برگزیدگان جایـزه مصطفی (ص)

_

جنگاوری در دره مرگ

برای مبارزه با یک بیماری پیچیده همچون سرطان، اسلحه‌ای دست‌کم به همان پیچیدگی لازم است

چندی پیش بحثی در رسانه‌ها درگرفت بر سر اینکه آیا پزشک-دانشمند یک گونه در خطر انقراض است یا گونه‌ای جدید که از طریق دورگ‌گیری در حال تکامل است. پزشک-دانشمند، به عنوان پلی موثر میان این دو جهان، پزشکی است که برای حل مشکلات بالینی نوعی پژوهش در علوم پایه انجام می‌دهد.

اهمیت این نوع پژوهش در پزشکی فقط آکادمیک نیست. پزشک-دانشمندان، به تعبیری، زبان پزشکان درمانگر را به زبان دانشمندان پژوهشگر "ترجمه" می‌کنند، و برعکس. به این ترتیب آنها در پزشکی به‌اصطلاح ترجمه‌ای یا کاربردی‌سازی علوم پزشکی، که گاه میز (آزمایشگاه) به تخت (کلینیک) نیز نامیده می‌شود، نقش تعیین‌کننده‌ای دارند.

اگر فرض بر این است که پزشک باید متعهد باشد هر کاری که از دستش برمی‌آید برای نجات بیمارش انجام دهد، شاید گاهی سفارش از روی منو و تجویز از میان داروهای موجود و استفاده از ابزارهایی که پیش از این ساخته شده‌اند کافی نباشد؛ شاید گاهی لازم باشد که پزشک به آزمایشگاه بازگردد و برای یافتن دارویی جدید یا اختراع یک ابزار بالینی موثر پژوهش‌های زیست‌پزشکی پایه انجام دهد.
 

دره مرگ

آیا ممکن است که یک دانشمند برجسته در عین حال پزشک برجسته‌ای هم باشد؟ خوب، بله، اما این چیزی نیست که هر روز شاهدش باشید. در حال حاضر، کمبود مزمن و شدید، و حتا روزافزونی، در تعداد پزشک-دانشمندان در سطح جهانی وجود دارد. در آمریکا تنها به 2 درصد از کل پزشکان می‌توان چنین عنوانی داد. به گفته اوگور شاهین، استاد کاربردی‌سازی سرطان‌شناسی و ایمنی‌شناسی و مدیر عامل علم و پژوهش در پژوهشگاه زیست‌داروسازی «کاربردی‌سازی سرطان‌شناسی» (TRON)، «کاربردی‌سازی به این معنا در هیچ برنامه دانشگاهی تدریس نمی‌شود، بلکه چیزی است که با شرکت در گروه‌های پژوهشی میان‌رشته‌ای باید آن را آموخت.»

پژوهشگاه TRON که در سال 2010 با سرمایه اولیه 30 میلیون یورو تاسیس شد، در یک ساختمان پژوهشی تازه‌ساز در پردیس مرکز پزشکی دانشگاه یوهانس گوتنبرگ شهر ماینتس در آلمان قرار دارد. همان‌طور که در صفحه وب این پژوهشگاه اظهار شده، TRON «در پی شیوه‌های تشخیص و داروهای جدید برای درمان سرطان و بیماری‌های وخیم دیگر است.» و رسالت خود را به اجرا درآوردن ایده‌های خلاقانه و یافتن راه‌حل‌های عملی برای چالش‌ها و کاربردی‌سازی و ترجمه یافته‌های علمی به درمان بالینی تعریف می‌کند.

کاربردی‌سازی علوم پزشکی رویکردی میان‌رشته‌ای است و به تخصص‌هایی نیاز دارد که همپوشانی داشته باشند. پزشک-دانشمندان به لحاظ رسمی هم به عنوان یک پزشک درمانگر آموزش دیده‌اند و هم به عنوان یک پژوهشگر علمی؛ در نتیجه هم مدرک پزشکی دارند و هم دکتری که معمولا در علوم زیستی است. مهم‌ترین تفاوت میان یک پزشک-دانشمند و یک پژوهشگر عادی زیست‌پزشکی در تجربه دست‌اول و بی‌واسطه‌ای است که پزشک-دانشمند از کار با بیماران دارد و می‌توان از آن برای هدایت پژوهش در آزمایشگاه استفاده کرد.

با این حال، کار گروهی خودبه‌خود اتفاق نمی‌افتد. به قول معروف «جمع کردن بازیکنان خوب آسان است، سختی کار در آن است که کاری کنید تا با هم بازی کنند.» به گفته شاهین «تشکیل گروهی از دانشمندان میان‌رشته‌ای چالش ساده‌ای نیست، زیرا زمان می‌برد تا چنین گروه متنوعی بتوانند با هم روان کار کنند.»

پژوهشگاه TRON تلاش می‌کند توضیح دهد که چرا این رویکرد جدید اساسا متفاوت از رویکرد سنتی است: «از دیرباز، صنعت داروسازی اکتشافات پژوهش‌های پایه را مورد آزمون‌های بالینی قرار داده است. اما تحولات اخیر تغییر چشمگیری در این فرایند پدید آورده‌اند. در نتیجه رویکرد سنتی دو بخش پژوهش‌های پایه و بالینی از هم فاصله گرفته‌اند و شکاف حاصل در پژوهش‌های کاربردی‌سازی "دره مرگ" نامیده می‌شود.»

یکی از زشت‌ترین دیوهای ساکن این "دره مرگ" بی‌تردید سرطان است. به گفته شاهین «درمان موجود برای بعضی انواع سرطان در چند دهه گذشته تغییر چندانی نکرده است و هرچه سریع‌تر باید راه‌حل بالینی جدیدی برایشان یافت.» در پژوهشگاه TRON دو گروه پژوهشی فعال است که هر دوی آنها روش‌های آینده‌داری را برای درمان سرطان دنبال می‌کنند، اما با رویکردهای متفاوت: «مرکز ساخت زیست‌نشانگر» که برای انواع سرطان زیست‌نشانگر بالینی یا شاخص وضعیت می‌سازد، و «مرکز ایمنی‌درمانی» که در پی مقابله با سرطان با کمک دستگاه ایمنی انسان است.

یک فکر احمقانه

استفاده از دستگاه ایمنی برای مقابله با سرطان، یا ایمنی‌درمانی سرطان، از همان ابتدا «فکر احمقانه‌ای» به شمار می‌آمد. شاهین و همسرش، اوزلم تورچی، که هر دو در خانواده‌هایی از مهاجران ترکیه‌ای در آلمان به دنیا آمده‌اند، در اوایل دهه 1990 که دانشجوی پزشکی دانشگاه یوهانس گوتنبرگ در ماینتس بودند به فکر واکسن سرطان افتادند.

شاهین می‌گوید «این یک نیاز پزشکی بسیار مبرم است. هر سال حدود 10 میلیون بیمار در اثر سرطان جان خود را از دست می‌دهند. پژوهش‌های من بر موضوع ایمنی‌درمانی متمرکز است. ما داریم برای سرطان درمان‌هایی همچون واکسن و پادتن می‌سازیم تا دستگاه ایمنی بیمار را برای حمله به سلول‌های سرطان آگاه و توانمند کنیم.»

منطق کار ساده است: هیچ دو بیماری در سلول‌های سرطانی‌شان جهش‌های ژنتیکی دقیقا یکسانی ندارند و بنابراین درمان هر بیمار باید برای خود او شخصی‌سازی شود. تنها دستگاه بدن که می‌تواند سازش یابد دستگاه ایمنی است. بنابراین، این دستگاه ایمنی است که باید به عنوان دفاع به کار گرفته شود. مساله حل شد!

متاسفانه، ترجمه این ایده به واقعیت و به خدمت گرفتن دستگاه ایمنی برای مبارزه با سرطان در عمل به هیچ وجه آن‌طور که به نظر می‌رسد ساده نیست. سه دهه پیش، بیشتر شرکت‌های داروسازی ایده ساخت واکسن برای سرطان را احمقانه می‌دانستند و حاضر نبودند به مفاهم ایمنی‌درمانی حتا فکر کنند.

شاهین، برگزیده جایزه مصطفی 2019 برای «ساخت و آزمایش بالینی واکسن درمان سرطان بر اساس RNA پیام‌رسان برای هر فرد بیمار با توجه به جهش‌هایش» می‌گوید «پژوهش‌های من درباره توانمندسازی دستگاه ایمنی بیمار برای مبارزه با سرطان و بیماری‌های دیگر است.»

شاهین توضیح می‌دهد که بزرگ‌ترین چالش برای درمان سرطان آن است که هر بیمار دارای نوع متفاوتی از سرطان است. حتا در یک بیمار نیز میلیاردها سلول سرطانی وجود دارد که همه با هم متفاوت‌اند. شیوه کنونی درمان سرطان این چالش را نادیده می‌گیرد. به همین دلیل است که معمولا فقط 20 تا 30 درصد از مبتلایان سرطان به درمان پاسخ می‌دهند.

او می‌گوید «پرسش کلیدی در پژوهش‌های من این است که چگونه می‌توان درمان‌هایی برای سرطان ابداع کرد که این چالش را بپذیرند و با آن مقابله کنند. پژوهش‌های من به ابداع ایمنی‌درمانی سرطان به شیوه سفارشی برای هر فرد انجامیده است. به این معنا که ما سرطان هر فرد بیمار را جداگانه تحلیل می‌کنیم، ویژگی‌های منحصر به فرد سرطان آن بیمار را شناسایی می‌کنیم و سرانجام واکسنی می‌سازیم که برای آن فرد مناسب است. به عبارت دیگر، هر فرد از درمان منحصر به فردی برخوردار می‌شود.»

برای ایجاد ایمنی در برابر سرطان، باید نوعی لنفوسیت به نام سلول T که نقشی حیاتی در واکنش ایمنی بدن بازی می‌کند را هدایت کرد تا به پروتئین‌هایی روی سطح سلول‌های سرطانی حمله کند که توسط ژن‌های جهش‌یافته بیان می‌شوند. این در حالی است که تشخیص این نوع جهش‌ها از سوی دستگاه ایمنی بدن خیلی دیر و خیلی ناکافی است.

راه‌حل نبوغ‌آمیز شاهین و گروهش واکسن‌هایی شخصی‌شده است که به سلول‌های T بدن آموزش می‌دهند به تومورهای سرطانی حمله کنند. آنها از RNA پیام‌رسان استفاده و آن را طوری رمزگذاری می‌کنند که حاوی تمام اطلاعات لازم برای سلول‌های T باشد و به آنها بگوید چه پروتئین‌هایی باید بسازند. این RNA پیام‌رسان مهندسی‌ساز به آنها امکان می‌دهد پروتئین‌های جهش‌یافته بی‌همتای روی سطح سلول‌های سرطانی یک فرد را شناسایی کنند و واکنش ایمنی فرد را در برابر طیفی از جهش‌های سرطانی بسیج می‌کند.

با این همه، این روش تنها در صورتی جواب می‌دهد که بتوان جهشی اختصاصی پیدا کرد که در جای دیگری از بدن یافته نشود. فرایند یافتن جهش‌ها و قرار دادن آنها در RNA پیام‌رسان از طریق فناوری‌های سریع‌تر محاسبه کامپیوتری و ردیف‌یابی ژن‌ها تسهیل و تسریع شده است.

روحیه جنگاوری

در سال 2017 ژورنال نیچر دو مقاله جالب چاپ کرد که کارایی این شیوه درمان را نشان می‌دهند. هر دو پژوهش برای نخستین بار این شیوه را در مورد انسان به کار برده‌اند. یکی از آنها در شرکت زیست‌فناوری BioNTech انجام شده است، شرکتی پیشگام در زمینه ایمنی‌درمانی فردی که در سال 2008 تاسیس شده و اوگور شاهین مدیرعامل اجرایی آن است. شاهین و نویسندگان دیگر این مقاله نشان دادند که واکسن توانسته جلوی انتشار سرطان پوست را در پنج بیمار بگیرد و تومورهایشان را کوچک کند.

آنها در این مقاله می‌نویسند «پژوهش ما ثابت می‌کند که می‌توان از جهش‌های فردی استفاده کرد و از این طریق راهی به سوی ایمنی‌درمانی شخصی برای مبتلایان سرطان گشود.» به نظر می‌رسد که ایمنی‌درمانی و ساخت واکسن برای سرطان بر پایه RNA پیام‌رسان دارد به مرحله بهره‌برداری بالینی می‌رسد: نمونه‌ای حقیقی از ثمربخش بودن پژوهش‌های میز به تخت.

