگونه رفتار می‌کنند. مدل‌های جوندگان دانش فراوانی به ما داده‌اند، اما فیزیولوژی موش جایگزین کاملی برای بدن انسان نیست. همین ناهماهنگی توضیح می‌دهد چرا برخی داروهایی که در حیوانات امیدبخش به نظر می‌رسند، در کارآزمایی‌های بالینی شکست می‌خورند.

تراشه کلمبیا بر بخشی محدود اما حیاتی از مسیر متاستاز تمرکز دارد. این سامانه مرحله کلونیزاسیون اندام را بازسازی می‌کند؛ مرحله‌ای که در آن سلول‌های توموری به پوشش داخلی رگ‌های خونی می‌چسبند، از این سد عبور می‌کنند، در شرایط نامساعد بافتی زنده می‌مانند و در نهایت به تومورهای ثانویه تبدیل می‌شوند. مشاهده زنده این رویدادها درون بافت‌های انسانی، پنجره‌ای تازه برای فهم این موضوع می‌گشاید که سرطان‌ها چگونه اهداف خود را انتخاب و برای حمله آماده می‌کنند.

تراشه چنداندامی چگونه ساخته شده است

این سامانه از سه بافت مهندسی‌شده انسانی استفاده می‌کند: استخوان، ریه و اندوتلیوم عروقی. همه این بافت‌ها از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی، یا آی‌پی‌اس‌سی، منشأ گرفته‌اند؛ سلول‌هایی که پژوهشگران آن‌ها را به انواع سلولی مشخص هدایت می‌کنند و سپس در داربست‌ها و زیست‌واکنشگرهای ویژه هر بافت پرورش می‌دهند تا بالغ شوند و مانند نمونه واقعی عمل کنند. این بافت‌ها در محفظه‌های جداگانه در مقیاس میلی‌متری قرار دارند و از طریق یک کانال عروقی دارای جریان به هم متصل می‌شوند.

انتخاب‌های طراحی که اهمیت دارند

• محفظه‌های جدا اما متصل: هر اندام ریزمحیط اختصاصی خود را حفظ می‌کند، در حالی که همچنان در معرض جریان گردش مشترک قرار دارد.
• سد اندوتلیالی با نفوذپذیری انتخابی: این بخش دیواره رگ‌های خونی را تقلید می‌کند و به پژوهشگران اجازه می‌دهد چسبیدن، عبور و تهاجم سلول‌های توموری را دنبال کنند.
• سازگاری با سلول‌های مشتق از بیمار: این تراشه می‌تواند سلول‌های افراد مختلف را بپذیرد و مطالعه شخصی‌سازی‌شده رفتار متاستاتیک را ممکن کند.

این پلتفرم صرفا بافت‌ها را کنار سلول‌های توموری قرار نمی‌دهد. بلکه گفت‌وگوی زیست‌شیمیایی پیوسته میان سلول‌های سرطانی در گردش و اندام‌های هدف را بازسازی می‌کند. همین گفت‌وگو تعیین می‌کند که یک سلول سرگردان دفع شود، نابود گردد یا اجازه یابد ریشه بدواند.

تیم کلمبیا با استفاده از بافت‌های استخوان و ریه پرورش‌یافته در آزمایشگاه، نحوه گسترش سرطان به اندام‌های دیگر را مدل‌سازی کرد.

آزمایش‌ها چه چیزی را نشان دادند

وقتی پژوهشگران سلول‌های در گردش سرطان پستان را وارد کانال عروقی کردند، دستگاه الگوهای شناخته‌شده ترجیح اندامی، یا اندام‌گرایی، را بازآفرینی کرد. سلول‌های سرطان پستان که در بیماران معمولا استخوان را کلونیزه می‌کنند، در محفظه استخوان مهندسی‌شده نیز تهاجمی‌تر عمل کردند و آسیب بافتی بیشتری بر جای گذاشتند. سلول‌هایی که تمایل بیشتری به ریه داشتند، در محفظه ریه آسیب بیشتری ایجاد کردند و تنها به شکل ضعیفی به استخوان نفوذ کردند. این تفاوت‌ها نشان داد که تراشه می‌تواند تهاجم انتخابی به اندام و الگوهای ترشحی همراه با کلونیزاسیون اختصاصی بافت را ثبت کند.

نتیجه چشمگیر دیگر این بود که سلول‌های توموری پیش از وقوع کلونیزاسیون گسترده، بافت‌های دوردست را تغییر دادند. این آماده‌سازی پیش‌متاستاتیک به این معناست که سرطان می‌تواند پیش از حرکت سلول‌های مهاجر، سیگنال‌های مولکولی بفرستد و محل فرود آینده را به گونه‌ای بازسازی کند که بقا و رشد سلول‌ها آسان‌تر شود. این تراشه جنبه‌هایی از همین فرایند آماده‌سازی را بازتولید کرد و به پژوهشگران پلتفرمی داد تا بررسی کنند این تغییرات اولیه چگونه و چه زمانی رخ می‌دهند و مهم‌تر از آن، چگونه می‌توان آن‌ها را متوقف کرد.

