از کاهش عوارض داروهای سرطان تا چاپ اندام زنده انسان

آبان نیوز : در آستانه چهل و دومین سالگرد تأسیس جهاد دانشگاهی، دکتر محمدحسین قانیان، عضو هیات علمی و مدیر گروه مهندسی بافت پژوهشگاه رویان در گفت‌وگو با ایسنا، مهم‌ترین طرح‌های پژوهشی گروه مهندسی بافت و پیشینه شکل‌گیری آن را تشریح کرد.

مدیر گروه مهندسی بافت پژوهشگاه رویان با بیان این که «مهندسی بافت یک رشته نوظهور در دنیاست و حدود ۳۰ سال از عمر آن می‌گذرد» درباره پیشینه فعالیت در این حوزه در ایران افزود: ما هم تقریبا همزمان با دیگر کشورها، فعالیت در این حوزه را آغاز کردیم. رشته مهندسی بافت به ترکیب علوم مهندسی با علوم زیستی می‌پردازد تا برخی آسیب‌های واردشده به اندام‌ها را که با روش‌های مرسوم غیرقابل جبران هستند، با تکنیک‌های مهندسی سلول بازسازی کند. به طور رسمی اولین بار این رشته حدود ۳۰ سال پیش در آمریکا پایه‌گذاری شد و سرمایه‌گذاری بر روی آن در کشورهای دیگر آغاز شد.

وی ادامه داد: به جرات می‌توان گفت یکی از پیشگامان اصلی پایه‌گذاری مهندسی بافت در ایران، مجموعه پژوهشگاه رویان بوده که از سال ۱۳۸۹ در ابتدا با حمایت ویژه پروفسور بهاروند توسط تعداد افراد محدودی از محققان رشته‌های مهندسی پزشکی و مهندسی پلیمر  فعالیت در این زمینه را آغاز کرد. مدیران رویان در زمان صحیحی به درستی این ضرورت را احساس کردند که فقط با رویکرد زیستی نمی‌توان چالش‌های حوزه پزشکی بازساختی را برطرف کرد و به دنبال این احساس نیاز، از ورود رویکردهای مهندسی به خوبی استقبال کردند. به این ترتیب، جمعی چهار نفره از دانشجویان مهندسی دانشگاه‌های برتر کشور فعالیت‌های مربوط به مهندسی بافت را آغاز کردند و در حال حاضر حدود ۲۵ عضو فعال در گروه داریم که عمده آنها دانشجویان دانشگاه‌های مختلف هستند و معمولا در قالب پایان‌نامه های دانشجویی یا دوره های پسا دکتری، طرح های خود را در پژوهشگاه رویان می‌گذرانند. علاوه بر این، با اخذ مجوز از وزارت بهداشت و همزمان با دانشگاه­‌های علوم پزشکی تراز اول کشور، از سال ۹۴ اقدام به پذیرش دانشجو در مقطع دکتری مهندسی بافت کرده­ایم. در حال حاضر پنج عضو هیئت علمی تمام وقت داریم که به طور مستقیم در گروه مهندسی بافت در حال فعالیت هستند.

دکتر قانیان به تشریح وظایف گروه مهندسی بافت رویان پرداخت و بیان کرد: رسالت گروه ما این است که با گروه‌های زیستی فعال در رویان تعامل مستقیم داشته باشیم، نیازهای اساسی حوزه زیست‌شناسی را شناسایی کنیم و با ابزارهای موجود در علم مهندسی راهکار ارائه دهیم. بر همین اساس، استراتژی ما این است که در هر گروه زیست شناسی، یک یا دو نماینده مهندس داشته باشیم که تعامل مستقیم با محققان زیستی دارند و پس از شناسایی نیازها، اقدام به تعریف طرح‌های پژوهشی مسئله محور میکنند. این کنار هم قرار گرفتن متخصصان علوم زیستی و مهندسی یک فرصت استثنایی و کم نظیر در کشور است. در مجموعه‌های موفق دنیا هم به همین منوال افرادی از هر دو تخصص را در کنار یکدیگر قرار می‌دهند تا با یافتن یک ادبیات مشترک، به حل مسائل بپردازند.

