یک گروه پژوهشی به سرپرستی اینکی کیم (Inki Kim)، استاد گروه بیوفیزیک دانشگاه سونگ‌کیون‌کوان (Sungkyunkwan University; SKKU)، با همکاری گروهی به سرپرستی جونگ-چان پارک (Jong-Chan Park) و با مشارکت هان-جون چو (Han-Jun Cho) و یانگ‌جون کیم (Youngjun Kim) این فناوری را توسعه داده‌اند. نتایج این پژوهش در مجله ACS Nano منتشر شده است.
محور اصلی این فناوری، استفاده هم‌زمان از یک اندام‌واره مغزی و حسگری است که می‌تواند یک پیام‌رسان عصبی را با حساسیت بسیار بالا اندازه‌گیری کند. اندام‌واره‌ها (Organoids) ساختارهای سه‌بعدی کوچکی هستند که از سلول‌های بنیادی انسانی در آزمایشگاه رشد داده می‌شوند و برخی ویژگی‌های بافت یا اندام واقعی را بازسازی می‌کنند. پژوهشگران در این مطالعه اندام‌واره‌ای را ایجاد کردند که ویژگی‌هایی از ساقه مغز (Brainstem) را شبیه‌سازی میکند؛ ناحیه‌ای که مغز را به نخاع متصل میکند و در تنظیم عملکردهایی مانند حرکت و تنفس نقش دارد.
این انتخاب از آن جهت اهمیت دارد که بیماری پارکینسون با آسیب و از بین‌رفتن نورون‌های تولیدکننده دوپامین ارتباط دارد. دوپامین یکی از پیام‌رسان‌های عصبی مهم در کنترل حرکت است و کاهش آن می‌تواند به علائمی مانند لرزش و سفتی عضلات منجر شود. بنابراین، اندازه‌گیری میزان دوپامین و تغییرات آن پس از مصرف دارو می‌تواند اطلاعات مهمی درباره پاسخ بافت عصبی به درمان فراهم کند.
یکی از مشکلات روش‌های متداول در مطالعه اثر دارو بر بافت عصبی این است که برای بررسی برخی تغییرات سلولی، نمونه باید تخریب شود یا از روش‌های رنگ‌آمیزی و نشانه‌گذاری اختصاصی استفاده شود. چنین روش‌هایی معمولاً امکان مشاهده مداوم یک بافت زنده را برای مدت طولانی فراهم نمی‌کنند. درنتیجه، مشخص‌کردن زمان دقیق آغاز اثر دارو، رسیدن آن به بیشینه اثر و مدت باقی‌ماندن این اثر دشوار است.
پژوهشگران برای عبور از این محدودیت، از یک حسگر نانوپلاسمونیک (Nanoplasmonic Sensor) استفاده کردند. نانوپلاسمونیک به بهره‌گیری از برهم‌کنش نور با ساختارهای فلزی بسیار کوچک، به‌ویژه نانوساختارهای طلا، برای ایجاد و تشدید پاسخ‌های نوری اشاره دارد. در این فناوری، برخورد نور با نانوساختارهای فلزی می‌تواند پدیده‌ای موسوم به تشدید پلاسمونیک را ایجاد کند؛ پدیده‌ای که تغییرات بسیار کوچک در محیط اطراف سطح حسگر را به تغییرات قابل‌اندازه‌گیری در پاسخ نوری تبدیل میکند.
حسگر طراحی‌شده در این پژوهش از ترکیب نانوحفره‌های طلا (Gold Nanoholes) و یک حفره نوری عمودی تشکیل شده است. پژوهشگران روی سطح این ساختار، یک آپتامر (Aptamer) قرار دادند؛ رشته‌ای مصنوعی از DNA که برای شناسایی انتخابی یک مولکول هدف طراحی شده است. در این مطالعه، آپتامر به‌گونه‌ای طراحی شده بود که به دوپامین پاسخ دهد.
به این ترتیب، زمانی که دوپامین ترشح‌شده از بافت عصبی به سطح حسگر می‌رسد، برهم‌کنش آن با آپتامر باعث تغییر در پاسخ نوری حسگر می‌شود. این تغییر امکان اندازه‌گیری مقدار دوپامین را بدون نیاز به تخریب اندام‌واره فراهم میکند. حساسیت سامانه برای شناسایی دوپامین حدود ۸٫۳ پیکومولار گزارش شد؛ یعنی حسگر قادر بود غلظت‌های بسیار پایین این انتقال‌دهنده عصبی را شناسایی کند.
در مرحله بعد، پژوهشگران حسگر را در یک محیط میکروسیالی (Microfluidic) به کار گرفتند. تراشه‌های میکروسیالی دارای کانال‌هایی بسیار کوچک هستند که امکان انتقال دقیق محیط کشت و مواد مورد نیاز سلول‌ها را فراهم می‌کنند. این ویژگی به پژوهشگران اجازه داد مقدار و زمان ورود دارو به محیط اندام‌واره را کنترل کنند و هم‌زمان تغییرات دوپامین را ثبت کنند.