گوردانا وونیاک نواکوویچ، پژوهشگر اصلی مطالعه، انگیزه این کار را وجود خلأ در ابزارهای مرتبط با انسان برای مطالعه متاستاز توصیف کرد. بر اساس مضمون گفته‌های او، هدف این بود که مشاهده شود آیا سلول‌های سرطانی می‌توانند به اندوتلیوم بچسبند و از آن عبور کنند یا نه، و سپس توانایی آن‌ها برای بقا و بازبرنامه‌ریزی بافت مورد تهاجم آزموده شود. این پلتفرم به تیم پژوهشی اجازه داد دقیقا همین کار را انجام دهد؛ یعنی رویدادهای عبور فیزیکی و بازسازی‌های بعدی در جایگاه موضعی را ردیابی کند.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارکز، پژوهشگر انکولوژی ترجمانی که در این مطالعه مشارکت نداشت، این نگاه کاربردی را مطرح کرد: «آنچه این تراشه را مهم می‌کند، زمینه سلولی انسانی آن در کنار پویایی جریان است. جریان خون و تعاملات اندوتلیالی سرنوشت متاستاتیک را به شیوه‌هایی شکل می‌دهند که کشت‌های ایستا قادر به بازتولید آن نیستند. چنین دستگاهی به پیوند میان کشف آزمایشگاهی و زیست‌شناسی مرتبط با بیمار کمک می‌کند.» این نظر، ظرفیت این رویکرد را برای تشخیص یافته‌های پیش‌بالینی ارزشمند جهت انتقال به کارآزمایی‌های انسانی برجسته می‌کند.

پیامدها برای کشف دارو و پزشکی شخصی‌سازی‌شده

اندام‌ها روی تراشه جایگزین کامل مطالعات حیوانی نیستند. در عوض، می‌توانند نقاط کور حیاتی را پوشش دهند، به‌ویژه زمانی که پژوهشگران به پاسخ‌های اختصاصی انسان نیاز دارند. با فراهم کردن امکان مداخله‌های کنترل‌شده، مانند تغییر یک جزء بافتی، جایگزین کردن سلول‌های توموری مشتق از بیمار یا مهار مسیرهای مولکولی نامزد، محققان می‌توانند اهدافی را اولویت‌بندی کنند که احتمال موفقیت آن‌ها در انسان بیشتر است.

کار دانشگاه کلمبیا همچنین با روندهای نظارتی و پژوهشی همسو است. نهادهایی مانند سازمان غذا و داروی آمریکا و مؤسسه‌های ملی سلامت آمریکا بیش از پیش از «روش‌شناسی‌های رویکرد نوین» حمایت می‌کنند؛ روش‌هایی که وابستگی به آزمایش حیوانی را کاهش می‌دهند و قدرت پیش‌بینی درباره انسان را بهبود می‌بخشند. یک پلتفرم انسانی و قابل انطباق با بیمار که اندام‌گرایی و شکل‌گیری جایگاه پیش‌متاستاتیک را بازتولید می‌کند، نمونه‌ای ملموس از عملکرد چنین روش‌هایی در عمل ارائه می‌دهد.

همکاری میان رشته‌های مختلف این پروژه را تقویت کرد. این تلاش مهندسان بافت، زیست‌شناسان سامانه‌های سرطان و آسیب‌شناسان را گرد هم آورد تا مهندسی ریزفیزیولوژیک را با پروفایل‌سازی مولکولی و بینش بالینی ترکیب کنند. این رویکرد چندرشته‌ای اهمیت دارد، زیرا متاستاز مسئله یک سلول منفرد نیست. متاستاز تعاملی پیچیده و سازگارشونده میان سلول‌های توموری، عروق و سلول‌های مقیم بافت است.

جمع‌بندی

تراشه چنداندامی کلمبیا گامی مهم در مسیر مشاهده نخستین مراحل کلونیزاسیون اندام در بافت انسانی است. این سامانه محیطی کنترل‌شده و انسانی‌سازی‌شده در اختیار پژوهشگران می‌گذارد تا تهاجم اختصاصی اندام، آماده‌سازی پیش‌متاستاتیک و مدارهای مولکولی را بررسی کنند که به سلول‌های متاستاتیک برتری می‌دهند. این قابلیت‌ها می‌توانند به اولویت‌بندی اهداف درمانی تازه، بهبود آزمون‌های پیش‌بالینی و در نهایت انتقال سریع‌تر مداخلات مؤثرتر به کارآزمایی‌های بالینی کمک کنند.

البته هنوز کارهای زیادی باقی مانده است. تراشه‌ها هنوز نمی‌توانند تمام پیچیدگی فیزیولوژی کل بدن را ثبت کنند: تنوع سیستم ایمنی، سیگنال‌های درون‌ریز دوربرد و انواع فراوان سلول‌هایی که هر اندام را تعریف می‌کنند. با این حال، این پلتفرم با روشن کردن مرحله‌ای که پیش‌تر در گسترش سرطان مبهم و پنهان بود، لنزی دقیق‌تر بر یکی از دشوارترین چالش‌های سرطان‌شناسی فراهم می‌کند. گام بعدی آن است که از این لنز برای آزمودن مداخلاتی استفاده شود که شاید بتوانند متاستاز را پیش از آغاز متوقف کنند.