محققان دانشکده پزشکی دانشگاه San Diego کالیفرنیا و همکارانشان روشی ابداع کرده‌اند که آنها را قادر می‌سازد تا با دستوراتی، سرعت عملکرد سلولهای قلبی آزمایشگاهی را افزایش یا کاهش دهند– به سادگی با تاباندن نور بر آنها و تغییر شدت آن. سلولها بر روی ماده‌ای تحت عنوان گرافن (graphene) پرورش داده شده‌اند که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کند و محیط واقع بینانه‌تری نسبت به ظروف پلاستیکی یا شیشه‌ای فراهم می‌کند.
مقاله مرتبط: شکل جدیدی از کربن؛ سخت‌تر از الماس، منعطف‌تر از لاستیک
این روش که در ۱۸ می در نشریه‌ی Science Advances معرفی شده‌است، می‌تواند در تعدادی از مطالعات و کاربردهای بالینی، مورد استفاده قرار گیرد از جمله: آزمایش داروها در سیستمهای مرتبط، تولید داروهای خاص که دقیق‌تر بوده و تاثیرات سیستمیک کمتری دارند، و توسعه ابزارهای بهتر پزشکی مانند ضربان سازهای کنترل شونده توسط نور.
مولف اول این مطالعه، دکتر الکس ساوچنکو دانشمند محقق دپارتمان کودکان در دانشگاه San Diego گقت: “زمانیکه ما این بررسی را در آزمایشگاه خود آغاز کردیم، نزدیک به ۲۰ نفر، مواردی مانند “غیرممکن!” را مدام تکرار می‌کردند و من را به تمسخر آنها، مورد اتهام فرار می‌دادند. ما پیش از این، چنین چیزی ندیده بودیم”. ساوچنکو بهمراه دکتر النا مولوکانووا، مدیر عامل Nanotools Bioscience این مطالعه را رهبری کردند.
تقریبا می‌توان گفت ویژگی‌های استثنائی گرافن، نسخه سبک‌تر گرافیت، اخیرا توسط تلاش برندگان جایزه نوبل در سال ۲۰۱۰، دکتر آندره گیم و کوتانتین نووسلوف از دانشگاه منچستر، بدرستی مورد تحسین واقع شده‌است. گرافن یک نیمه فلز است که از یک شبکه اتمهای کربن ساخته شده‌است؛ کربن، همان عنصری است که پایه تمامی ارگانیسهای زنده را تشکیل می‌دهد. چیزی که گرافن را خاص می‌کند، توانایی آن در تبدیل کارآمد نور به الکتریسیته است. در مقابل، شیشه و پلاستیک عایق هستند- آنها نور را الکتریسیته را هدایت نمی‌کنند. بسیاری از مطالعات زیست پزشکی بر پایه سلولهای منفرد و یا کشتهای سلولی است که در ظروف پتری پلاستیکی و یا ظروف شیشه‌ای رشد یافته‌اند.
ساوچنکو اذعان داشت: “در بدن شما، سطوحی که مانند پلاستیک یا شیشه عمل کند، به چشم نمی‌خورد. در عوض، ما هادی هستیم. قلب ما در هدایت الکتریسیته، بسیار خوب عمل می‌کند. در مغز، هدایت الکتریکی مغز آن را قادر می‌سازد تا بصورت همزمان، فکر کند و سخن بگوید”.
سلولهای قلب موش که بر روی گرافن کشت یافته‌اند، با روندی که توسط تحریک نوری کنترل می‌شود، می‌تپند. در این مطالعه، سلولها همچنین برای تولید یک پروتئین فلورسنت قرمز در زمان تحریک توسط نور سبز، مهندسی شده‌اند.
ساوچنکو، مولوکانووا و محققان دیگر خاطر نشان کردند که سلولها در آزمایشگاه بر روی گرافن نسبت به مواد دیگر، بهتر رشد می‌کنند، و بیشتر شبیه به سلولهای درون بدن رفتار می‌کنند. ساوچنکو و مولوکانووا همچنین از اطلاعات فیزیک خود در یاری آنها در بررسی سیستمهای زیستی به صورت کمی متفاوت، عنصری موثر نام می‌برند.
در این مطالعه، محققان سلولهای قلبی تولید کردند که از سلولهای پوستی با واسطه نوع حد واسط سلولی تحت عنوان سلول بنیادی پرتوان القایی (iPSC) مشتق شده‌است. سپس این سلولهای قلبی مشتق از iPSC را بر روی یک سطح گرافنی رشد دادند.
مقاله‌ی مرتبط: سلول بنیادی و پرتوتابی؛ شاید واکسنی جدید برای سرطان یافته باشیم
ساوچنکو اذعان داشت تیم تحقیق بمنظور دست یابی به فرمول بهینه پایه گرافن، چندین مرتبه تلاش کرد. سپس آنها باید بهترین منبع نور و روشی برای انتقال آن نور به سیستم سلولی- گرافنی پیدا می‌کردند. ولی آنها نهایتا راهی برای کنترل دقیق میزان الکتریسیته تولید شده توسط گرافن در شدتهای مختلف نور، یافتند.