عضو هیئت علمی پژوهشگاه رویان با اشاره به همکاری با دپارتمان های مختلف پژوهشگاه رویان بیان کرد: پژوهشگاه رویان متشکل از سه پژوهشکده زیست پزشکی تولیدمثل، زیست فناوری جانوری و زیست شناسی و فناوری سلول­‌های بنیادی است و پژوهشکده سلول‌های بنیادی بر اساس مصوبه جهاد دانشگاهی سه زیرگروه اصلی دارد که عبارتند از دپارتمان سلول‌های بنیادی، دپارتمان پزشکی بازساختی و دپارتمان مهندسی سلول. با توجه به این که در پژوهشکده سلول‌های بنیادی فعالیت های متنوعی بر روی بیماری های مختلف انجام می‌شود، فعالیت‌های مشترکی را با بخش‌­های مذکور در سطح آزمایشگاهی و بالینی داریم.

سامانه های ارگان بر روی تراشه به کمک بیماران سرطانی می آید

وی درباره یکی از طرح های گروه مهندسی بافت خاطرنشان کرد: طراحی سامانه‌های ارگان بر روی تراشه یکی از زمینه­‌هایی است که در دستور کار داریم. این ابزارها، سامانه هایی هستند به اندازه بندانگشت که بر روی آنها در مقیاس‌های میکرومتری الگوهایی پیاده شده است و با کشت سلول بر روی این سامانه های ریزمقیاس، امکان شبیه­‌سازی شرایط درون تنی برای سلول وجود دارد.

دکتر قانیان درباره کاربرد این سامانه‌ها بیان کرد: یکی از کارکردهای این سامانه‌ها در حوزه شخصی‌سازی سرطان است. به این معنا که برای هر بیمار سرطانی میتوانیم نمونه هایی از تومور وی را استخراج کنیم و با کشت آن روی تراشه شرایط سرطان را شبیه سازی کنیم . سپس می توانیم داروهایی که برای درمان کاندیدا هستند را بر روی توده اعمال کنیم تا ببینیم کدام دارو با چه دُزی بیشترین اثرگذاری را دارد. رویکرد سنتی این است که تجویز دارو به صورت حدس و خطا است و ممکن است در این پروسه، بیمار از دست برود؛ اما رویکردهای جدید بر شبیه‌سازی تومور، تست داروها و انتخاب بهترین دارو در خارج از بدن مبتنی است. این کارکردهای طراحی اندام بر روی تراشه با همکاری گروه سلول های بنیادی سرطان پژوهشگاه رویان و در تعامل با چندین بیمارستان دنبال می‌شود.

مدیر گروه مهندسی بافت رویان ادامه داد: بخشی دیگر از کارکرد این سامانه‌ها، مدل‌سازی بیماری‌هاست. می‌توانیم بیماری‌های مختلف را در خارج از بدن مدل‌سازی کنیم و درک بهتری از مکانیسم بیماری داشته باشیم. در این طرح می توانیم سازوکارهای درمانی را بر روی مدل ها تست کنیم زیرا در بسیاری از موارد، دسترسی‌ها در داخل بدن وجود ندارد و نمی‌توانیم بررسی های مولکولی دقیقی را درون بدن انجام دهیم.

دکتر قانیان درباره یکی دیگر از طرح‌های گروه مهندسی بافت به نام غربالگری داروها که به گفته وی می‌تواند ارزش افزوده اقتصادی به همراه داشته باشد، بیان کرد: در صنایع دارویی معمولا تعداد زیادی دارو برای یک بیماری مشخص طراحی و تولید می شود. رویکرد سنتی این بوده که بیماری بر روی مدل‌های حیوانی ایجاد شود و بعد دارو بر روی آنها تست شود. این رویکرد، چالش‌های اخلاقی دارد به این دلیل که ناچار هستیم تعداد زیادی از حیوانات را از بین ببریم و از طرفی در برخی از موارد، پاسخی که حیوان به این درمان‌ها می‌دهد از پاسخ انسان متفاوت است. به همین دلیل نیازمندیم که به جای تست این داروها بر روی حیوانات یا جامعه انسانی، مدلی از اندام های برون تنی داشته باشیم که بهترین دارو در خارج از بدن شناسایی شود. معمولا از هر ده هزار کاندیدای دارویی، یک دارو می تواند از این غربالگری عبور کند و وارد بازار دارویی شود. علت این که از ده هزار دارو به یک دارو میرسیم این است که در ارزیابی های دارویی اختلافات زیادی بین مدل های حیوانی و انسانی می بینیم بنابراین باید مدل سازی هایی داشته باشیم که مشابه به بدن انسان رفتار کنند. به خصوص سامانه­های کبد روی تراشه (به تنهایی یا در تعامل با چند اندام دیگر) که در حال حاضر توسط برخی شرکت های بزرگ داروسازی دنیا برای کشف داروهای جدید مورد توجه قرار گرفته است.