در دو سال گذشته، شرکت‌های داروسازی بسیاری به سرمایه‌گذاری در این شیوه جدید انتقال اطلاعات ژنتیکی و گروهی از داروهای جدید که بالقوه می‌تواند از آن نتیجه شود علاقه نشان داده‌اند. اما کارایی واکسن سرطان هنوز به اثبات نرسید و تلاش‌های بسیاری از این دست در گذشته سرنوشتی جز تبدیل شدن به جرقه‌ای از امید فرومرده و اضافه شدن به فهرست بلند تلاش‌های نافرجام نداشته‌اند. با این همه، برای مبارزه با یک بیماری پیچیده اسلحه‌ای دست‌کم به همان پیچیدگی لازم است، و البته روحیه جنگاوری.

تغییر جهان

نگاهی خودمانی به زندگی دکتر علی خادم‌حسینی

برای یک پژوهشگر رشته مهندسی زیستی، بهشتی خوشایندتر از آزمایشگاهی روی «پل» میان یک دانشکده پزشکی و یک دانشکده مهندسی در یکی از پیشروترین دانشگاه‌های جهان نمی‌توان متصور شد. درست اینجا، روی این پل استراتژیک، آزمایشگاه خادم‌حسینی در دانشگاه UCLA قرار دارد. علی خادم‌حسینی، استاد کرسی لوی نایت در رشته‌های مهندسی زیستی، مهندسی شیمی و رادیولوژی در دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس، می‌گوید «پژوهش‌های ما واقعا میان این دو پل می‌زنند و این یکی از چیزهایی است که مرا بسیار هیجان‌زده می‌کند.»

علی خادم‌حسینی 8 آبان 1354 در تهران به دنیا آمد. می‌گوید «به یاد دارم که من و برادرم در خانواده‌ای صمیمی بزرگ شدیم. پدر و مادر همیشه تشویق‌مان می‌کردند که نهایت تلاش‌مان را انجام دهیم و پیشرفت کنیم. به گمانم هم پدر و هم مادرم به من کمک کرده‌اند که در زندگی به ارزش‌های مهمی پایبند باشم.»

سپس با آغاز جنگ میان ایران و عراق در سال 1359 در زمانی که او تنها پنج سال داشت، همه چیز تغییر کرد. می‌گوید «به روشنی به یاد می‌آورم که یک بار نشسته بودیم که ناگهان از چند خانه آن‌طرف‌تر ابری به شکل قارچ بالا رفت، خانه‌ای که یکی از موشک‌ها به آن خورده بود. بدیهی است تجربه‌هایی هستند که هرگز نمی‌توان فراموش‌شان کرد اما در عین حال، سبب می‌شود قدر فرصت‌هایی که اکنون دارید را بدانید.»

وقتی علی 12 ساله بود، سرگرمی‌اش در خانه بازی‌های ویدئویی و مطالعه بود و از ورزش‌های بیرون از خانه نیز لذت می‌برد. درس‌های مورد علاقه‌اش در مدسه ریاضی و علوم بود. در دوره‌های گوناگون شغل‌های مختلفی را برای آینده‌اش انتخاب می‌کرد، از ورزشکار حرفه‌ای و شطرنج‌باز گرفته تا معلم دبیرستان. اما بعدها که به دانشگاه رفت و به اشتیاقش به پژوهش پی برد، دلش خواست که دانشمند شود.

او می‌گوید «همیشه علاقه داشتم بدانم جهان چگونه کار می‌کند و چه قانون‌های بنیادی بر آن حاکم‌اند. فیلم‌های مستند درباره طبیعت، علم و فناوری زیاد تماشا می‌کردم. اما با وجود همه اینها به گمانم تا پیش از سال سوم دانشگاه که نخستین بار پژوهش را تجربه کردم علاقه واقعی‌ام برانگیخته نشد.»

در تابستان سومین سالی که در دانشگاه تورنتو مهندسی شیمی می‌خواند، این فرصت برایش فراهم شد که تحت نظر دکتر مایکل سفتون در پژوهشی در حوزه زیست‌ماده برای دانشجویان دوره کارشناسی مشارکت داشته باشد. برایش بسیار جذاب بود که ببیند دانش مهندسی که در دانشگاه سرگرم تحصیلش بود به کار حل مشکلات مهم پزشکی می‌آید.

پس از گرفتن مدرک کارشناسی ارشد از دانشگاه تورنتو (1380)، به عنوان دانشجوی دوره دکتری در دانشگاه ام‌آی‌تی پذیرفته شد. در آنجا با دکتر رابرت لنگر، یکی از دوازده استاد ممتاز ام‌آی‌تی و چهره‌ای با شهرت جهانی در زمینه مهندسی زیست‌پزشکی، آشنا شد و از او الهام گرفت. می‌گوید «پروفسور رابرت لنگر نشانم داد که در آنچه یک فرد می‌تواند به دست آورد هیچ حد و مرزی وجود ندارد. او در پیشرفت حرفه‌ای من نقش واقعا مهمی داشت. شاهد فروتنی و مهربانی آن شخص با مردمی که با آنها سروکار دارد هستید. و این ذهنیت شما را تغییر می‌دهد. هنوز به من انگیزه می‌دهد و مرا به جلو می‌راند.» خادم‌حسینی مدرک دکتری‌اش در مهندسی زیستی را در سال 2005 از ام‌آی‌تی گرفت و دکتر لنگر استاد راهنمایش بود.

استاد دیگری که تاثیر زیادی بر خادم‌حسینی گذاشت نیکلاس پپاس از دانشگاه تگزاس در آستین است که کمکش کرد تا مهارت‌هایش را در زمینه «تفکر انتقادی و مدیریت زندگی دانشگاهی» بهبود دهد.

خادم‌حسینی مدتی استاد دانشکده پزشکی هاروارد و مدیر «پژوهشگاه نوآوری زیست‌مواد» بود که طرحی پیشگام در ساخت مواد مهندسی‌شده برای کاربردهای زیست‌پزشکی است. پس از آن به «برنامه علوم سلامت و فناوری» پیوست که یکی از بزرگ‌ترین همکاری‌های دانشگاهی میان هاروارد و ام‌آی‌تی در نیم قرن گذشته است. از آبان 1396 به دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس پیوست و مدیر بنیانگذار «مرکز درمان‌های کم‌تهاجمی» در این دانشگاه است.

خادم‌حسینی تلاش می‌کند با ادغام مهندسی و پزشکی انواع گوناگونی از راهکارهای تشخیصی و درمانی را ابداع کند. برای مثال، گروه او با بهره‌گیری از پیشرفت‌هایی که در زمینه زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی، چاپ سه‌بعدی و علم مواد صورت گرفته، راه‌هایی برای مهندسی بافت‌های مصنوعی ابداع می‌کند. او می‌گوید «پژوهش‌های ما می‌توانند با ساخت درمان‌های ماندگاری که می‌توانند در بسیاری از انواع مختلف بیماری‌ها، از سرطان گرفته تا زخم‌ها و نارسایی اندام‌ها در نتیجه پیری، به بیماران کمک کنند، تاثیر چشمگری در پزشکی داشته باشند. کار ما از توانایی تغییر شیوه درمان برخوردار است.»

خادم‌حسینی نویسنده بیش از 600 مقاله علمی و فصل در کتاب‌ها است که تاکنون بیش از 55 هزار بار (که 75 درصد آنها در پنج سال گذشته بوده) به آنها ارجاع داده شده و شاخص اچ او در علم‌سنجی را به 123 رسانده‌اند. او در چند سال گذشته همواره از سوی موسسه تامسون رویترز به عنوان یکی از «تاثیرگذارترین اندیشمندان جهان» انتخاب شده و نامش در فهرست «پرارجاع‌ترین پژوهشگران» موسسه وب آو ساینس آمده است. این فهرست اختصاص به پژوهشگرانی دارد که آثارشان در رتبه یک درصد نخست پرارجاع‌ترین آثار هر رشته در سال جای می‌گیرد. او ضمنا عضو هیات دبیران ژورنال‌های بسیاری با ضریب اثرگذاری بالا مانند ای‌سی‌اس نانو، اسمال، بایوفابریکشن، لب آنِ چیپ، و بایوماکرومولکولز است.

خادم‌حسینی برنده بیش از 40 جایزه ملی و بین‌المللی مهم، ازجمله جایزه سال 2011 ریاست‌جمهوری آمریکا برای دانشمندان و مهندسان تازه‌کار، است و در بسیاری از انجمن‌های علمی، چه در آمریکا و چه در کشورهای دیگر، ازجمله «انجمن پیشبرد علوم آمریکا» و «انجمن سلطنتی شیمی»، عضویت دارد.

خادم‌حسینی مرد خانواده است. می‌گوید «وقتی خانه هستم دوست دارم با پسرم بازی کنم و چیزهایی یادش بدهم. عاشق اینم که با پسرم وقت بگذرانم! گذشته از این، دوست دارم با دوستانم هم وقت بگذرانم. همسرم نیز همیشه حامی من بود و سعی می‌کنیم در روزهای آفتابی لس‌آنجلس با هم بیرون برویم و در جاده‌های کالیفرنیا رانندگی کنیم.»

دوست دارد به عنوان یک استاد راهنمای خوب نیز شناخته و به یاد آورده شود. می‌گوید «به تمام کسانی که با من در تماس هستند اهمیت می‌دهم و تمام تلاشم را انجام می‌دهم تا مطمئن شوم که زندگی خوبی داشته باشند.» بسیاری از دانشجویان سابقش و پژوهشگران پسادکتری که در آزمایشگاه او بوده‌اند اکنون به عنوان پژوهشگرانی موفق در معتبرترین دانشگاه‌های جهان کار می‌کنند. به همین دلیل است که از ام‌آی‌تی عنوان استاد راهنمای برجسته دانشجویان کارشناسی را دریافت کرده است.

بسیاری از دانشجویانی که علاقه‌مند هستند با خادم‌حسینی کار کنند، به‌ویژه از ایران و کشورهای دیگر خاورمیانه، تلاش می‌کنند به آزمایشگاه او راه پیدا کنند. می‌گوید «همیشه خودم را جای یکی از کسانی می‌گذارم که برای پیوستن به آزمایشگاه من درخواست می‌دهند. مهم‌ترین توصیه‌ام به همه دانشجویان این است که نخست چیزهای مختلف را امتحان و علاقه خود را پیدا کنند.» به عقیده خادم‌حسینی یک پژوهشگر باید باور داشته باشد که دارد مساله مهمی را حل می‌کند. به نظر او «کاری که انجام می‌دهیم فقط برای سرگرمی نیست، مثل حل جدولی که در نهایت برای کسی اهمیتی ندارد. اگر کارتان را درست انجام بدهید، می‌توانید اثرگذار باشید، می‌توانید جهان را تغییر دهید.»
 

چاپ حیات یدکی

زیست‌سازی شاید متعلق به آینده نسبتا دور باشد، اما با این حال آینده پزشکی به نظر می‌رسد

زیست‌سازی شبیه واژه‌ای است که تمام رویاهای خوب یک بیمار نیازمند پیوند و یک مهندس زیستی را یکجا در خود مجسم می‌کند. اگر کلیه‌هایتان از کار افتاده باشند، دوست دارید یک جفت کلیه نو برایتان چاپ شود؟ اگر هیچ ریه‌ای با سازگاری بافتی برای بیمار در آستانه مرگ شما در دست نباشد، دوست دارید با استفاده از سلول‌های خودش یک جفت ریه نو برایش چاپ کنید؟ آیا این به نظرتان شبیه نمونه‌ای افراطی از تبدیل علم به جادو است؟

بافت‌ها و اندام‌های موجودات زنده نتیجه فرایندهای تکوینی با برنامه‌ریزی ژنتیکی هستند که طی مدتی دراز تکامل یافته‌اند. اکنون به نظر می‌رسد که زیست‌سازی به جایگزینی مصنوعی برای ساخت بافت‌ها و حتا اندام‌های کامل تبدیل شده است: حیات نسخه دوم. و نیاز به حیات نسخه دوم زمانی از همه مبرم‌تر است که حیات نسخه نخست از کار افتاده باشد؛ نوعی زندگی پس از زندگی.

