گامی بزرگ در علم پزشکی؛ احیای بافت مغز پس از انجماد
یک مطالعه جدید نشان میدهد که بافت مغز منجمد میتواند پس از ذوب شدن دوباره نشانههایی از فعالیت عصبی و فرآیندهای مرتبط با حافظه را نشان دهد؛ یافتهای که تا پیش از این بیشتر به داستانهای علمی -تخیلی شباهت داشت.
برای دههها، مفهوم سرماحفظی (کرایوپرزرویشن) بیشتر به قلمرو داستانهای علمی–تخیلی تعلق داشت؛ روشی که در آن شخصیتها برای سفر به آینده منجمد میشوند.
یکی از بزرگترین چالشها در این زمینه، منجمد کردن بافتهای پیچیده زیستی، بهویژه مغز، بدون ایجاد آسیبهای فاجعهبار و برگشتناپذیر بوده است.
اکنون یک مطالعه پیشگامانه گامی مهم برای غلبه بر این مانع برداشته و توانسته است فعالیت عملکردی را در بافت مغزی منجمدشده دوباره بازیابی کند؛ دستاوردی که برخی از سناریوهای آیندهنگرانه را به واقعیت نزدیکتر میکند.
بزرگترین مانع در انجماد مغزها، تشکیل بلورهای یخ است.
وقتی آب در ساختار ظریف سلولها یخ میزند، این بلورها بزرگ میشوند و غشاها را سوراخ میکنند، شبکه پیچیده نورونها را مختل کرده و در نهایت ارتباطاتی را که پایههای تفکر، حافظه و آگاهی هستند از بین میبرند.
به همین دلیل، بافتی که دوباره ذوب میشود معمولاً دیگر قادر به انجام هیچ عملکرد معناداری نیست.
با این حال، تیمی از عصبشناسان در دانشگاه ارلانگن–نورنبرگ آلمان با استفاده از روشی به نام ویتریفیكاسیون (شیشهایسازی) از این مشکل عبور کردند.
در این روش، بافت آنقدر سریع سرد میشود که اصلاً یخ تشکیل نمیشود. در عوض، مایعات داخل و اطراف سلولها به حالتی شبیه شیشه و بدون ساختار بلوری تبدیل میشوند و ساختار بافت حفظ میشود، در حالی که حرکت مولکولی عملاً متوقف میگردد.
پژوهشگران این روش را روی برشهای نازکی از هیپوکامپ موش، بخشی از مغز که برای یادگیری و حافظه حیاتی است، آزمایش کردند؛ این نمونهها با استفاده از نیتروژن مایع تا دمای منفی ۱۹۶ درجه سانتیگراد سرد شدند.
سپس این نمونهها در حالت شیشهایشده برای دورههایی از ده دقیقه تا یک هفته کامل نگهداری شدند.
آزمون اصلی هنگام گرم کردن دوباره آغاز شد. پژوهشگران با دقت بسیار بافتها را ذوب کردند تا ببینند آیا نشانهای از حیات باقی مانده است یا نه.
تحلیلهای میکروسکوپی نشان داد غشاهای ظریف نورونها و سیناپسها سالم باقی ماندهاند.
آزمایشهای بیشتر نیز نشان داد میتوکندریها، منابع انرژی سلولها، بدون نشانهای از آسیب در حال فعالیت هستند. این نتایج در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است.
دانشمندان حتی توانستند فعالیت الکتریکی نورونها را ثبت کنند. سلولها در پاسخ به تحریک الکتریکی تقریباً به شکل طبیعی واکنش نشان دادند، هرچند تفاوتهای متوسطی با نمونههای غیرمنجمد وجود داشت.
مهمتر از همه اینکه پژوهشگران نشانههایی از تقویت بلندمدت سیناپسی (LTP) مشاهده کردند؛ فرایندی که تقویت ارتباط بین نورونها را دربر میگیرد و به عنوان یکی از پایههای سلولی یادگیری و حافظه شناخته میشود.