طراحی راکتورهای زیستی برای تکثیر سلول‌ها در مقیاس انبوه

وی ادامه داد: حوزه ی دیگر فعالیت ما، مهندسی سلول های بنیادی است. این فعالیت از دو جهت قابل بحث است که یکی از آنها تکثیر سلول ها در مقیاس انبوه است. در بسیاری از رویکردهای سلول درمانی ما برای هر بیمار از مرتبه چند ده میلیارد سلول نیاز داریم. تولید این تعداد بسیار زیاد از سلول با رویکردهای سنتی رایج در زیست‌شناسی نیازمند کاری طاقت‌فرسا با هزینه بالا است. اما مهندسان  می توانند با طراحی راکتورهای زیستی در مقیاس‌های لیتری و با فراهم کردن شرایط مناسب کشت، سلول ها را در مقیاس انبوه تکثیر کنند و در یک دوره کشت به میلیاردها سلول دست پیدا کنند. ما در حال حاضر مشغول بهینه سازی این روش هستیم و اگر بتوانیم در این حوزه موفق باشیم، سلول درمانی به صورت گسترده تری در کشور انجام خواهد شد.

عضو هیئت علمی پژوهشگاه رویان با اشاره به تاسیس شرکت سل تک فارمد و فعالیت های آن گفت: به دنبال تجربیات بیست ساله رویان، شرکتی با همکاری بنیاد برکت به عنوان شرکت سل تک فارمد تاسیس شده که سال گذشته به بهره برداری رسید. با انتقال فناوری بیوراکتورها به این شرکت امکان تولید سلول در مقیاس انبوه فراهم خواهد شد و به این ترتیب کارخانه ای برای تولید سلول های مختلف برای بیماری های مختلف که  در نوع خود می­تواند در منطقه بی سابقه باشد.

به گفته  دکتر قانیان، تمایز سلول‌های بنیادی جنبه دیگری از مهندسی سلول­‌های بنیادی است. وی در این باره می‌گوید: یکی از ویژگی‌های مهم سلول‌های بنیادی این است که قابلیت تمایز به انواع سلول‌های بدن را دارا هستند. تمایز سلول‌های بنیادی تکنولوژی مهمی است که در بسیاری موارد با رویکردهای صرفا زیستی قابل دستیابی نیست و باید بتوانیم با رویکردهای مهندسی، شرایط لازم را برای تمایز این سلول ها فراهم کنیم. در این رویکرد، زیست شناسان قوانین حاکم بر رفتار سلول‌ها را به مهندسان اعلام می‌کنند و مهندسان این قوانین را در قالب پدیده­‌های فیزیکی و شیمیایی در خارج از بدن شبیه‌سازی می‌کنند.

وی ادامه داد: یکی دیگر از حوزه‌های کاری ما رفع چالش‌های پیوند سلول است. وقتی سلول را با کیفیت مناسب در شرایط آزمایشگاهی تولید کردیم و آن را به بدن بیمار پیوند زدیم با چالش‌هایی روبرو هستیم. اگر پیوند غیرخودی باشد، یعنی آن را از فرد دهنده‌ای به جز بیمار گرفته باشیم، یکی از چالش‌ها بحث پاسخ ایمنی است که ممکن است منجر به رد پیوند یا عفونت‌های شدید و التهاب شود. با مهندسی می‌توان پاسخ‌های ایمنی را تحت کنترل داشته باشیم. به این رویکرد، مهندسی ایمنی می‌گویند. معمولا با ایزوله­‌سازی سلول­‌ها و نیز طراحی سامانه‌های رهایش کنترل شده دارو این فرآیند انجام می شود.