ساوچنکو همچنین افزود: “ما از میزان انعطاف پذیری شگفت زده شدیم، گرافن این اجازه را به شما می‌دهد تا سلولها را دقیقا در هر زمانی که خواستید، تحریک کنید. آیا شما می‌خواهید با سرعت دو برابر بتپند؟ مشکلی نیست- شما تنها شدت نور را افزایش دهید. سه برابر سریعتر؟ مشکلی نیست- شدت نور یا تراکم گرافن را افزایش دهید”.
ساوچنکو و همکارانش دریافتند آنها بهمین ترتیب می‌توانند فعالیت قلب را در یک ارگانیسم زنده (رویان گورخر ماهی) با استفاده از نور و گرافن پراکنده، کنترل کنند.
همچنین تیم از عدم سمیت شگفت زده شد. سمیت گاهی محققان را با چالش عظیمی مواجه می‌کند. ساوچنکو اذعان داشت: “در حالت طبیعی، اگر شما یک ماده جدید را به یک موجود زنده وارد کنید، باید انتظار مرگ تعدادی سلول در این روند را داشته باشید. ولی ما هیچ مرگی مشاهده نکردیم. این امر، ما را به این مورد امیدوار می‌کند که قادر خواهیم بود تا در زمان آزمایش کاربردهای بالینی مختلف، ازعوامل مضر دوری کنیم.
محققان در مورد کاربردهای ممکن این سیستم گرافن/ نور هیجان زده هستند. یکی از کاربردهای بالقوه در پایش دارو است. اکنون، محققان از تکنولوژی‌های رباتیک بمنظور بررسی صدها ترکیب شیمیایی در مورد توانایی آنها در تغییر رفتار سلول، استفاده می‌کنند. ترکیباتی که تاثیر مورد انتظار را داشته باشند، بمنظور ارزیابی قابلیت آنها بعنوان یک داروی جدید مورد مطالعه قرار می‌گیرند. با این حال، بسیاری از ترکیبات مفید ممکن است کنار گذاشته شوند زیرا اثرات آنها عملا در شرایطی که سلولهای آزمایش رشد یافته‌اند (روی پلاستیک، و در شرایط خارج از بیماری)، آشکار نمی‌شود.
برای مثال، محققان می‌توانند داروها را بر روی سلولهای رشد یافته در ظروف پلاستیکی آزمایشگاهی بررسی کنند. ولی این سلولها با سرعت خودشان منقبض می‌شوند و شرایطی که ممکن است فرد پیش از وقوع یک حمله قلبی داشته باشد را، شبیه سازی نمی‌کنند. داروهایی که اگر در شرایطی غیر از شرایط خاص مصرف شوند، هیچ اثری را آشکار نمی‌کنند- بدین معنی که این داروها تنها تحت شرایط خاصی، تاثیر دارند.
بمنظور بررسی این کاربرد، تیم تحقیق، mexiletine را که یک ترکیب دارویی برای درمان تپشهای قلبی نامنظم است، به سلولهای قلب افزودند. Mexiletine دارویی است که تحت شرایط خاصی اثر خود را نشان می‌دهد- این دارو تنها زمانی تاثیر می‌کند که افزایشی در میزان ضربان قلب رخ داده باشد، مانند زمانیکه یک آریتمی رخ می‌دهد. محققان سلولهای قلبی را با شدتهای نور مختلف بر روی گرافن، تحت تابش نور قرار دادند. هر چه سلولهای قلب را وادار به تحریک سریعتر می‌کردند، mexiletine آنها را بهتر مهار می‌کرد.
حال، تیم تحقیق بر روی سلولهای قلبی و نورونها تمرکز کرده است. ولی آنها در کاربرد نهایی سیستم گرافن/ نور خود در جستجوی داروهایی برای کشتن اختصاصی سلولهای سرطانی و عدم تاثیر بر سلولهای سالم، علاقه مند هستند. همچنین آنها به دنبال یافتن جایگزین‌های افیون هستند- افیونها، ضد دردهایی هستند که تنها در شرایطی تاثیر خود را اعمال می‌کنند که فرد دچار درد باشد، و اثرات سیستمیکی که می‌تواند منجر به سوء مصرف و اعتیاد شود، باید کاهش یابد. در نهایت، ساوچنکو بر این عقیده است که ضربان سازهای کنترلی توسط نور که از گرافن ساخته شده‌اند، می‌تواند ایمن‌تر و کارآمدتر از مدلهای کنونی باشد.
کارهایی زیادی باید انجام گیرد ولی ساوچنکو خوش بین است. “شما می‌توانید آزمایشات حیوانی را که نصف سال زمان نیاز دارد با استفاده از این سیستم بر پایه گرافن، در عرض یک روز انجام دهید”.
