ردیابی همزمان میلیونها سلول در شکل‌گیری اندام ممکن شد

با کمک فناوری نوینی به نام ماسکات (به معنای انتقال بهینه چندگانه تک‌سلولی)، پژوهشگران اکنون قادرند میلیون‌ها سلول را به طور هم‌زمان هنگام شکل‌گیری یک اندام جدید مانند لوزالمعده، مشاهده کنند.

به گزارش رسانه اخبار پزشکی مدنا، این روش پیشگامانه توسط گروهی از پژوهشگران بین‌المللی به سرپرستی مرکز هلماهولتز مونیخ توسعه یافته و در نشریه معتبر نیچر منتشر شده است. تا پیش از این، زیست‌شناسان درک محدودی از چگونگی شکل‌گیری سلول‌ها در محیط طبیعی خود، مانند زمانی که یک اندام در جنین تشکیل می‌شود، داشتند.

به گفته دومینیک کلاین، یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش و دانشجوی دکتری در مؤسسه زیست‌شناسی محاسباتی در مرکز هلماهولتز مونیخ و پژوهشگر دانشگاه فنی مونیخ: «روش‌های موجود تنها تصاویر محدودی از تعداد کمی سلول ارائه می‌دادند یا قادر به پیوند فرآیندهای پویا در فضا و زمان نبودند. این محدودیت باعث شده بود که درک ما از تعاملات پیچیده در طول شکل‌گیری اندام‌ها و فرآیندهای بیماری‌زا بسیار محدود باشد.»

دومینیک کلاین به همراه گروهی از پژوهشگران بین‌رشته‌ای به سرپرستی جووانی پالا (مرکز هلماهولتز مونیخ)، ماریوس لانگه (مؤسسه فناوری زوریخ)، میشال کلاین (شرکت اپل) و زو پیران (دانشگاه عبری اورشلیم)، فناوری ماسکات را توسعه دادند. این گروه از نظریه‌ای که در سده هجدهم میلادی شکل گرفته بود الهام گرفتند: نظریه انتقال بهینه که توضیح می‌دهد چگونه اشیاء می‌توانند به کارآمدترین شکل ممکن از یک مکان به مکان دیگر منتقل شوند تا زمان، انرژی یا هزینه به حداقل برسد.

کاربرد این نظریه برای تحلیل دو گروه سلولی پیش‌تر به دلیل حجم بزرگ داده‌های زیستی با محدودیت مواجه بود. اکنون با پیشرفت‌های صورت‌گرفته در هوش مصنوعی و نقش کلیدی مارکو کوتوری (یکی از نویسندگان این پژوهش از شرکت اپل)، این موانع برطرف شده است.

کلاین توضیح می‌دهد: «ما مدل‌های ریاضی خود را به گونه‌ای تنظیم کرده‌ایم که اطلاعات مولکولی و موقعیت سلول‌ها را در بدن هنگام شکل‌گیری بازنمایی کند. نظریه انتقال بهینه به ما کمک می‌کند تا بفهمیم سلول‌ها چگونه حرکت می‌کنند، تغییر می‌کنند و از یک حالت به حالت دیگر منتقل می‌شوند.» این فناوری اکنون امکان مشاهده میلیون‌ها سلول را به طور هم‌زمان و با دقتی که پیش‌تر تصور نمی‌شد، فراهم کرده است.

ماسکات امکان نقشه‌برداری چندبعدی از سلول‌های منفرد در بافت‌های فضایی را فراهم کرده و نقش اساسی در فرآیندهای زیستی پویا ایفا می‌کند. این فناوری میلیون‌ها سلول را در طول زمان به یکدیگر پیوند داده و تغییرات در بیان ژن را با تصمیم‌های سلولی مرتبط می‌کند. ماسکات با بهره‌گیری از الگوریتم‌های پیچیده، مجموعه داده‌های عظیم را تحلیل کرده و هم‌زمان یک رابط کاربری ساده برای زیست‌شناسان ارائه می‌دهد. این فناوری به طور هم‌زمان وضعیت مولکولی شمار زیادی از سلول‌ها را با دقت ثبت کرده و شکل‌گیری آن‌ها را در فضا و زمان توصیف می‌کند. برای نخستین بار، این امکان فراهم شده است که فرآیندهای پیچیده سلولی در کل اندام‌های زنده و موجودات زنده ردیابی و بهتر درک شوند.

کاربرد ماسکات دیدگاه‌های تازه‌ای در زمینه پژوهش‌های مرتبط با لوزالمعده ارائه کرده است. گروه پژوهشی موفق شدند فرآیند شکل‌گیری سلول‌های تولیدکننده هورمون در لوزالمعده را بر اساس اندازه‌گیری‌های چندگانه نقشه‌برداری کنند. با استناد به این یافته‌ها، اکنون دانشمندان می‌توانند سازوکارهای اساسی دیابت را با جزئیات بیشتری بررسی کنند.

پروفسور هایکو لیکرت، مدیر مؤسسه پژوهش‌های دیابت و بازسازی در مرکز هلماهولتز مونیخ و یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش، می‌گوید: «این دیدگاه تازه به فرآیندهای سلولی، فرصت‌هایی را برای درمان‌های هدفمند فراهم می‌کند که به جای رفع نشانه‌های بیماری، به علت‌های اصلی آن می‌پردازند.»

پروفسور فابیان تایس، مدیر مؤسسه زیست‌شناسی محاسباتی در مرکز هلماهولتز مونیخ و استاد دانشگاه فنی مونیخ، اهمیت ماسکات را برای پژوهش‌های زیستی چنین توصیف می‌کند: «ماسکات درک ما از داده‌های زیستی را دگرگون می‌کند. این فناوری به ما امکان می‌دهد نه تنها فرآیند شکل‌گیری سلول‌ها را با جزئیاتی بی‌سابقه ثبت کنیم، بلکه پیش‌بینی‌های دقیقی درباره روند پیشرفت بیماری‌ها انجام دهیم و رویکردهای درمانی شخصی‌سازی‌شده‌ای را توسعه دهیم.»

به گفته تایس، ماسکات نمونه‌ای برجسته از همکاری بین‌رشته‌ای است: «ترکیب موفق ریاضیات و زیست‌شناسی در این پروژه به طور چشمگیری نشان می‌دهد که همکاری میان رشته‌های گوناگون برای دستیابی به پیشرفت‌های علمی واقعی چقدر اهمیت دارد. با همکاری نزدیک با گروه تحت سرپرستی پروفسور هایکو لیکرت در مرکز دیابت هلماهولتز، توانستیم پیش‌بینی‌های ماسکات را از طریق آزمایش‌های آزمایشگاهی اعتبارسنجی کنیم.»