دکتر قانیان با بیان این که در زمینه پیوند سلول، در بسیاری موارد نیاز به داربست نیز وجود دارد افزود: هنگامی که قرار است سلول به بدن پیوند زده شود به سازه‌های مهندسی‌شده­‌ای نیاز داریم تا سلول روی آنها سوار شود. این سازه‌ها مطابق با معماری ماده زمینه بیرون‌سلولی طراحی می­‌شوند. هر سلولی داخل بدن یک ماده زمینه ای برون‌سلولی دارد و ما سعی می کنیم با داربست‌ها، ماده زمینه‌ای را برای سلول شبیه‌سازی کنیم. این داربست‌ها مطابق با خواص هر بافتی، ویژگی  های منحصر به فردی دارند.

ساخت چاپگر زیستی برای چاپ اندام زنده انسان

مدیر گروه مهندسی بافت در ادامه این گفت  و گو به یکی دیگر از دستاوردهای محققان رویان اشاره کرد و گفت: یکی از تکنولوژی‌های مهمی که بر روی آن متمرکز هستیم، چاپ زیستی است. در این حوزه به چاپ اندام زنده انسان می پردازیم. چاپ زیستی، یکی از آخرین تکنولوژی‌هایی است که در سطح جهانی در حال انجام است و افق های روشنی برای آن متصور هستند. در این فرآیند به جای چاپ دو بعدی که طی آن جوهر بر روی کاغذ پرینت می­‌شود، پرینت لایه به لایه انجام می شود تا نهایتا یک سازه سه‌بعدی به دست آید. تفاوت مهم آن با دیگر چاپگرهای سه بعدی مرسوم، این است که برای چاپ یک سازه سه بعدی از جوهر زیستی استفاده می شود. این جوهر یک ماده پلیمری زیست سازگار است که حاوی سلول‌های زنده است. با این تکنولوژی می‌توانیم انواع اندام‌های پیچیده انسان را با معماری های پیچیده تولید کنیم. این تکنولوژی هنوز به طور گسترده وارد حوزه بالین نشده است اما با پیشرفت هایی که در آن رخ می‌دهد پیش‌بینی می‌شود که در آینده بتوان به بسیاری از چالش های حوزه پزشکی بازساختی پاسخ مناسب داد. ما هم در پژوهشگاه رویان، یکی از اولین مجموعه ها در سطح کشور بودیم که موضوع چاپ زیستی را در دستور کار قرار دادیم به طوری که اولین ثبت اختراع هادر این زمینه متعلق به محققان رویان بوده است. علاوه بر این، دوستان ما در گروه بایومکاترونیک موفق شدند دو نوع از چاپگرهای سه بعدی پرکاربرد در مهندسی بافت را طراحی و تولید کنند. در حال حاضر بر روی بهینه سازی این پرینترها و توسعه جوهرهای زیستی کار می‌کنیم و با ارائه خدمات یا انتقال تکنولوژی در تعامل با برخی از مجموعه های علمی کشور هستیم.

سامانه های دارورسانی برای کاهش عوارض داروهای سرطان

دکتر قانیان با بیان این که «یکی دیگر از زمینه­‌های کاری ما بحث سامانه‌های دارورسانی است که در این زمینه تمرکز ما بر روی درمان سرطان است» ادامه داد: چالش مهمی که در بحث درمان سرطان با شیمی‌درمانی داریم این است که این داروها در سراسر بدن منتشر می‌شوند و به جز سلول های سرطانی به سلول های سالم هم آسیب میرسانند، در واقع کمتر از یک درصد از داروی تزریق شده می تواند به سلول های سرطانی برسد و این باعث می شود که شیمی درمانی بعضا ناموفق و با عوارض بسیاری همراه باشد. ما می توانیم با طراحی سامانه هوشمند دارورسانی کاری کنیم که دارو فقط وارد سلول سرطانی و درون آن آزادسازی شود. به این ترتیب می‌توان اثربخشی داروها را افزایش و عوارض جانبی آن ها را کم کنیم. یکی از اهداف ما توسعه این نانوذرات برای دارورسانی است.