این یافته نشان میدهد نهتنها نورونها زنده ماندهاند، بلکه بخشی از مدارهای پیچیدهای که پایه شناخت هستند نیز سالم باقی ماندهاند.
برای رسیدن به این پیشرفت، پژوهشگران ابتدا برشهای نازکی از هیپوکامپ موش را در ترکیبی قوی از مواد محافظ انجماد قرار دادند تا از شوک سلولی جلوگیری شود.
پس از آمادهسازی کامل، این برشها روی استوانهای مسی که با نیتروژن مایع سرد شده بود قرار گرفتند. در این حالت، حرکت مولکولی تا یک هفته کاملاً متوقف شد.
مرحله گرمکردن دوباره نیز به همان اندازه حیاتی بود. برای جلوگیری از تشکیل یخ در هنگام بازگشت بافت به حالت مایع، نمونهها با سرعت بسیار بالا، حدود ۸۰ درجه سانتیگراد در هر ثانیه، گرم شدند.
پس از ذوب شدن، ترکیب شیمیایی محافظ بهتدریج شسته شد تا سلولها بهطور ناگهانی آب جذب نکنند و نترکند.
در گام بعدی، تیم تحقیقاتی تلاش کرد کل مغز یک موش را به حالت شیشهای تبدیل کند. مانع اصلی در این مسیر سد خونی–مغزی بود؛ سیستمی دفاعی که اجازه عبور آب را میدهد اما مولکولهای بزرگ مواد محافظ را مسدود میکند.
راهحل پژوهشگران این بود که رگهای مغز را بهصورت متناوب با مواد محافظ و محلول حامل شستوشو دهند. این روش باعث شد بافت بهطور یکنواخت از مواد محافظ پر شود بدون آنکه دچار کمآبی شدید یا تورم مرگبار شود.
پس از گرم شدن دوباره، دانشمندان مجموعهای از آزمایشهای دقیق انجام دادند. آنها مصرف اکسیژن سلولها را اندازه گرفتند تا عملکرد میتوکندریها را بررسی کنند، با میکروسکوپهای الکترونی اتصالهای سیناپسی را بررسی کردند و با الکترودهای بسیار کوچک نورونها را تحریک کردند تا پاسخ آنها را ثبت کنند.
نتیجه شگفتانگیز بود: نورونها نهتنها به تحریک پاسخ دادند، بلکه مدارهای پیچیده مرتبط با یادگیری و حافظه نیز همچنان فعال بودند.
با این حال، این مشاهدهها تنها برای چند ساعت امکانپذیر بود، زیرا برشهای مغزی پس از ذوب شدن بهطور طبیعی تخریب میشوند. همچنین این آزمایشها روی برشهای نازک بافت انجام شدهاند، نه یک مغز کامل و زنده.
مریتیونجی کوتاری، مهندس مکانیک متخصص در کرایوبیولوژی، به مجله Nature گفت: «چنین پیشرفتهایی همان چیزی است که بهتدریج داستانهای علمی–تخیلی را به امکان علمی تبدیل میکند.»
با این حال او تأکید کرد که کاربردهایی مانند نگهداری بلندمدت اندامهای بزرگ یا پستانداران کامل هنوز بسیار فراتر از تواناییهای فعلی این پژوهش است.
با وجود این محدودیتها، پیامدهای پزشکی این تحقیق قابل توجه است. این دستاورد میتواند راههای تازهای برای محافظت از مغز پس از آسیب شدید یا در زمان بیماری فراهم کند؛ وضعیتی که در آن ایجاد یک حالت محافظتی و معلق میتواند زمان ارزشمندی برای درمان فراهم کند.
همچنین این پژوهش نشان میدهد ممکن است در آینده بتوان مغزهای اهدایی برای تحقیقات یا حتی اندامهای پیچیده برای پیوند را برای مدت طولانی ذخیره کرد.
این مطالعه قویترین شواهد تاکنون را ارائه میدهد که نشان میدهد علم پایه لازم برای چنین فناوریهایی بهآرامی در حال شکلگیری است.