***

جمعیت جهان در دهه‌های آینده پیرتر خواهد شد و برآورد می‌شود که تعداد افراد بالای 65 سال تا 2050 دو برابر شود و یک ششم از کل جمعیت جهان را تشکیل دهد. شیوه‌های کنونی درمان، ازجمله مفصل مصنوعی و پیوند عضو، با مشکلات بسیاری همچون عفونت، تومورهای بدخیم، ضرورت سرکوب دستگاه ایمنی و کمبود اندام برای پیوند روبه‌رو هستند. سازه‌های سه‌بُعدی و سایر درمان‌های بازساختی یا ترمیمی گزینه مطمئنی برای مقابله با فرسودگی طبیعی اندام‌های این جمعیت پیر از طریق جراحی‌های کم‌تهاجمی فراهم می‌کنند.

چاپ کُن یا بمیر

اصل پایه چاپ زیستی ساخت افزایشی یا معجونی از سلول‌ها، الیاف و ژل است که لایه به لایه روی هم چاپ می‌شود. به این ترتیب فناوری چاپ سه‌بعدی به عنوان ابزاری نیرومند برای قرار دادن دقیق سلول‌ها در یک ماتریس نقشی محوری در زیست‌سازی دارد.

بسیاری از بافت‌ها از چندین نوع سلول تشکیل می‌شوند. بنابراین بهترین حالت این است که به جای استفاده از سلول‌های بنیادی و ماندن در انتظار تمایزیابی آنها تمام انواع این سلول‌ها با هم چاپ شوند. پژوهشگران امیدوارند که این بافت‌های چاپ‌شده در ادامه خود را از نو سازمان‌دهی کنند و شکل ساختاری کاملا بالغ و به‌هم‌پیوسته را به خود بگیرند.

در حال حاضر فهرست سازه‌ها، یا چیزهایی که می‌توان با این جوهر زیستی چاپ کرد، طولانی است و طیفی از بافت‌ها نظیر پوست، زردپی، غضروف، استخوان، رگ خونی، عصب، سلول‌های جزیره‌ای لوزالمعده، نای، و همچنین اندام‌های کاملی مانند کلیه، مثانه، کبد، ریه، قلب و غیره را در بر می‌گیرد.

این بافت‌ها و اندام‌ها را می‌توان هم در درمان و هم در پژوهش به کار برد: آنها می‌توان به عنوان جانشینی در افراد نیازمند پیوند به کار گرفت و با بافت یا اندام آسیب‌دیده تعویض کرد. و از سوی دیگر می‌توان از آنها به عنوان مدلی واقع‌گرا برای آزمودن داروهای جدید و کشف سازوکارهای زیست‌شناسی سلول استفاده کرد و کاربرد جانوران در پژوهش را کاهش داد.

استخوان‌های بحث‌انگیز

جوهر زیستی مورد استفاده در چاپ سه‌بعدی در واقع یک زیست‌ماده آکنده از سلول است که به خورد دستگاه چاپگر داده می‌شود. برای مثال، جوهری که برای چاپ زیستی استخوان به کار می‌رود آبژل حاوی سلول، سرامیک‌های زیست‌فعال و عوامل رشد است که باید در دمای عادی بدن پایدار باشند. آبژل‌ها در واقع شبکه‌هایی از پلیمرهای آب‌دوست مانند کلاژن یا پلی‌ساکاریدها هستند که وقتی آب دریافت کنند به شکل ژل درمی‌آیند (بیش از 90 درصدشان آب است). در اصل آبژل مانند یک بافت طبیعی است که از تمام سلول‌هایش خالی شده باشد. پژوهشگران برای آنکه به آبژل‌ها شکل سه‌بعدی استواری بدهند به تقلید از داربست یک بافت طبیعی از نانوالیاف برای پیوندهای تقاطعی استفاده می‌کنند. و به عنوان واسطه‌ای عمل می‌کنند که می‌توان با افزودن مولکول‌های پیام‌رسان زیستی به آنها سلول‌ها را مدیریت کرد.

رایج‌ترین آبژل در چاپ زیستی آلژینات، یا نمک‌های اسید آلژینیک است، پلی‌ساکاریدی که از جلبک قهوه‌ای به دست می‌آید. آلژینات در تماس با آب به صمغی چسبناک و پرروزن تبدیل می‌شود و به دلیل ارزانی و طبیعت زیست‌سازگارش بیش از همه مواد زیستی به کار می‌رود. یک ماده زیستی دیگر که درباره کاربردش به عنوان جوهر زیستی دارد تحقیق می‌شود فیبروین ابریشم است که هم از کرم ابریشم و هم از تار عنکبوت به دست می‌آید.

آنچه هم‌اکنون با تکنولوژی سه‌بعدی چاپ می‌شود داربست‌هایی است که در مرحله بعد می‌توان آنها را با سلول‌های بافت مورد نظر بذرافشانی کرد. اما اکنون پرینت زیستی سه‌بعدی یک گام دیگر به جلو برداشته و از جوهر زیستی حاوی سلول‌ها و مواد زیست‌فعال استفاده می‌کند و مزیت‌های بسیاری نسبت به چاپ دومرحله‌ای «سنتی» دارد.

استخوان‌ها ازجمله پرتقاضاترین بافت‌ها در جراحی‌های پیوند هستند. استخوان در نتیجه عوامل بسیاری همچون ناهنجاری‌های مادرزادی، ضربه، بیماری یا جراحی ممکن است آسیب ببیند. پیوند استخوان برای ترمیم ساختار و کارکرد معمولا از بدن همان شخص تامین می‌شود یا از سوی شخص دیگری اهدا می‌شود، و از آنجا که این پیوند حتما باید سالم باشد، باید آن را منبعی محدود به شمار آورد. و زیست‌مواد مصنوعی نیز این خلاء را به درستی پر نمی‌کنند. هرچه باشد، استخوان بافت زنده پیچیده‌ای با رگ‌های خونی است و استفاده از این فناوری در درمان می‌تواند با مشکلاتی همچون واکنش ایمنی یا نداشتن ویژگی‌های مکانیکی مناسب یا توان جوش خوردن با محل پیوند در بدن گیرنده همراه شود.

در آینده نسبتا نزدیک

با در نظر گرفتن تمام این چالش‌های هولناک، تعجبی ندارد که چاپ سه‌بعدی به یکی از مرزهای حوزه پژوهشی پزشکی بازساختی تبدیل شد که با سرعت رو به پیشرفت است. ساخت سازه‌های سفارشی پیچیده برای درمان بازساختی شخصی در این اواخر توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است.

بیشتر آنچه در بالا گفته شد و خیلی بیش از این در قلمرو پژوهشی علی خادم‌حسینی، استاد مهندسی زیستی و مدیر «مرکز درمان‌های کم‌تهاجمی» دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس قرار می‌گیرد. او که یکی از پیشروترین متخصصان مهندسی بافت در سطح جهانی است، تصدیق می‌کند که در حال حاضر هدف اصلی چاپ زیستی کاربرد آزمایشگاهی آن برای کاهش تعداد داروهای بی‌اثر است. به این روش آزمودن داروهای مختلف روی بافت بی‌همتای هر بیمار به لحاظ ژنتیکی در خارج از بدنش پیش از تجویز آن دارو برای او امکان‌پذیر می‌شود.

خادم‌حسینی، برگزیده جایزه مصطفی(ص) 2019 برای «آبژل‌های نانو و میکروساخت برای کاربردهای زیست‌پزشکی»، می‌پذیرد که بیشتر آنچه در رویاپردازی‌های رشته چاپ زیستی دیده می‌شود، به‌ویژه به شکل پیوند از طریق قرار دادن سلول‌ها در سازه‌ای چاپ‌شده و تبدیل آن به یک بافت زنده کارکردی، «هنوز متعلق به آینده نسبتا دور است.» در آینده، حتما می‌توانیم با استفاده از داده‌های ژنومی هر شخص برای او بافت‌ها و اندام‌های سفارشی بسازیم.

این نوع آزمایش‌ها هم‌اکنون در جریان است و نتایج آنها برای بهبود قابلیت پیش‌بینی وارد الگوریتم‌های یادگیری ماشینی می‌شود. اگرچه چالش‌ها بی‌کران و بی‌شمارند، اما آن‌طور که خادم‌حسینی در گفت‌وگویی با رسانه دانشکده مهندسی ساموئلی در دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس می‌گوید، «مطمئم که با گذشت زمان خواهیم توانست همه آنها را حل کنیم.» هم‌اکنون انبوهی از پژوهشگران خاورمیانه‌ای دارند در معتبرترین دانشگاه‌های جهان، ازجمله دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس و دانشکده پزشکی هاروارد، روی موضوعات مشابه کار می‌کنند.

تمام این بحث‌های مربوط به چاپ زیستی بسیاری از افراد را به یاد سریال تلویزیونی «دنیای غرب» می‌اندازد که بر اساس اثری از مایکل کرایتون که در سال 1973 نوشته شده ساخته شده است. تیتراژ ابتدایی سریال دو چاپگر سه‌بعدی را نشان می‌دهد که همزمان کار می‌کنند و از دهانه‌هایشان آخرین مراحل دستگاه‌های اسکلتی-ماهیچه‌ای، گردش خون و سرانجام پوست میزبان‌های روباتی یک شهر بازی همراه با اسب‌ها و تفنگ‌هایشان بیرون می‌آید. اما در سرتاسر جهان آزمایشگاه‌های بسیاری هستند که با تمام توان سرگرم پژوهش و ساخت تک‌تک ابعاد این ایده هستند. بسیاری از این تخیلات به زودی تبدیل به علم واقعی خواهند شد.

نجواگر آذرخش

نگاهی خودمانی به زندگی عمران ساواش اینان

پس از نیمه‌شب 15 سپتامبر سال 2015، عمران اینان، استاد مهندسی برق در دانشگاه استنفورد، و همکارانش تصویر رویداد آذرخش خیره‌کننده‌ای را بر فراز سلول‌های توفان تندری که 200 کیلومتر دور از محل استقرارشان خوشه شده بودند، ضبط کردند. نخستین مورد از چنین رویدادهایی حدود یک دهه پیش‌تر توسط دوربین‌های ویدئویی ثبت شده بود. بنابراین آنها از قبل انتظار نوع عجیبی از تخلیه الکتریکی را داشتند اما آنچه مشاهده کردند فراتر از انتظارشان بود. آن رویداد ظاهرا یک آذرخش رو به بالا موسوم به «فواره آبی» بود، اما این بار فواره آذرخش تا ارتفاع حدود 70 کیلومتر در آسمان بالا رفت، ارتفاعی تقریبا دو برابر حد نهایی فواره‌های آبی متعارفی که تا پیش از آن مشاهده شده بود.

آن شب، اینان و همکارانش در واقع نوع جدیدی از تخلیه‌های الکتریکی را کشف کردند که اکنون به «فواره‌های غول‌آسا» شهرت دارد. آنها در گزارش این رویداد که در ژورنال نیچر چاپ شد، نوشتند «از آنجا که این پدیده بر فراز یک سلول طوفان تندری نسبتا کوچک مشاهده شده است، حدس می‌زنیم که رویداد رایجی باشد.» اما بعدها معلوم شد که این‌طور نیست، فواره‌های غول‌آسا به حدی نادر هستند که از آن زمان تاکنون تنها دوجین از آنها مشاهده شده است.

نه چندان مهندس

عمران ساواش اینان، متولد ارزنجان در ترکیه (1950)، استاد بازنشسته مهندسی برق دانشگاه استنفورد، به عنوان یک پژوهشگر پیشرو در زمینه بررسی پدیده‌های لایه‌های فوقانی جو شهرت جهانی دارد. با وجود سوابق تحصیلی‌اش در رشته مهندسی برق در دوره کارشناسی (1972) و کارشناسی ارشد (1973) در دانشگاه فنی خاورمیانه در آنکارا، بسیاری از پرارجاع‌ترین مقاله‌های او در حوزه فیزیک فضایی مجاور زمین هستند. وقتی برای دوره دکتری مهندسی برق به دانشگاه استنفورد رفت، دریافت که گروه پژوهشی او روی موضوع‌هایی کار می‌کنند که بیشتر به فیزیک فضایی و جوی مربوط است تا مهندسی. اینان می‌گوید «در ابتدا نگران این مساله بودم که این زمینه پژوهشی بیش از حد تخصصی است، به‌ویژه وقتی که به ترکیه بازگردم.»

