ابداع روشی جدید برای احیای سلول‌ های عصبی آسیب دیده با استفاده از الکتریسیته

محققانی که به دنبال یافتن راهی برای احیای سلول‌های عصبی هستند، به‌سختی می‌توانند ابزار مناسب برای انجام این کار را بیابند. برای مثال یاخته‌های شوان (Schwann) را در نظر بگیرید؛ این سلول‌ها غلافی اطرافی آکسون‌ها ایجاد می‌کنند. پایانه‌ی آکسون در واقع شکلی شبیه به دم دارد و وظیفه‌ی آن انتقال پالس‌های الکتریکی است. یاخته‌های شوان به احیای آکسون‌ها کمک می‌کنند و همین‌طور ماده‌ای در خود دارند که سلامت سلول‌های عصبی را تضمین می‌کند.

به همین دلیل محققان برای احیای سلول‌های عصبی، به‌ویژه سلول‌های عصبی پیرامونی که در خارج از مغز و نخاع قرار دارند، از سلول‌های شوان کمک می‌گیرند. اما به دست آوردن تعداد کافی از این سلول‌ها کار راحتی نیست.

بنابراین دانشمندان برای انجام تحقیقات خود از سلول‌های بنیادی مزانشیمی (mesenchymal stem cells) استفاده می‌کنند. این نوع از سلول‌های بنیادی که سلول‌های بنیادی استرومایی مغز استخوان نیز نامیده می‌شوند، به‌صورت آماده در دسترس هستند و قابلیت اطمینان بالایی دارند. سلول‌های بنیادی مزانشیمی به استخوان، غضروف و سلول‌های چربی تبدیل می‌شوند. محققان می‌توانند این سلول‌ها را در طی یک فرآیند شیمیایی به سلول‌های شوان تبدیل کنند. اما این فرآیند بسیار دشوار، زمان‌بر و پرهزینه است.

اکنون محققان دانشگاه ایالتی آیووا به دنبال توسعه‌ی روشی بهتر برای تبدیل سلول‌های مزانشیمی به یاخته‌های شوان هستند. آن‌ها با استفاده از نانوتکنولوژی و چاپگرهای جوهرافشان، مدارهای گرافنی چندلایه‌ چاپ می‌کنند و با استفاده از لیزر، ساختار سطح و رسانایی آن‌ها را بهبود می‌بخشند.

محققان دریافته‌اند که سلول‌های بنیادی مزانشیمی به‌خوبی به مدارهای سه‌بعدی با ساختار نانویی متصل می‌شوند و رشد می‌کنند. اگر میزان کمی الکتریسیته، در حدود ۱۰۰ میلی‌ولت به مدت ۱۰ دقیقه در روز و در طول ۱۵ روز به سلول‌های چسبیده به مدار اعمال شود، آن‌ها تغییر شکل می‌دهند و شبیه یاخته‌های شوان می‌شوند.

یافته‌های این دانشمندان در ژورنال علمی Advanced Healthcare Materials به چاپ رسیده است. نویسنده‌ی اصلی این مقاله، جاناتان کلاسون است. وی دانشیار دانشگاه ایالتی آیووا در رشته‌ی مهندسی مکانیک است و در آزمایشگاه ایمز وزارت انرژی ایالات متحده نیز عضویت دارد. سوپرم داس، دانشیار پژوهشی فوق دکترا در رشته‌ی مهندسی مکانیک و عضو آزمایشگاه ایمز و همچنین متین اوز، دانشیار پژوهشی فوق دکترا در رشته‌ی مهندسی شیمی و بیولوژیکی از دیگر  نویسندگان مقاله هستند.

این پروژه توسط دپارتمان پژوهش‌های پزشکی ارتش ایالات متحده و دپارتمان مهندسی مکانیک از کالج مهندسی دانشگاه ایالتی آیووا پشتیانی مالی می‌شود. اوز در ارتباط با اهمیت این پژوهش می‌گوید:

این تحقیق می‌تواند به ابداع روش جدیدی برای احیای سلول‌های عصبی منجر شود. این تکنولوژی پتانسیل زیادی دارد.