وی افزود: تعدادی از این نانوذرات در دنیا تجاری سازی و به صنایع داروسازی معرفی شده است. به طور خاص یکی از زیرمجموعه‌های رویان که در شهر بابل مستقر است و فعالیت هایشان بر پزشکی سرطان متمرکز است، در حال تلاش برای دستیابی به دانش فنی این نانوذرات است. یکی دیگر از کارکردهای این نانوذرات در حوزه ژن درمانی است. داروهایی که پایه ژنتیکی دارند و برای این که بتوانند وارد سلول شوند نیاز به حامل‌هایی دارند. این نانوذرات میتوانند نقش این حامل‌ها را برای دارورسانی ایفا کنند. امروزه در سطح جهانی و نیز در کشور ما، توجه ویژه ای به ژن درمانی به عنوان یک ابزار درمانی نوین شکل گرفته است و نیاز است سامانه‌های موثری برای تحویل ژن‌ها به سلول‌ها داشته باشیم. به عنوان مثال، واکسن‌های موفق کرونایی که شرکت های فایزر و مادرنا به بازار عرضه کردند بر پایه ژن‌ها ساخته شده بودند و در آنها از سامانه‌های نانوذرات مهندسی‌شده که بر پایه چربی‌های مصنوعی تولید شده بودند، استفاده شد، فناوری‌ای که در کشور ما نیز در حال پیگیری است.

شناسایی اسپرم برتر برای بهبود کیفیت خدمات کمک باروری

دکتر قانیان خاطرنشان کرد: ما غیر از این که تعامل مستقیمی با پژوهشکده سلول‌های بنیادی داریم، با پژوهشکده تولید مثل نیز همکاری هایی در حوزه درمان ناباروری داریم. ما در گروه مهندسی بافت سعی کردیم نیازهای حوزه ناباروری که رویکردهای مهندسی قابلیت پاسخگویی به آنها را دارد، شناسایی کنیم و برای آن پاسخ های مناسب را ارائه دهیم. به طور مثال، برای موفقیت یک تکنیک درمان ناباروری باید بتوان اسپرمی را انتخاب کرد که از عملکرد بهتری برخوردار است بنابراین موضوع جداسازی اسپرم یک موضوع مهم است. یکی از تکنولوژی هایی که میتواند به این امر کمک کند “سامانه­های ریزسیال” است. در این روش یک سری تراشه به اندازه بند انگشت طراحی میکنیم که براساس سرعت حرکت اسپرم ها، اسپرم های موثرتر و فعال تر را شناسایی و برای درمان ناباروری انتخاب میکند. ما اکنون در حال بهینه سازی این سامانه ها هستیم تا بتوان این ابزار مهندسی را برای بالا بردن کیفیت خدمات کمک باروری به کار گرفت.

مدیر گروه مهندس بافت رویان با اشاره به فناوری چسب جنین و اهمیت آن بیان کرد: هنگامی که بخواهیم جنینی را که در شرایط برون تنی به دست آمده است داخل رحم بگذاریم، از محیط های کشتی استفاده می شود که ترکیبات آن می‌تواند به لانه گزینی بهتر جنین داخل رحم کمک کند. یکی از انواع این محیط‌های کشت، بر پایه پلیمرهای طبیعی است که به عنوان چسب بین دیواره خارجی جنین و دیواره داخلی رحم عمل می‌کنند و می‌توانند باعث اتصال بهتر جنین به سطح اندومتر شوند. در یکی از تحقیقات اخیر توانسته ایم محیط های کشتی را با اصلاح جزئی بر روی پلیمرهای طبیعی توسعه دهیم که تا حدود دو برابر عملکرد بهتری نسبت به محصولات تجاری موجود نشان می دهند. با توجه به این که این پروسه تولید این محیط های کشت طبیعی اخیرا در شرکت سل تک فارمد آغاز شده است، به دنبال این هستیم که نسخه ارتقا یافته ای از این محیط های کشت که با اصلاح پلیمر تولید شده‌اند را به بازار معرفی کنیم.