در ادامه به فیزیک و شیمی جو فوقانی علاقه‌مند شد و در حالی که می‌توانست به هر گروه پژوهشی دیگری در دانشکده مهندسی برق ملحق شود، ترجیح داد همان حوزه را دنبال کند، حوزه‌ای که به کلی برای او تازگی داشت و چالش‌برانگیز بود. به گفته او «به خاطر پشتوانه آموزش قوی‌ام در ترکیه، تمایل ذاتی‌ام به موضوع، و البته به خاطر اینکه همیشه ترجیح می‌دهم به جای در پیش گرفتن مسیر سرراست خودم را به چالش بکشم، تصمیم گرفتم در همان موضوع ادامه دهم.»

با این حال، این تصمیم می‌توانست در کودکی او نیز ریشه داشته باشد. پدرش رئیس اداره پیش‌بینی در سازمان هواشناسی ترکیه بود، و واضح است که پیوند و ارتباط اینان با امور جوی از جمله آذرخش در کودکی احتمالا از هر کودک دیگری بیشتر بود. شغل پدرش به عنوان کارمند خدمات عمومی به شکل دیگری نیز بر آینده حرفه‌ای او اثر گذاشت. اینان در کودکی خیلی اهل ماندن در خانه نبود و همراه دو برادرش با بچه‌های محله‌شان فوتبال و والیبال بازی می‌کردند. اما هر بار که دولت تغییر می‌کرد پدرش نگران این مساله می‌شد که برای خدمت در شهر جدیدی مامور شود. به خاطر این جابجایی‌های ناخوشایند، اینان از همان کودکی دوست نداشت که برای دولت یا حتا صنایع و بخش خصوصی کار کند. به گفته او «در آغاز دوره دبیرستان، تصمیم گرفتم که دانشگاهی شوم. به نظرم این حرفه‌ای بود که در آن می‌توانستم رئیس خودم باشم.»

تصمیم اینان برای دانشگاهی شدن صرفا مساله ترجیح شغلی نبود، او از نوجوانی می‌خواست علم را دنبال کند. به حدی عطش مطالعه داشت که حتا از نوشته‌های روی بسته‌بندی‌ها یا پاکت‌هایی که از روزنامه‌های باطله درست شده بودند نیز نمی‌گذشت. و علاقه‌اش به علم نیز به واسطه همین شور و کنجکاوی برای خواندن به وجود آمد. مشتری دائم کتابخانه‌های آمریکایی و انگلیسی در آنکارا بود و وقتی در گشت‌وگذارهایش در این کتابخانه‌ها به طور اتفاقی به کتاب‌هایی درباره شیمی و فیزیک برخورد چنان شیفته آنها شد که تصمیم گرفت آزمایشگاه اختصاصی خودش را راه بیندازد. اینان به یاد می‌آورد «همه پول توجیبی‌ام را صرف خرید تجهیزات شیمی می‌کردم و در آزمایشگاهی که در بالکن خانه‌مان درست کرده بودم، گاهی دست به آزمایش‌هایی می‌زدم که واقعا خطرناک بودند.»

دوستان خوب

پس از دریافت مدرک دکترای مهندسی برق از دانشگاه استنفورد در سال 1977، به عنوان پژوهشگر عضو هیئت علمی دانشکده و در ادامه در سال 1982 استادیار گروه مهندسی برق شد. در سال 1985 به رتبه دانشیاری رسید و در سال 1992 عنوان استادی در دانشگاه استنفورد را دریافت کرد. اینان در خلال سال‌های 1997 تا 2010، ریاست  آزمایشگاه «فضا، ارتباطات راه دور و علوم رادیویی» را به عهده داشت.

در طول دوران حرفه‌ای‌اش بیش از 360 مقاله علمی نوشته یا در نوشتن‌شان مشارکت داشته است. برخی از پرارجاع‌ترین مقاله‌های او با همکاری تیموتی بل، استاد مشاورش در دانشگاه استنفورد، نوشته شده که همراه با رابرت هل‌ویل (1920 تا 2011)، استاد راهنمای او در دوره دکتری، بیشترین اثر را در مسیر حرفه‌ای علمی او داشتند. اینان می‌گوید «چیزهای زیادی از هردوی آنها یاد گرفتم. وقتی عضو هیأت علمی شدم و به جایگاه ریاست گروه پژوهشی‌مان رسیدم، نوبت من بود که از هر دوی آنها حمایت کنم و محیط علمی پربار و لذت‌بخشی برای آنها و دانشجوهای متعددمان بسازم.»

پس از سال‌های درخشان متمادی در دانشگاه استنفورد، اینان از سال 2009 تجربه حرفه‌ای دیگری را به عنوان رئیس دانشگاه کوچ در ترکیه در پیش گرفته است. او می‌گوید پرسش‌های بازی در زمینه پژوهشی او باقی مانده است که در مقیاس سیاره‌ای اهمیت دارند، از جمله اینکه «اگر هیچ فعالیت آذرخشی در لایه‌های پایینی جو وجود نداشت، تفاوت چشمگیری در کمربندهای تابشی زمین به وجود می‌آمد؟» اما او دیگر برنامه جدیدی برای پژوهش در این حوزه ندارد. با این حال برای میراث علمی‌اش نگران نیست: «مایه افتخار و خرسندی من است که بگویم 15 تا از دانشجوهای دکترایی که تحت نظر من فارغ‌التحصیل شدند اکنون در دانشگاه‌های گوناگون هیئت علمی هستند و در پی یافتن پاسخ این پرسش و پرسش‌های دیگری هستند که همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند.»

در طول دوران خدمت اینان به عنوان مشاور ارشد رساله دکترا در دانشگاه استنفورد از سال 1990، 60 دانشجو تحت نظر او فارغ‌التحصیل شدند. او می‌گوید «این 60 دانشجوی دکتری که مشاورشان بودم نقش بزرگی در مسیر حرفه‌ای من داشتند.» فارغ‌التحصیلی موفق این همه دانشجوی درخشان و دوست خوب از نظر او «مهم‌ترین دستاورد» دوران حرفه‌ای‌‌اش هستند، «بسیار مهم‌تر از هر مقاله‌ای که نوشتم و هر سخنرانی علمی‌ای که کردم.»

او معتقد است که شرافت در هر کاری که کسی انجام می‌دهد، و صداقت در برخورد با دیگران، مهم‌ترین جنبه‌های زندگی هستند. «دوستی بی‌غل‌وغش و همکاری دوستانه و صادقانه میان آدم‌ها مهم‌ترین چیزهای زندگی هستند و به همین علت در پایان یک مسیر حرفه‌ای تنها چیزهایی که اهمیت دارند همین دوستی‌ها و خاطرات کارهای خوبی هستند که در کنار مردم و برای مردم انجام ‌داده‌اید.»

آن بالا چه خبر است؟

کشف آذرخش میان زمین و فضا دانشمندان را وادار کرد از نو به ماهیت این پدیده حیرت‌انگیز بیندیشند.

یک ترک نورانی پیش‌رونده رو به پایین در آسمان و صدای مهیبی که چند ثانیه بعد به گوش می‌رسد. تا جایی که به بیشتر ما مربوط می‌شود این یک تعریف بی‌عیب‌ و نقص برای آذرخش است، پدیده جوی آشنایی که در کل دنیا 50 بار در ثانیه، یا 4 میلیون بار در روز، رخ می‌دهد. اما اگر از متخصصان بپرسید، به شما خواهند گفت که با وجود قرن‌ها موشکافی علمی و انبوهی از یافته‌ها، آذرخش همچنان به عنوان رازی عجیب باقی مانده است.

در طول تاریخ، شکوه و قدرت آذرخش مایه خیال و ترس مردم بوده است. برای مثال، یونانیان باستان آن را به زئوس، قدرتمندترین خدای‌شان، نسبت می‌دادند. با این حال، آزمایش‌های علمی اولیه‌ای که در میانه قرن 18 انجام شد، از جمله آزمایش مشهور بنجامین فرانکلین با کایت، پرده از ماهید الکتریکی آذرخش برداشت. اما حتا پس از دست‌یابی به این فهم مدرن از آذرخش، این پدیده همچنان مایه حیرت ناظران خوش‌اقبالش می‌شود.

به مدت بیش از یک قرن، به‌ویژه پس از ظهور هوانوردی، گزارش‌های متعددی بوده‌اند که نمایش‌های نورانی غیرمعمولی را در لایه‌های بالایی آسمان توصیف می‌کردند. هرچند بسیاری از این توصیف‌ها را می‌شد با شفق قطبی یا نوعی از ابرهای درخشان غیرعادی توضیح داد، اما برخی موارد، به طور خاص آنهایی که هرازگاهی توسط خلبان‌ها در خلال پرواز بر فراز طوفان‌های تندری در آسمان شب مشاهده می‌شدند، کاملا گیج‌کننده بودند. بر اساس این گزارش‌ها، آذرخش می‌توانست به شکل‌ها و رنگ‌های عجیب و همچنین در مکان‌ها و جهت‌های نامتعارفی رخ دهد.

باید دید تا باور کرد

تا اواخر قرن بیستم، جامعه علمی چنین گزارش‌هایی را عمدتا جعلی تلقی می‌کرد. اما در سال 1989، زمانی که جان وینکلر و همکارانش در دانشگاه مینه‌سوتا، برای نخستین بار تصویر یکی از این اشباح مرموز را توسط یک دوربین ویدئویی ضبط کردند، معلوم شد که انواع گوناگونی از آذرخش با ویژگی‌ها و شمایل‌های کاملا متفاوت وجود دارد. موفقیت وینکلر منجر به شکوفایی فعالیت کاملا جدیدی برای ثبت و مستندسازی این پدیده‌های الکتریکی شد که در ارتفاع‌های بالا رخ می‌دهند. از آن زمان، انواع عجیب بسیاری، از ستون‌های دراز آبی‌رنگ تا آذرخش‌هایی به شکل یک عروس دریایی غول‌پیکر قرمز، کشف شد.

در پایان دهه 1990 معلوم شد که پدیده‌های آذرخش‌مانند تنها به ارتفاع‌های پایینی که بین ابرهای تندری و زمین قرار می‌گیرند، محدود نیستند. در واقع، تخلیه الکتریکی می‌تواند در گستره وسیعی از ارتفاع‌ها رخ دهد، از لایه‌های پایینی جو تا 100 کیلومتر بر فراز ابرهای تندری.

جای شگفتی دارد که این رویدادهای نورانی، که بسیاری از آنها با چشم غیرمسلح نیز دیده می‌شود، برای مدتی بسیار طولانی کشف‌نشده باقی ماندند. نکته شگفت‌انگیزتر این است که دانشمندان مدت‌ها پیش از مشاهده این رویدادها می‌دانستند که امکان وقوع شکلی از آذرخش در لایه‌های بالایی جو وجود دارد. در واقع آنها می‌دانستند که در ارتفاع‌های بالاتر، جایی که آشفتگی جو در مقایسه با لایه‌های نزدیک‌تر به زمین بسیار کمتر است، پرتوهای نور فرابنفش خورشید باعث می‌شوند که مولکول‌های گاز الکترون از دست بدهند. این همان فرایندی است که یون‌سپهر را به وجود می‌آورد، لفافی به دور زمین که به لحاظ الکتریکی رسانا است.

درست مثل آنچه در مورد ابرهای طوفان و زمین رخ می‌دهد، میان این ابرها و یون‌سپهر نیز می‌تواند اختلاف فاحش ولتاژ وجود داشته باشد. اما آنچه در لایه‌های بالاتر رخ می‌دهد با آنچه ما به عنوان برخورد یک آذرخش متعارف با زمین مشاهده می‌کنیم، تفاوت دارد. چگالی جو با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد و بنابراین در آذرخشی که در ارتفاع‌های بالاتر رخ می‌دهد، مولکول‌های کمتری دخالت دارند و به همین علت شکل‌ها و رنگ‌های متفاوتی به وجود می‌آورند.

رازگشایی

آذرخش‌های جو فوقانی که اصطلاح دقیق‌تر آن «رویداد نوارنی گذرا» است به چهار دسته تقسیم می‌شوند: اشباح سرخ، اِلوز، فواره‌های آبی و رویداد پرتو گاما. با وجود اسامی خیال‌انگیزشان، دانشمندان در مدت نسبتا کوتاهی که از کشف‌شان می‌گذرد به پیشرفت‌های چشمگیری در درک این رویدادهای جوی شبح‌وار رسیده‌اند. یکی از پژوهشگران پیشگام در این حوزه عمران اینان، استاد بازنشسته دانشگاه استنفورد و رئیس کنونی دانشگاه کوچ در ترکیه، است که نقش بسیار مهمی در تدوین نظری مبانی فیزیک «رویدادهای نورانی گذرا» داشته است.