آن‌طور که در مقاله‌ی این تحقیق آمده است، تحریک الکتریکی کارآمدی بالایی در احیای سلول‌های عصبی دارد؛ به‌گونه‌ای که ۸۵ درصد سلول‌های بنیادی به یاخته‌های شوان تبدیل می‌شوند. در حالی که این رقم برای فرآیند شیمیایی استفاده‌شده برای انجام این کار، ۷۵ درصد است. سلول‌های عصبی به وجود آمده از این روش دارای ۸۰ نانوگرم فاکتور رشد عصب در هر میلی‌متر هستند که نسبت به ۵۵ نانوگرم فاکتور رشد عصب در هر میلی‌متر که در روش شیمیایی تولید می‌شود، رقم بالاتری است. محققان در مقاله‌ی خود عنوان می‌کنند که این روش می‌تواند به پیشرفت‌های چشمگیر در درمان جراحات عصبی داخل بدن منجر شود. آن‌ها در خلاصه‌ی یافته‌های خود نوشته‌اند:

این یافته‌ها می‌توانند راه را برای احیای سیستم عصبی پیرامونی هموار کنند؛ جایی که الکترودهای انعطاف‌پذیر گرافنی به‌خوبی در محل جراحت قرار می‌گیرند و می‌توانند با تحریک الکتریکی باعث رشد دوباره‌ی سلول‌های عصبی شوند.

در این مقاله به چند مزیت استفاده از تحریک الکتریکی برای تولید یاخته‌های شوان اشاره شده است:

عامل کلیدی در موفقیت این روش، استفاده از چاپگر جوهرافشان برای چاپ گرافن است که در آزمایشگاه تحقیقاتی کلاوسن توسعه یافته است. در این روش از برخی از ویژگی‌های ماده‌ی گرافن بهره گرفته شده است؛ از جمله این‌که گرافن رسانایی الکتریکی و گرمایی خوبی دارد، محکم است و قابلیت تطبیق با شرایط زیستی دارد به‌گونه‌ای که می‌توان صفحات انعطاف‌پذیر گرافنی را با هزینه پایین تولید کرد، داخل بدن قرار داد یا حتی آن‌ها را پوشید.

اما در راه توسعه‌ی این روش یک مشکل وجود داشت: بعد از چاپ مدار الکتریکی گرافنی، باید خاصیت رسانایی آن بهبود می‌یافت. انجام این کار از دو روش ممکن بود، حرارت دادن به مدار یا استفاده از مواد شیمیایی. اما هر کدام از این دو روش باعث آسیب سطوح کاغذی یا پلاستیکی انعطاف‌پذیر گرافنی می‌شد.

کلاوسن و تیم او روشی برای غلبه بر این مشکل پیدا کردند. آن‌ها با استفاده از لیزر کنترل‌شونده توسط رایانه، بخش‌هایی از صفحات اکسید گرافن چاپ‌شده را تحت تشعشع قرار دادند. در این روش گرافن اکسید تبدیل به گرافن می‌شود؛ یعنی به‌صورت فیزیکی میلیون‌ها دانه‌ی گرافن به یکدیگر می‌چسبند. در نتیجه رسانایی الکتریکی سطح تا هزار برابر بیشتر می‌شود.

شروع همکاری گروه کلاوسن، متشکل از مهندسان نانو که روی تکنولوژی گرافن چاپ‌شده کار می‌کردند، با گروه علمی دیگری، متشکل از مهندسان شیمی که در مورد احیای عصب تحقیق می‌کردند، از یک گفتگوی خودمانی در کمپ دانشگاه شروع شد. در نهایت این گفتگو به انجام آزمایش در مورد چاپ گرافن و تحریک الکتریکی آن منجر شد. داس در این ارتباط می‌گوید:

ما می‌دانستیم که این پلت‌فرم برای تحریک الکتریکی مناسب است. اما گمان نمی‌کردیم که بتوانیم سلول عصبی بسازیم.

اما اکنون با رسیدن به این دستاورد، محققان احتمالات دیگر را نیز در نظر می‌گیرند. برای مثال ممکن است روزی از این تکنولوژی برای ساخت مواد جذب‌ شونده یا حل شونده در محیط زیستی استفاده کرد؛ موادی که باعث احیای سلول‌های عصبی می‌شوند و می‌توان آن‌ها را با جراحی در درون بدن و در قسمت‌های آسیب‌دیده قرار داد. بدون این‌که به عمل جراحی دیگری برای برداشتن آن‌ها نیاز باشد.