کنار هم قرار گرفتن متخصصان مختلف برابر است با شکوفایی نوآوری

وی در بخش دیگری از این گفت و گو درباره زیست بوم فراهم شده در رویان برای رشد نخبگان علاقمند به حوزه مهندسی بافت گفت: یکی از حوزه های بین رشته ای که افراد با تخصص‌های مختلف به آن وارد شده اند حوزه مهندسی بافت است. کنار هم قرار گرفتن متخصصان مختلف برابر است با شکوفایی نوآوری. در گذشته، علوم از یکدیگر مستقل بودند اما امروزه مرزهای علوم در حال از بین رفتن هستند. تعامل متخصصان علوم زیستی و مهندسی که در گذشته از هم جدا بوده اند، باعث می‌شود که الان حرف‌های جدیدی برای گفتن وجود داشته باشد. افراد بسیاری از رشته های مهندسی علاقمندند که در حوزه پزشکی فعالیت کنند. ما به طور مکرر درخواست های زیادی از دانشجویان دانشگاه‌های برتر کشور داریم و این موقعیت به خوبی برای آن ها در رویان فراهم شده است. اگر ما نتوانیم پاسخگویی این اشتیاق دانشجویان باشیم، این افراد ترجیح میدهند ادامه مسیر علمی خود را در خارج از کشور دنبال کنند و از آنجایی که نهادهای علمی بزرگ دنیا سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی بر روی این حوزه انجام می‌دهند، متاسفانه شاهد این هستیم که نخبگان بسیاری ادامه فعالیت خود را در خارج از کشور دنبال می‌کنند. سعی ما این است که در رویان، زیست بومی را فراهم کنیم که افراد باانگیزه رشته‌های مهندسی که تمایل به فعالیت در حوزه علوم زیستی دارند، از امکانات و شرایط این مجموعه استفاده کنند.

این محقق حوزه مهندسی بافت ادامه داد: پیش از این که گروه مهندسی بافت در رویان تشکیل شود، اغلب افراد از حوزه های علوم زیستی حضور داشتند و انباشتی از دانش هم شکل گرفت، اما وقتی این خلا احساس شد که صرفا با رویکردهای زیستی نمی‌توان ادامه داد و نیاز به نوآوری هایی از حوزه مهندسی داریم تا کارهای موثرتری انجام دهیم، جهشی در رویان رخ داد. از نظر شاخص­های کیفیت برون­دادهای علمی، میانگین ضریب تاثیر مقاله‌هایی که در حوزه سلول های بنیادی منتشر می شود حداقل دو برابر شده است. تجربه نشان میدهد که وقتی رویکرد ما بین رشته‌­ای باشد میتوانیم کیفیت فعالیت ها را بالاتر ببریم.

قانیان در پاسخ به پرسشی درباره جایگاه علمی رویان گفت: براساس رتبه بندی‌های جهانی و بررسی‌های آماری از بروندادهای پژوهشی مجموعه‌های علمی مختلف به جرات می‌توان گفت که پژوهشگاه رویان در حال حاضر در حوزه زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی و پزشکی بازساختی، یکی از شاخص ترین نهادهای منطقه است. ما تعامل های قوی ای با نهادهای علمی اروپایی و آمریکایی داریم و رویان به خوبی در این عرصه شناخته شده است. در زمینه درمان ناباروری نیز رویان همواره پیشتاز پایه­گذاری تجربه­های نو بوده است و یکی از موفق­ترین و مجموعه‌های کشور محسوب می­‌شود. البته در سال‌های اخیر حرکت های خوبی هم در سطح کشور شکل گرفته است و شاهد این هستیم که مجموعه های مختلفی در سطح کشور حرکت در این زمینه را آغاز کرده‌اند و رقبای ما چه در مجموعه های خصوصی و چه دولتی با انگیزه و انرژی بالایی در حال حرکت هستند و رویان برای حفظ و ارتقای جایگاه خود باید با درک درست ضروریات زمان، اقتضای بازار و نیازهای کشورمطابق رویه سال های ابتدایی حرکت خود، رویکردی جهادی و مسئله‌محور داشته باشد تا بتواند همچنان مرجعیت علمی و فنی خود را حفظ کند. چنان که گفته شد، تجربه یک دهه اخیر رویان ارائه‌دهنده الگویی موفق از تلفیق علوم مهندسی و زیستی است که می‌­تواند نویددهنده آینده­ای روشن و افقی نو در علوم زیستی و پزشکی کشور باشد.