اینان، یکی از برگزیدگان مقیم کشورهای اسلامی جایزه مصطفی(ص) 2019، و همکارانش در دانشگاه استنفورد به‌ویژه در خط مقدم کشف اشباح سرخ و اِلوز بوده‌اند. اینان می‌گوید «مشاهده این پدیدهای نورانی بسیار رایج اما در طیف زیر-مرئی که در گستره ارتفاع‌های 50 تا 100 کیلومتر رخ می‌دهند، در میانه دهه 1990 کشف شگفت‌انگیزی بود»، با این حال بیشتر مبانی فیزیکی و ویژگی‌های این پدیده‌ها به واسطه کارهای متعدد او و بسیاری از دانشجوهایش بررسی، مدل‌سازی و نظریه‌پردازی شده است.

یکی از نخستین نظریه‌های عمده در تبیین اشباح سرخ و اِلوز در مقاله‌ای در سال 1995 مطرح شد که توسط اینان، ویکتور پاسکو، دانشجوی دکتری او در آن زمان، و همچنین تیموتی بل از دانشگاه استنفورد، منتشر شد. آنها این بحث را طرح کردند که این رویدادها در واقع پیامدهای برخورد نوعی از آذرخش به زمین هستند. آنها در آن مقاله اثبات کردند که پس از برخورد یک آذرخش با بار مثبت به زمین، برای مدت بسیار کوتاهی یک میدان الکتریکی بر فراز ابرهای طوفان به وجود می‌آید. به گفته اینان «حذف ناگهانی بار در تخلیه الکتریکی آذرخش باعث ایجاد یک عدم تعادل بار در محیط می‌شود، سپس این عدم تعادل به طور الکترومغناطیسی تقلیل می‌یابد و فروزش‌های تابناکی موسوم به اشباح را در ارتفاع 50 تا 70 کیلومتر به وجود می‌آورد، ارتفاعی بسیار بالاتر از جایی که آذرخش اصابت کرده است.»

این سه پژوهشگر در این مقاله که همچنان یکی از پرارجاع‌ترین آثار اینان است، این بحث را نیز مطرح کردند که الکترون‌های جوی که به واسطه برخورد آذرخش با زمین منتشر می‌شوند، در لایه‌های بالایی جو با مولکول‌های نیتروژن برخورد می‌کنند. به گفته اینان «تابش الکترومغناطیسی تکانشی شدیدی که به واسطه آذرخش تولید می‌شود، در گذر از یون‌سپهر مولکول‌های نیتروژن را یونیزه می‌کند و دیسک‌های تابناکی از نور را در ارتفاع 100 کیلومتری پدید می‌آورد که به اِلوز شهرت دارند.»

سپهر ناشناخته

پاسکو می‌گوید ضبط تصویر نمایش‌های نورانی عظیم بر فراز یک طوفان دوردست توسط وینکلر در سال 1989 «کاملا از سر خوش‌اقبالی بود»، اما او باور دارد که «این به سرآغازی برای یک زمینه علمی جدید تبدیل شد». زمینه‌ جدیدی که میان آسمان‌ها پل زد و همچنین دانشمندان دو شاخه مجزا در فیزیک را با هم متحد کرد. جو تحتانی که به لحاظ الکتریکی خنثا است قلمرو هواشناسان است اما فیزیک‌دانان فضایی با ذرات بارداری سروکار دارند که در جو فوقانی هستند. ناحیه‌ای که میان این دو قلمرو قرا دارد برای هواپیماها بسیار بلند و برای ماهواره‌ها بسیار کوتاه است. اینان می‌گوید اشباح و اِلوز پنجره‌هایی به سوی این ناحیه باز کردند، جایی که پیش از کشف این پدیده‌ها در بهترین حالت  اسمش را می‌شد «جهل‌سپهر» گذاشت.

به گفته او «پی بردن به چگونگی یون‌سپهر، مغناطیس‌سپهر و کمربندهای تابش زمین برای دستیابی به درک بهتری از سیاره ما و پیرامونش اهمیت دارد.» اما از منظر کاربردهای زندگی روزمره، اشباح و سایر منابع تغییر و نوسان در یون‌سپهر می‌توانند با سیگنال‌های جی‌پی‌اس و ماهواره‌ها تداخل پیدا کنند. برخی دانشمندان معقدند آذرخش‌های جو فوقانی می‌توانند اثرهای دیگری نیز داشته باشند، از جمله روی لایه اوزون یا گرمایش جهانی. حتا ناسا نیز نگران بود که این پدیده‌ها باعث آسیب فضاپیماهای گران‌قیمتش در خلال پرتاب یا بازگشت به جو زمین شوند.

فارغ از این اثرهای فرضی، آنچه می‌توان به عنوان اثر قطعی این پدیده‌های الکتریکی برشمرد در واقع احیای کنجکاوی علمی نسبت به آذرخش پس از گذشت 250 سال از آزمایش تاریخی فرانکلین بوده است. اکنون، با وجود یافته‌های بسیاری که به لطف پیشگامانی مانند اینان به دست آمده، ما هنوز دقیقا نمی‌دانیم که یک ابر تندری جرقه لازم برای شروع آذرخش را از کجا می‌آورد. در واقع سال‌ها اندازه‌گیری نشان داده که میدان الکتریکی درون ابرهای تندری چیزی در حدود ده برابر کوچک‌تر از مقدار مورد نیاز برای شروع آذرخش است. تا زمان افشای این راز و برملا شدن مکانیزم فیزیکی سایر نمایش‌های نورانی خیره‌کننده‌ای که در پهنه خیال‌انگیز میان زمین و فضا رخ می‌‌دهد، چاره‌ای جز پذیرش حس باستانی خوف و حیرت در برابر آذرخش نداریم.

_

تبدیل سلول‌های بنیادی به یک میراث علمی

نگاهی خودمانی به زندگی دکتر حسین بهاروند

یک آزمایش ساده اما تماشایی در سال 1923، جایزه نوبل سال 1935 در رشته فیزیولوژی یا پزشکی را برای جنین‌شناس آلمانی، هانس اشپیمان (1896 تا 1941)، به ارمغان آورد، «برای کشف پدیده سازمان‌دهنده در تکوین رویان.» این یکی از حدود ده جایزه نوبل است که تاکنون به رشته جنین‌شناسی تعلق گرفته و یکی از موارد کمیابی که در آن به یک پایان‌نامه دکتری جایزه نوبل تعلق گرفته است.

در این آزمایش که اکنون مشهور است، اشپیمان و دانشجو و دستیارش، هیلده مانگولد (1898 تا 1924)، پیوندی در رویان سمندر انجام دادند. آنها از رویان دو گونه سمندر مختلف از جنس Triturus با رنگ‌های مختلف استفاده کردند تا بتوانند بر اساس تاریکی یا روشنی گیرنده و دهنده را از هم تشخیص دهند. معلوم شد که با پیوند یک منطقه کوچک خاص از یک رویان اولیه سمندر به رویان دیگری در همان مرحله می‌توان جنین چسبیده ناقصی را القا کرد که با جنین میزبان رودررو باشد. این منطقه کوچک رویان، که اکنون سازمان‌دهنده اشپیمان نامیده می‌شود، مسئول هدایت تکوین یک بدن جنین کامل است.

کشف این پدیده توسط اشپیمان، که اکنون القای رویانی نامیده می‌شود، یکی از خاستگاه‌های زیست‌شناسی تکوینی مدرن به شمار می‌آید. پدیده القا، که در آن یک سلول یا بافت، به تکوین سلول یا بافت دیگری جهت می‌دهد، اهمیت بنیادی برهمکنش‌های میان سلول‌ها در تکوین رویانی را بی هیچ تردیدی ثابت کرد. مانگولد چند ماه بعد، وقتی می‌خواست برای پسر نوزادش شیر گرم کند، در حادثه تراژیک انفجار گاز در آشپزخانه‌اش جان خود را از دست داد. او هرگز انتشار مقاله دوران‌سازش را به چشم ندید، و جایزه نوبل نیز به افراد درگذشته اعطا نمی‌شود.

حسین بهاروند، هنگامی که دانش‌آموز سال آخر دبیرستان بود، عاشق این ماجرای باشکوه تاریخ علم شد که در کتاب درسی زیست‌شناسی‌اش روایت شده است. وقتی سوال کرد، دبیرشان به او گفت رشته‌ای که به این موضوعات می‌پردازد جنین‌شناسی است. همان وقت و همان جا، در تابستان 1368، بهاروند تصمیمش را گرفت که جنین‌شناس شود. دوره کارشناسی را در رشته زیست‌شناسی در دانشگاه شیراز گذراند و سپس در مقطع کارشناسی ارشد در رشته زیست‌شناسی تکوینی دانشگاه شهید بهشتی در تهران پذیرفته شد. سرانجام مدرک دکتری‌اش را در رشته زیست‌شناسی سلولی و تکوینی از دانشگاه خوارزمی (تربیت معلم سابق) در سال 1383 گرفت.

کار کن تا کار کند

حسین بهاروند در 6 اسفند 1350 در اصفهان به دنیا آمد. او می‌گوید «پسرکی بازیگوش و سرزنده بودم. شاخصه بارز من در آن دوران که در حال حاضر نیز دارم حرکت و فعالیت بود. از ابتدایی تا دانشگاه، تابستان‌ها کارهایی مانند دست‌فروشی، بنایی و کشاورزی می‌کردم و با درآمدم کتاب و وسایل مدرسه می‌خریدم.» او معتقد است که برای اثرگذار بودن، باید سخت کار کرد. کار برایش لذت‌بخش است و آن را برای پرورش روح خود لازم می‌داند.

بهاروند فرزند نخست خانواده‌ای پرجمعیت بود و از او انتظار می‌رفت که در مراقبت از برادرها و خواهرهایش کمک کند. با این همه به طریقی وقت می‌کرد کتاب‌هایی مانند ماجراهای علمی-تخیلی ژول ورن را بخواند. می‌گوید «کتابی بود به نام آلبرت شوایتزر که روایت خاطرات پزشکی بود که از اروپا رفته بود آفریقا، به مردم آنجا کمک کرده و مایه خیر و برکت زیادی شده بود، و البته چقدر سختی‌ کشیده بود در این راه. این کتاب خیلی روی من اثر داشت.» دلش می‌خواست مانند کسانی همچون شوایتزر، و همچنین لوئی پاستور، رامون کاخال، و ماری کوری اثرگذار باشد.

به گفته بهاروند «در شکل‌گیری یک اندیشه و یک شخصیت، کنج بوم‌شناختی نیز موثر است. کنج یک ابرحجم nبُعدی است که خانواده یک قسمت از آن است، محیط اطراف یک قسمتش است، همسر، دوستان، فامیل‌ها و جامعه و نظایر اینها قسمت‌هایی از آن است. و همه دست به دست هم می‌دهند تا یک شخصیت شکل بگیرد.»

با این فلسفه، تعجبی ندارد که بهاروند برای افراد بسیاری که او را به زیست‌شناسی تکوینی علاقه‌مند ساختند و کمکش کردند تا در کارش پیشرفت کند، سهم قائل است. اما به‌طور خاص دو نفر را به یاد می‌آورد که نام‌شان شایان ذکر است: مرحوم دکتر سعید کاظمی آشتیانی (1340 تا 1384)، زیست‌شناس تکوینی و مدیر پژوهشگاه رویان؛ و دکتر کلاس اینگو ماتایی، سرپرست آزمایشگاه هدف‌گیری ژن در پژوهشگاه پزشکی جان کرتین در کانبرای استرالیا، که بهاروند از بهمن 1380 به مدت پنج ماه برای فرصت مطالعاتی به آنجا رفت و در تولید موش‌های تراریخته و ناک‌اوت – که یکی از ژن‌هایش از کار انداخته شده - آموزش دید.

دانشمند پرتوان

پس از بازگشت به ایران، برنامه‌ای برای تولید سلول‌های بنیادی در پژوهشگاه رویان آغاز کرد که سرآغاز ورود ایران به پژوهش‌های کاربردی‌سازی و پزشکی بازساختی یا ترمیمی بود. او و گروهش در رویان، برای نخستین بار در ایران، در سال 1382 موفق به تولید سلول‌های بنیادی رویان موش و انسان شدند و در سال 1387 سلول‌های بنیادی پرتوان القایی را تولید کردند. او این دانش را بارها در کارآزمایی‌های بالینی و پیوند سلول‌های بنیادی بافت‌-ویژه به کار گرفته است.