این سامانه برای مدت ۱۲ ساعت به‌طور پیوسته عملکرد اندام‌واره‌های ساقه مغز را دنبال کرد. آزمایش‌ها در یک مدل آزمایشگاهی از بیماری پارکینسون انجام شد؛ مدلی که در آن ترشح دوپامین کاهش یافته بود. پس از افزودن لوودوپا (L-DOPA)، دارویی که برای افزایش دسترسی به دوپامین در درمان پارکینسون به کار می‌رود، حسگر توانست روند بازگشت ترشح دوپامین را در طول زمان ثبت کند.
مزیت مهم این روش در مقایسه با اندازه‌گیری‌های نقطه‌ای، مشاهده روند کامل پاسخ است. به‌جای آنکه پژوهشگر تنها بداند یک دارو در یک زمان مشخص چه اثری داشته است، سامانه می‌تواند تغییرات پاسخ را در طول چندین ساعت ثبت کند. به این ترتیب، زمان شروع اثر دارو، افزایش پاسخ، رسیدن به بیشینه و کاهش دوباره آن قابل پیگیری است.
پژوهشگران همچنین دریافتند که افزایش غلظت دارو الزاماً به معنای افزایش مطلوب اثر درمانی نیست. با بررسی پاسخ اندام‌واره به غلظت‌های مختلف، این سامانه امکان مقایسه هم‌زمان اثربخشی و ملاحظات مربوط به دوز را فراهم کرد. بر اساس گزارش پژوهشگران، این آزمایش‌ها به شناسایی دوزی کمک کردند که در مدل مورد مطالعه، تعادل مناسب‌تری میان اثرگذاری و ایمنی داشت.
اهمیت این دستاورد تنها در اندازه‌گیری دوپامین خلاصه نمی‌شود. قابلیت پایش پیوسته یک بافت زنده انسانی‌مانند می‌تواند اطلاعاتی را فراهم کند که در آزمایش‌های تخریبی یا اندازه‌گیری‌های مقطعی به‌سادگی به دست نمی‌آید. برای مثال، دو دارو ممکن است در یک زمان مشخص اثر مشابهی نشان دهند، اما سرعت آغاز اثر یا مدت باقی‌ماندن اثر آن‌ها متفاوت باشد. ثبت پیوسته پاسخ می‌تواند چنین تفاوت‌هایی را آشکار کند.
از سوی دیگر، استفاده از اندام‌واره‌های مشتق از سلول‌های انسانی این امکان را ایجاد میکند که مدل آزمایشگاهی، دست‌کم از برخی جنبه‌ها، به زیست‌شناسی انسان نزدیک‌تر باشد. در صورت توسعه بیشتر این فناوری، می‌توان اندام‌واره‌های حاصل از سلول‌های افراد مختلف را برای بررسی تفاوت پاسخ آن‌ها به داروها به کار گرفت. چنین رویکردی می‌تواند در آینده به توسعه درمان‌های متناسب با ویژگی‌های هر بیمار کمک کند.
البته این فناوری هنوز جایگزین آزمایش‌های بالینی یا مدل‌های حیوانی نشده است. اندام‌واره‌های مغزی اگرچه برخی ویژگی‌های بافت انسانی را بازسازی می‌کنند، ساختار و پیچیدگی مغز انسان واقعی را به‌طور کامل ندارند. همچنین، پاسخ مشاهده‌شده در یک مدل اندام‌واره‌ای را نمی‌توان مستقیماً معادل پاسخ بدن بیمار دانست. بنابراین، ارزش اصلی این سامانه در مرحله کنونی، فراهم‌کردن یک ابزار دقیق برای بررسی پاسخ بافت عصبی زنده و مطالعه زمان‌مند اثر داروهاست.
این پژوهش در نهایت چشم‌اندازی را برای توسعه نسل جدیدی از پلتفرم‌های آزمایش دارو ترسیم میکند؛ پلتفرم‌هایی که در آن‌ها یک بافت سه‌بعدی انسانی‌مانند، یک حسگر نانومقیاس و یک سامانه میکروسیالی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. اگر این فناوری در مطالعات آینده با مدل‌های پیچیده‌تر و در نهایت نمونه‌های انسانی اعتبارسنجی شود، می‌تواند به کاهش فاصله میان آزمایش‌های پیش‌بالینی و مطالعات بالینی کمک کند و اطلاعات دقیق‌تری درباره زمان و شدت پاسخ دارویی در اختیار پژوهشگران قرار دهد.
اینکی کیم، سرپرست پژوهش، هدف نهایی گروه را توسعه این فناوری به‌عنوان یک پلتفرم اصلی برای توسعه داروهای متناسب با ویژگی‌های بیمار و مطالعه درمان بیماری‌ها عنوان کرده است. در این مسیر، ترکیب «مغز کوچک» زنده، حسگر نانوپلاسمونیک و تراشه میکروسیالی می‌تواند امکان مشاهده آنچه در یک بافت عصبی زنده رخ می‌دهد را نه در یک لحظه، بلکه در طول زمان فراهم کند؛ قابلیتی که می‌تواند مطالعه پاسخ دارویی در بیماری‌های عصبی را دقیق‌تر و پویاتر کند.