بهاروند نویسنده بیش از 350 مقاله علمی به زبان انگلیسی است که تاکنون بیش از 11 هزار بار به آنها ارجاع داده شده و شاخص اچ او در علم‌سنجی را به 52 رسانده‌اند. او دبیر چهار مجموعه مقاله از نویسندگان مختلف درباره سلول‌های بنیادی است که از ناشران بین‌المللی همچون اشپرینگر و وایلی منتشر شده‌اند. بهاروند تعدادی کتاب به فارسی نیز ترجمه و تالیف کرده که عمدتا درباره سلول‌های بنیادی‌اند. از این گذشته بر ترجمه چندین کتاب راهنما درباره حرفه و ارتباطات علمی و همچنین کتاب درسی پرطرفدار «زیست‌شناسی تکوینی»، نوشته اسکات گیلبرت، نیز نظارت داشته که کتاب مقدس این رشته به شمار می‌رود.

بهاروند ضمنا عضو هیات دبیران ژورنال‌های بسیاری با ضریب اثرگذاری بالا مانند «ژورنال شیمی زیستی» و «گزارش‌های علمی» است. او دارای دو اختراع ثبت‌شده در آمریکا است و سه شرکت در ایران بر اساس دانشی که او و گروهش تولید کرده‌اند فعالیت می‌کنند.

در طول سال‌های گذشته جایزه‌های ملی و بین‌المللی بسیاری ارزش پژوهش‌های او را به رسمیت شناخته‌اند، ازجمله جایزه جشنواره بین‌المللی خوارزمی در سال 1392 و جایزه امسال «فرهنگستان جهانی علوم» در رشته زیست‌شناسی در سال 2019. این جایزه اخیر که هر سال به پیشرفت‌های علمی کشورهای در حال توسعه تعلق می‌گیرد، «به دلیل خدمات ارزنده بهاروند در شناخت چگونگی تولید و نگهداری سلول‌های بنیادی و مفاهیم پرتوانی و تمایز» به او اعطا شد.

هنر کُنج‌سازی

در تاریخ ایران چهره‌های برجسته بسیاری همچون ذکریای رازی، ابوریحان بیرونی، و ابوعلی سینا بودند که در تولید دانش بشری در زمینه پزشکی سهم چشمگیری داشتند. بهاروند امیدوار است که کشورش جایگاه گذشته خویش را در علوم پزشکی بازیابد و نقش خودش را در «پزشکی آینده» ایفا کند. به عقیده او علم میان‌رشته‌ای «پزشکی آینده» از چهار محور پزشکی بازساختی، پزشکی شخصی، پزشکی سرطان، و علوم شناختی و مغز تشکیل خواهد شد. او در تلاش است که نمونه اولیه آن را در قالب یک بیمارستان تحقیقاتی با کمک دولت و خیرین راه‌اندازی کند.

بهاروند به شعر فارسی علاقه دارد و آن را در آموزش و پرورش دانشجویانش به کار می‌گیرد. به کوه‌پیمایی و کوه‌نوردی می‌رود و ورزش رزمی کاراته نیز انجام داده است. او به تنهایی یا با خانواده و دوستان زمان زیادی را در طبیعت می‌گذراند. می‌گوید «طبیعت بزرگترین معلم ماست. نزد او زیاد می‌روم تا از او یاد بگیرم. طبیعت به من آموخته است که تکامل تدریجی است و باید آرام‌آرام حرکت پیوسته داشت. پس هیچ راه میانبری در رشد و نمو ما وجود ندارد. بدون تلاش زیاد چیزی به دست نمی‌آید. امکان ندارد که یک‌شبه بتوان موفق شد. از طبیعت آموخته‌ام که اگر می‌خواهید موفق شوید باید از عهده چالش‌ها برآیید. راه خودتان را پیدا کنید یا اگر راهی وجود ندارد آن را از ابتدا بسازید. دایناسورهای قدرتمند نتوانستند راهی برای مقابله با چالش‌ها پیدا کنند و از میان رفتند، اما پستانداران حقیر راه نجاتی پیدا کردند و کامیاب شدند. برای تکامل گونه‌های جدید باید کُنج خالی وجود داشته باشد. "گونه‌های" جدید می‌خواهید؟ کنج‌های خالی بسازید و تلاش کنید آنها را پر کنید.»

اکسیر جوانی

نزدیک شدن به جاودانگی با کمک سلول‌درمانی در مبارزه با بیماری‌های مزمن سالخوردگی یکی پس از دیگری

هیچ دوره‌ای در تاریخ نیست که در آن بشر دیوانه‌وار در جست‌وجوی جاودانگی نبوده باشد. اسکندر مقدونی (356 تا 323 پیش از میلاد) نیز از این قاعده مستثنا نبود، و با توجه به قدرتی که او داشت و بی‌کرانگی دنیایی که فتح کرده بود، به نظر می‌رسید دلیلی وجود نداشته باشد که او نتواند به آن دست پیدا کند. او به دنبال چیزی بود، هر چیزی، که او را زنده نگه دارد و مرگ را از دور کند.

بر اساس یکی از مشهورترین روایت‌های شرقی از این داستان که منظومه‌ای سروده نظامی گنجوی (520 تا 588 خورشیدی) بر اساس ماجرای تخیلی «افسانه اسکندر» است، پیری خردمند که احتمالا خضر بود، به اسکندر گفت که در «ظلمات» یا «سرزمین تاریکی» در حاشیه دنیای شناخته‌شده آن روزگار، احتمالا در آبخاز امروزی در گرجستان یا شمال اورال، یک «چشمه جوانی» هست که هر کس از «آب حیات» آن بنوشد زندگی جاوید خواهد یافت. آن‌طور که در افسانه آمده، اسکندر با راهنمایی خضر و همراهی سپاهش به سوی ظلمات شتافت. خضر سرانجام آن چشمه را یافت و از آب آن نوشید، اما چشمه درست پیش پای اسکندر به‌طور اسرارآمیزی ناپدید شد.

در طول تاریخ، اسکندرهای بسیاری در پی راهی برای بازیابی جوانی خود بودند. یکی از آنها پزشکی روس به نام الکساندر بوگدانوف (1873 تا 1928) بود که تسلیم این خیال بی‌مهار جوانی دوباره شد و جانش را بر سر آن گذاشت. او در تلاش برای جاودانگی، یک رشته آزمایش‌های بدفرجام انتقال خون روی خودش انجام داد که به دلیل ناهمخوانی گروه خونی به قیمت زندگی‌اش تمام شدند.

گرچه ممکن است عجیب به نظر برسد، اما فرضیه بوگدانوف خالی از حقیقت نیست و خون واقعا می‌تواند خواص جوان‌کننده داشته باشد. در مقاله‌ای که در سال 2014 در ژورنال پزشکی نیچر منتشر شد، پژوهشگران گزارش کردند که «خون جوان آسیب‌های پیری را معکوس می‌کند ... در موش‌ها.» معلوم شد که تزریق پلاسمای خون موش‌های جوان به موش‌های سالخورده هم در واکنش‌های ترس و هم در یادگیری فضایی به آنها کمک و به این ترتیب توان یادگیری و اندیشیدن را در آنها تقویت می‌کند.

تا چند سال پس از انتشار نتایج این پژوهش، کلینیکی به نام آمبروزیا در سان‌فرانسیسکو از فرصت پیش‌آمده بهره گرفت به مشتریانش امکان دهد با تزریق خون اهداکنندگان جوان از همان منافع برخوردار شوند و تنها 8 هزار دلار ناقابل آمریکا هزینه بپردازند! از فوریه 2019 که سازمان غذا و داروی آمریکا اخطاریه‌ای در این رابطه صادر کرد، انجام کار متوقف شده است.

سرآغاز سلول‌درمانی

تزریق مایعات آلی بدن افراد دیگر به عنوان راهی برای افزایش طول عمر انسان، اگرچه این روزها به سرگرمی میلیاردرهای دنیای فناوری در سیلیکون ولی برای کلاه گذاشتن بر سر مرگ تبدیل شده، تاریخی طولانی دارد. در سال 1890 در همایشی علمی در پاریس، فیزیولوژیستی عجیب و غریب به نام شارل-ادوارد براون-سیکار (1817 تا 1894) گزارش داد که «پس از تزریق زیرپوستی عصاره بیضه میمون» توان جنسی خود را در سن چشمگیر 72 سالگی با موفقیت بازیافته است. این درمانِ به لحاظ علمی غیرممکن هزاران مرد را ترغیب کرد که اکسیر براون-سیکار را امتحان کنند، اما در عین حال رشته سلول‌درمانی را نیز راه انداخت.

جست‌وجوی جاودانگی در دهه‌های اخیر، نه تنها کُند نشده، بلکه هم از طریق مداخله‌های جزئی، همچون بوتاکس کردن، عمل کشیدن پوست صورت، و مکمل‌های گوناگون، و هم به واسط پژوهش‌های ضدپیری که در آزمایشگاه بسیار پیشرفته زیست‌فناوری در جریان است، شتاب نیز گرفته است. حتا رشته‌ای به نام پیری‌شناسی وجود دارد که به بررسی فرایند پیری اختصاص دارد، و جایزه‌های بسیاری برای توقف، تاخیر و وارونه کردن روند پیری در انسان و پستانداران دیگر تعیین شده که در رسانه‌ها سروصدای بسیاری به پا می‌کنند. پژوهش درباره طول عمر انسان اکنون به مرحله‌ای از بلوغ رسیده که دانشمندان گمان می‌کنند بتوانند موجب تاثیری چشمگیر با پیامدهای پزشکی، جمعیتی، اجتماعی، اقتصادی، سیاسی و زیست‌محیطی قابل‌توجه شوند.

حل یک مشکل مزمن

یک راه‌حل عملی برای به تاخیر انداختن پیری مقابله با بیماری‌های مزمن شایع دوران سالخوردگی، همچون پارکینسون و بیماری‌های چشم است. آیا می‌توان این مصیبت‌های سالخوردگان را با تزریق سلول برطرف و آنها را دوباره جوان کرد؟ این تخصص حسین بهاروند، زیست‌شناس تکوینی پژوهشگاه رویان در تهران است که در زمینه تولیدمثل، سلول‌های بنیادی و زیست‌فناوری فعالیت می‌کند. او به دلیل درمان پارکینسون و تباهی لکه زرد چشم در اثر پیری با سلول‌درمانی، یکی از برگزیدگان مقیم کشورهای اسلامی جایزه مصطفی(ص) در سال 1398 است.

بهاروند تلاش می‌کند با استفاده از سلول‌های بنیادی انسان، زیست‌شناسی تکوینی و مهندسی با الهام از طبیعت به ارتقای پزشکی بازساختی یا ترمیمی کمک کند. سلول‌های بنیادی، با داشتن توان خودنوزایی (ساخت نسخه‌هایی از خودشان)، در سلول‌درمانی جایگاه بی‌همتایی دارند. می‌توانند به انواع گوناگون سلول‌ها تمایز یابند. سلول‌های بنیادی را می‌توان از سه منبع به دست آورد: 1) سلول‌های بنیادی رویانی از رویان پیش از لانه‌گزینی؛ 2) سلول‌های بنیادی بافت‌ویژه یا سلول‌های بنیادی بدنی یا بالغ از مغز استخوان، پوست، خون و پوشش مجرای گوارش؛ و 3) سلول‌های بنیادی پرتوان القایی از بازبرنامه‌ریزی سلول‌های بالغ برای بازیابی ویژگی‌های تمایزنیافته آنها.

بهاروند و گروهش در پژوهشگاه رویان در سال 1381 موفق به تولید سلول‌های بنیادی رویانی موش شدند و سال بعد این موفقیت را در مورد انسان تکرار کردند. اما لحظه تعیین‌کننده در سال 1387 و هنگامی فرارسید که آنها به فناوری تولید سلول‌های بنیادی پرتوان القایی موش و انسان در آزمایشگاه دست یافتند. این دستاورد پایه‌گذاری شاخه‌های مختلف پزشکی بازساختی در ایران و تولید سلول‌های عصبی، ماهیچه قلب، کبد و بتای پانکراس از سلول‌های بنیادی را امکان‌پذیر ساخت.

برای مثال، این دانش به ساخت سلول‌های پیش‌ساز دوپامینرژیک از سلول‌های بنیادی رویانی انسان انجامیده است. (سلول پیش‌ساز سلولی تمایزنیافته است که برخلاف سلول بنیادی فقط توانایی تمایز به مجموعه محدودی از سلول‌های هدف را دارد.) سلول‌های عصبی ترشح‌کننده دوپامین که در میان مغز یا مغز میانی جای دارند، منبع اصلی دوپامین – نوعی پیام‌رسان شیمیایی که در دستگاه عصبی پستانداران به کار می‌رود – است و از بین رفتن آنها می‌تواند منجر به بیماری پارکینسون شود.

طوری که انجامش می‌دهیم

بیماری پارکینسون نوعی اختلال پیش‌رونده دستگاه عصبی است که بیش از 4 میلیون نفر را در سرتاسر جهان درگیر کرده و به صورت لرزش‌های مشهور دوران پیری آشکار می‌شود. خطر ابتلا به این بیماری که پس از 50 سالگی آغاز می‌شود، با افزایش سن افزایش می‌یابد، و با پیرتر شدن جمعیت جهان، بیماری پارکینسون نیز شایع‌تر خواهد شد، و بار اقتصادی و اجتماعی سنگین‌تر بر دوش آن خواهد گذاشت.

اگرچه از نیمه دوم دهه 1980 ثابت شده که مغز جنین انسان منبع موثری از سلول‌های پیش‌ساز دوپامینرژیک برای پیوند زدن به مغز میانی افراد مبتلا به پارکینسون است، اما سلول‌های بنیادی جنینی به دلیل دسترسی دشوار و بعضی ملاحظات اخلاقی منبع مطمئنی نیست. استفاده از سلول‌های بنیادی رویان انسان به عنوان جانشین امیدوارکننده بوده است. اما در بلندمدت باز هم چالش‌هایی باقی می‌ماند، ازجمله تشکیل تراتوما که نوعی کمیاب از تومور حاوی بافت‌های بسیار است و رشد عصبی بی‌رویه.

بهاروند و گروهش در پژوهشگاه رویان گزارشی از یک راهکار جدید با استفاده از مولکول‌های کوچک برای اشتقاق سلول‌های پیش‌ساز دوپامینرژیک مغز میانی از سلول‌های بنیادی رویانی انسان زیر چاپ دارند. آنها این پیش‌سازها را به افراد مبتلا به پارکینسون در موش و سپس یک نخستی غیرانسان به نام میمون رزوس (Macaca mulatta) پیوند زدند.

ارزیابی‌ها بهبود آشکاری را در حرکات میمون‌ها ظرف دو سال پس از عمل پیوند نشان می‌دهند بدون آنکه اثری از تشکیل تومور یا رشد عصبی بی‌رویه در مغز مشاهده شود. به نظر می‌رسد که ناکامی‌های پیشین نتیجه تخصص‌یابی ناقص سلول‌ها در اثر ناتوانی از هدایت فرایند تمایز بوده است. اکنون این گروه پژوهشی در فکر آن است که این دستاورد سلول‌درمانی را در مورد بیماری پارکینسون در انسان به کار بگیرد.

این شبیه کاری است که این گروه پژوهشی در سال 2012 برای درمان تباهی لکه زرد در پیری انجام داد که به تاری دید، و در صورتی که درمان نشود، کوری در سالخوردگی منجر می‌شود. این بیماری نتیجه آسیب‌دیدگی لکه زرد در شبکیه چشم است که لایه‌ای از سلول‌های رنگدانه‌دار است و نقشی ضروری در عملکرد دستگاه بینایی بازی می‌کند.

بهاروند و گروهش در پژوهشگاه رویان، در یک جفت مقاله در ژورنال معتبر «سلول‌های بنیادی و تکوین» در سال 2012، روشی برای هدایت تمایز سلول‌های بنیادی پرتوان القایی انسان به بافت پوششی رنگ‌دانه‌دار شبکیه پیشنهاد کردند. این یافته‌ها، نخست در خرگوش و سپس در انسان، ابزار ساده و موثر بی‌سابقه‌ای برای درمان‌های تعویض سلول در بیماری‌های شبکیه چشم فراهم کردند.

برنامه جانشین

به نظر می‌رسد سلول‌درمانی دارد به موثرترین اسلحه ما در نبرد با بیماری‌های مزمنی تبدیل می‌شود که در صدر فهرست بیماری‌های دوران سالخوردگی جای دارند. این مثل دستیابی به زندگی ابدی به معنای دقیق کلمه نیست، اما می‌تواند به عنوان بهترین گزینه دوم، همان‌طور که پژوهشگران انتظار دارند، عمر بشر را بسط دهد و به دو برابر سهمیه سه بیست سال و ده سال که در کتاب مقدس تعیین‌شده برساند. و البته این عمر اضافه همراه با سلامت و کارکرد است. آیا این رویای شیرینی نیست که هیچ رنجی نداشته باشید وقتی که گنج‌تان را به دست آورده‌اید؟ اینکه برای انجام هر پروژه طولانی، که در چارچوب عمر کوتاه کنونی انسان نمی‌توان تکمیلش کرد، به اندازه‌ای که باب میل‌تان باشد وقت کافی داشته باشید؟ خوب، برنامه جانشین این است: طولانی‌تر کردن دوره بزرگ‌سالی برای اینکه بتوانیم به جای تعویض سریع نسل‌ها، روی هر فرد بیشتر سرمایه‌گذاری کنیم.

در زمان مناسب، در جای مناسب

نگاهی خودمانی به زندگی محمد عبدالاحد

یک هواپیمای مسافربری امروزی بیش 10 هزار حسگر دارد که مدام اطلاعاتی را ذخیره می‌کنند که چگونگی عملکرد هواپیما را به اطلاع خلبان می‌رساند. اما مهم‌تر از آن، این حجم عظیم داده‌ها امکان پیش‌بینی مشکلات مکانیکی و فنی را فراهم می‌کنند که به راحتی می‌توان آنها را برطرف کرد، البته به شرطی که هواپیما روی زمین باشد نه در اوج آسمان. این سیستم عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد: سوانح هوانوردی بی‌نهایت نادرند و احتمال کشته شدن یک مسافر در پرواز چیزی در حدود یک در 8 میلیون است.

بدن‌ ما نیز به سیستم اطلاعات مشابهی مجهز است که می‌تواند در باره هر بیماری قریب‌الوقوعی هشدار دهد. به هر حال، خواندن این اطلاعات حیاتی به یک دسترسی جامع به بدن انسان در سطح سلولی یا مولکولی نیاز دارد، که متاسفانه ما چنین دسترسی‌ای نداریم. اما در مورد یک بیماری خاص چطور، کشنده‌ترین بیماری: سرطان. این همان ایده‌ای است که شمس‌الدین مهاجرزاده، استاد مهندسی برق دانشگاه تهران، درباره‌اش با محمد عبدالاحد، وقتی دانشجوی دکتری بود، صحبت کرد.

یک گپ کوتاه دلنشین

عبدالاحد که اکنون استاد مهندسی برق در دانشگاه تهران است به یاد می‌آورد «یک روز به طور اتفاقی، درباره استادی با من صحبت کرد که از آمریکا آمده و چیزهای بسیار جالبی در مورد سلول‌های سرطانی می‌گوید.» در آن زمان، عبدالاحد به عنوان یک دانشجوی تازه‌وارد در دوری دکتری مهندسی برق با سرطان سروکاری نداشت و می‌خواست رساله دکتری‌اش را در زمینه فوتونیک انجام دهد. اما همان گپ‌وگفت کوتاه با مهاجرزاده در ادامه ذهنیت او را به شکل چشمگیری تغییر می‌دهد.

کمی پس از مطالعات اولیه، عبدالاحد متوجه شد که علوم زیستی مرتبط با سرطان و کاربردهای الکترونیک در آن می‌تواند زمینه پژوهشی واقعا فوق‌العاده‌ای باشد. وقتی تصمیم گرفت تحت نظر مهاجرزاده کار روی رساله‌اش را آغاز کند معلوم شد که بدون یک پشتوانه قوی در علوم زیستی، برای پیشرفت در این حوزه کار بسیار دشواری در پیش دارد. بنابرابن علاوه بر مطالعات معمول در زمینه مهندسی برق، مطالعه علوم زیستی، به طور خاص در مورد سرطان، آسیب‌شناسی، رفتار زیست‌شیمیایی سلول و همچنین ترجمه آن در حوزه الکترونیک را را آغاز کرد. عبدالاحد می‌گوید «مهاجرزاده تمام امکانات اولیه کار را فراهم کرد و حتا از یکی از استادان زیست‌شناسی (مهران حبیبی رضایی) خواهش کرد که به ما زیست‌فناوری بیاموزد.»

در طول این دوره که حدود 2 سال طول کشید، او در زمینه رفتار الکتریکی سلول‌های سرطانی و سالم چند مقاله منتشر و جند دستگاه اختراغ کرد که برخی از آنها در جهان بی‌سابقه بودند. پس از دریافت مدرک دکتری، دانشگاه تهران به خاطر همین دستارودهای چشمگیر، این فرصت فوق‌العاده را به او داد تا پژوهش‌هایش را در یک آزمایشگاه اختصاصی دنبال کند. در همان زمان، ستاد توسعه فناوری میکروالکترونیک معاونت علم و فناوری ریاست جمهوری نیز بودجه‌ای به پژوهش‌های او اختصاص داد.

تحت سرپرستی عبدالاحد، گروهی از متخصصان از رشته‌های گوناگون در آزمایشگاه ادوات نانو-بیو الکترونیکی، گرد هم آمدند تا دست به کار پژوهش در زمینه سیستم‌‌ها، روش‌ها و ابزارهای تشخیصی برای سرطان شوند. او می‌گوید «وقتی کار پژوهش ما آغاز شد، بسته به نیازهای‌مان باید از تخصص‌های مختلفی استفاده می‌کردیم.» سال‌های بعد، در واقع دوره پیشرفت و دستاوردهای مداوم برای عبدالاحد و گروه پژوهشی او بود، از جمله طراحی و ساخت یک تراشه زیستی میکروالکترونیکی موسوم به «متاس-چیپ» که با دقت بسیار بالایی می تواند وجود میکرومتاستاز را در نمونه‌های بافت‌برداری تشخیص دهد.

یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر مسیر حرفه‌ای عبدالاحد، ارتباط مداوم او با بیمارستان‌ها و مراکز پژوهشی علوم زیستی بود. او می‌گوید « وقتی فرایند ساخت متاس‌-چیپ به پایان رسید به لطف همکارانم در دانشگاه علوم پزشکی تهران و بیمارستان محک، این شانس را داشتیم که عملکرد دستگاه را در آزمایش‌های کلینیکی بررسی کنیم.»

انتشار مقاله مربوط به متاس-چیپ در ژورنال معتبر Nature Communications یک چالش 10 ماهه بود که پس از مکاتبات و بحث‌های تخصصی مفصل میان داوران و گروه‌‌های پژوهشی در نهایت به چاپ مقاله در دسامبر سال 2017 منتهی شد. اما برای عبدالاحد، این پایان ماجرا نبود. او می‌گوید «با انتشار مقاله، ما فناوری را معرفی کردیم اما ساختن محصولی که طراحی مناسبی داشته باشد و کاربردش برای کاربر آسان باشد، یک گام بزرگ دیگر بود.» گامی که او برداشت و با همکاری گروهی از طراحان صنعتی این وسیله را به یک محصول نهایی یکپارچه تبدیل کرد.

آرزوهای بزرگ

عبدالاحد متولد سال 1361 در تهران است. در سال‌های اخیر به موفقیت‌های فراوانی رسیده است، از جمله ثبت بیش از 20 اختراع در آمریکا و انتشار بیش از 50 مقاله در ژورنال‌های برجسته، عمدتا در زمینه تشخیص سرطان از طریق دستگاه‌های نانوالکترونیکی. به خاطر پژوهش‌ها و همچنین اختراع‌هایش در زمینه فناوری تشخیص سرطان، در سال 2016 از سوی سازمان جهانی مالکیت فکری به عنوان برنده مدال «بهترین مخترع جوان» معرفی شد. او جایزه بهترین دانشمند جوان فرهنگستان علوم ایران را نیز دریافت کرده است. از سال 2016، او عضو هیئت علمی وابسته دانشگاه علوم پزشکی تهران است. عبدالاحد تلاش می‌کند یک دوره مشترک فلوشیپ-پسادکتری با عنوان «جراحی انکولوژی الکتروتکنیکی» راه‌اندازی کند که فصل مشترک میان رشته‌های جراحی و مهندسی برق است.

عبدالاحد زمینه پژوهشی‌اش را این‌طور توضیح می‌دهد: «مبارزه با سرطان با کمک الکترونیک در زمینه تشخیص، از علم تا محصول.» در واقع او دارد در فصل مشترک رشته‌های علمی گوناگونی کار می‌کند، نقطه‌ای کلیدی که سدشکنی‌های دنیای علم اغلب در آنجا رخ می‌دهد. در سن 37 سالگی به نظر می‌رسد، او در زمان مناسب در جای مناسب قرار گرفته است. او اکنون به هدف بلندپروازنه دیگری می‌اندیشد اما می‌گوید «اجازه دهید چیزی در موردش نگویم، محرمانه است.» با این حال او باور دارد «یافتن امضای الکترونیکی شروع سرطان»، و «چگونگی کنترل الکتریکی کارکرد سرطان برای جلوگیری از اثرهای ویرانگر آن بر بدن»، دو تا از مهم‌ترین پرسش‌ها در زمینه پژوهشی او هستند که پاسخ به آنها می‌تواند منجر به سدشکنی‌هایی شود.

او خودش را کسی می‌داند که «پرسش‌های زیادی در ذهن دارد، کسی که دانش‌اش همواره پایین‌تر از چیزی است که برای پرداختن به مساله‌های حل‌نشده‌اش لازم است اما می‌خواهد که بیشتر و بیشتر بداند.» او باور دارد اگر از جهل‌اش بکاهد و به تجربه‌اش بیفزاید ممکن است بتواند به انسان‌ها کمک کند که زندگی بهتری داشته باشند. او می‌گوید «من به یک زندگی صادقانه باور دارم، زندگی‌ای که در آن بخواهید به انسان‌ها، فارغ از باورهای دینی‌شان یا نژادشان، کمک کنید. می‌خواهم یک مسلمان واقعی باشم.» بیرون از آزمایشگاهش، وقتی سرگرم پژوهش نیست، ترجیح می‌دهد با خانواده‌اش وقت بگذراند و با بچه‌هایش بازی کند.

وقتی هنوز خیلی دیر نیست

پیشرفت‌های اخیر در زمینه حسگرهای زیستی تشخیص سرطان این فناوری را در آستانه تجاری‌شدن قرار داده است.

گاهی حتی با چشم بسته هم بوی بستگان نزدیک‌تان را تشخیص می‌دهید. این به عطری که می‌زنند یا شوینده‌ای که استفاده می‌کنند ربطی ندارد، بوی خود آنهاست که به وضوح شخیص می‌دهید. رایحه بدن ما در واقع از هزاران ماده آلی تشکیل شده است. این ترکیب پیچیده مولکول‌ها در رایحه بدن که درست مثل اثرانگشت بی‌همتا است، می‌تواند چیزهای زیادی را درباره ما افشا کند، اطلاعاتی مانند سن، ژنتیک، سبک زندگی، زادگاه، شغل یا حتا وضعیت سلامت جسمانی‌ و فرایند‌های متابولیک زیربنایی آن.

این رازی نیست که علم مدرن برملا کرده باشد. در طب سنتی یونان و چین باستان، بوییدن رایحه بیمار به عنوان یک روش تشخیص رایج بوده است. با این حال پژوهش‌های پزشکی مدرن نیز تایید می‌کند که بوی پوست، نفس یا مایعات بدن می‌تواند نشان دهد که آیا فردی بیمار است یا نه. برای مثال بازدم بیماران مبتلا به دیابت گاهی بویی شبیه به سیب گندیده دارد. استفاده از بویایی به عنوان یک شیوه تشخیص غیرتهاجمی، ایده بسیاری جالبی به نظر می‌رسد اما متاسفانه همه پزشکان حس بویایی خوبی ندارند و دماغ‌شان نمی‌تواند یک ابزار دقیق قابل‌اطمینان باشد. اما اگر واقع‌گرایانه‌تر به ماجرا نگاه کنیم بدن ما مملو از نشانگرهای زیستی است که اگر ابزار مناسب برای خواندن آنها را داشته باشیم می‌توانیم به داده‌هایی درباره سلامتی‌مان دست یابیم که حیاتی‌اند. به همین علت است که پژوهشگران دهه‌هاست تلاش می‌کنند حسگرهایی زیستی بسازند که می‌توانند به شیوه‌ای ارزان، سریع، غیرتهاجمی و قابل‌اطمینان بیماری‌ها را تشخیص دهند.

ائتلاف

تاریخچه حسگرهای زیستی به بیش از یک قرن پیش برمی‌گردد، زمانی که مکس کرمر، فیزیولوژیست آلمانی (1935-1865)، الکترود شیشه‌ای را در سال 1906 اختراع کرد. پس از معرفی مفهوم pH (غلظت یون هیدروژن) در سال 1909 و ساخت نخستین الکترود برای اندازه‌گیری آن در سال 1922، پژوهشگران متعددی تلاش کردند قابلیت‌های انواع ابتدایی حسگرهای زیستی را نشان دهند. با این حال، مدت‌ها بعد و در سال 1956 بود که نخستید حسگر زیستی واقعی توسط للاند کلارک، زیست‌شیمی‌دان آمریکایی (2005-1918)، طراحی شد. از او به عنوان «پدر حسگرهای زیستی» یاد می‌شود و اختراعش که الکترودی برای تشخیص قند بود در نهایت منجر به تولید نخستین نسل از حسگرهای زیستی در سال 1975 شد.

از آن زمان تاکنون، حوزه حسگرهای زیستی پیشرفت‌های چشمگیری را تجربه کرده است و اکنون به یک زمینه پژوهشی چندرشته‌ای تبدیل شده که هر دستاوردی در آن نیازمند ائتلافی از دانشمندان است که بدانند چگونه باید میان بنیادهای علوم پایه، الکترونیک، میکرو-الکترو-مکانیک، نانوتکنولوژی و پزشکی پل بزنند. در چند سال اخیر، گروهی از پژوهشگران نخبه در آزمایشگاه ادوات نانو بیوالکترونیک دانشگاه تهران، چنین ائتلافی را شکل داده‌اند. محمد عبدالاحد، سرپرست این آزمایشگاه و دانشیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، و همکارانش در مدت کوتاهی که از آغاز به کار این آزمایشگاه می‌گذرد چندین سیستم تشخیص مینیاتوری جدید را معرفی کرده‌اند. عبدالاحد، یکی از برگزیدگان مقیم کشورهای اسلامی جایزه مصطفی (ص) 2019، و گروهش به موفقیت‌های فراوانی، از جمله ثبت بیش از 20 اختراع در آمریکا و چاپ بیش از 50 مقاله در ژورنال‌های برجسته، دست یافته‌اند. عبدالاحد در مقاله‌ای که سال 2017 در ژورنال Nature Communications منتشر شد، تراشه زیستی میکروالکترونیکی جدیدی موسوم به «متاس-چیپ» را معرفی کرد که با دقت بالایی می‌‌تواند وجود میکرومتاستاز را در نمونه‌های بافت‌برداری تشخیص دهد.

یکی از بزرگ‌ترین نویدهای حسگرهای زیستی این است که آنها می‌توانند بیماری‌های را موقعی تشخیص دهند که برای سایر آزمایش‌‌های متعارف قابل‌تشخیص نیست. و وقتی صحبت از تشخیص زودهنگام به میان می‌آید، هیچ بیماری‌ای بحرانی‌تر از سرطان نیست. به همین علت هدف اصلی بسیاری از پژوهش‌ها در حوزه حسگرهای زیستی یافتن روش‌های جدید و طراحی دستگاه‌های جدید برای تشخیص سرطان است. مهم‌ترین گام در تعیین پیشرفت مراحل بیماری و رژیم‌های درمانی سرطان، شناسایی سلول‌های سرطانی متاستاتیک در نمونه‌ای است که با استفاده از روش‌های آسیب‌شناختی از بافت ثانویه بیمار برداشته می‌شود.

اما این روش‌ها اساسا به شکلی طراحی شده‌اند که می‌توانند حضور سلول‌های مهاجم غیرعادی را در نمونه‌هایی رهگیری ‌کنند که به شیوه خاصی از بافت جداشده تهیه شده‌اند. به بیان دیگر، در مورد این شیوه‌های آسیب‌شناختی همیشه این احتمال وجود دارد که تعدادی از سلول‌های مهاجم از قلم بیفتند.

قاعده طلایی

اغلب گفته می‌شود که سرطان تنها یک بیماری نیست. در واقع بیش از 200 نوع سرطان وجود دارد و همه آنها به واسطه رشد کنترل‌ناپذیر سلول ها در بدن به وجود می‌آیند. مرگ ناشی از سرطان معمولا به علت تومورهای ثانویه‌ای است که در واقع پیامد گسترش سلول‌های سرطانی به دیگر قسمت‌های بدن طی فرایندی موسوم به متاستاز است. عبدالاحد می‌گوید «متاستاز زمانی رخ می‌دهد که سلول‌های سرطانی به یک فنوتیپ مهاجم مهاجرت می‌کنند، فرایندی که از گروه‌هایی از سلول‌ها آغاز می‌شود که ظاهرا از تومورهای اولیه جدا شده‌اند.»

با وجود پیشرفت‌های فراوان در درک ماهیت سرطان، مدت‌هاست که در اثرهای ویرانگر این بیماری بر بیماران تقریبا تغییر چندانی رخ نداده است. در واقع، نرخ مرگ‌ومیر کلی تمام انواع سرطان‌ها در دهه 2000 تقریبا معادل همان چیزی بود که در دهه 1950 بود. در سوی دیگر، قاعده طلایی در جنگ با این بیماری نیز همچنان همان است که بود: نیمی از برد در این نبرد مبتنی بر تشخیص زودهنگام است. با این حال، تشخیص مراحل ابتدایی سرطان، مدت‌ها پیش از آنکه نشانه‌های جسمی بروز کند، می تواند بسیار دشوار باشد. رویکردی که عبدالاحد در مقاله‌اش ارائه کرد این امکان را به وجود می‌آورد که بتوان سلول‌های متاستایک را به شیوه‌ای ساده، سریع و غیرشیمایی در نمونه‌های کوچک بافت‌برداری به دام انداخت. قابلیتی که می‌تواند اثر تشخیصی روش‌های آسیب‌شناختی کنونی پیش از جراحی یا رویه‌های درمانی را بهبود دهد.

فناوری حسگرهای زیستی در حال تکامل است و مدام دستگاه‌های کارآمدتر، حساس‌تر و مطمئن‌تری طراحی و ساخته می‌شوند. با این حال شمار بسیار اندکی از آنها به مرحله کارآزمایی بالینی برای تشخیص سرطان می‌رسند. اما همکاری میان گروه پژوهشی عبدالاحد و دانشگاه علوم پزشکی تهران این امکان را فراهم کرد که تراشه متاس-چیپ تحت کارآزمایی بالینی قرار بگیرد و این دستگاه که اختراعش در آمریکا ثبت شده، قابلیت‌های چشمگیرش را اثبات کرد. عبدالاحد می‌گوید «متاس-چیپ توانست ظرف کمتر از 5 ساعت موارد متاستاز را در بیش از 70 بیمار مبتلا به سرطان سینه تشخیص دهد. علاوه بر این، تراشه در غده‌های لنفاوی 9 بیمار نیز متاستاز را تشخیص داد که در رویه متعارف آسیب‌شناختی از قلم افتاده بودند.» آزمایش‌های تکمیلی که در ادامه روی این نمونه‌های از قلم‌افتاده انجام شد درستی تشخیص‌های تراشه را تایید کرد.

سرمایه‌گذاری های هنگفتی که در سال‌های اخیر در سرتاسر دنیا در زمینه «پژوهش‌های کاربردی‌سازی»، به‌ویژه در زمینه کاربردهای درمانی، انجام شده است، مسیر توسعه سریع‌تر فناوری‌های حسگرهای زیستی را هموار کرده است. این روند می‌تواند به اتحاد صنعت و دانشگاه برای ارائه محصولاتی منجر شود که قابلیت تجاری‌سازی و رقابت در بازار را دارند. دست یافتن به چنین هدفی نیازمند دانشمندان علوم مهندسی و فیزیک‌دانانی است که درک بهتری از زیست‌شناسی دارند و همچنین زیست‌شیمی‌دانان و زیست‌شناسانی است که آگاهی بیشتری نسبت به قابلیت‌ها و ظرفیت‌های فناوری‌های گوناگون دارند. ائتلاف متخصصانی از رشته‌های گوناگون، مانند آنچه به واسطه کوشش‌های عبدالاحد و همکارانش در دانشگاه تهران شکل گرفته است، شرایط بسیار نویدبخشی را فراهم می‌کند که می‌تواند منجر به تجاری‌سازی محصولات پیشرفته و جدید شود.