کشت اندام : رویکردی نوین در تحقیقات زیستی و پزشکی

کشت اندام (organ culture) یکی از روش‌های مؤثر در مطالعات زیستی است که امکان بررسی رشد طبیعی بافت‌ها را در شرایط in-vitro (در شرایط آزمایشگاهی) بدون آسیب به ساختار آن‌ها فراهم می‌سازد. این روش به‌طور خاص در مطالعات مربوط به رشد بافت‌ها، تعاملات سلولی  و اثرات دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کشت اندام به محققان این امکان را می‌دهد که فرایندهای طبیعی بافت‌ها را تحت شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی مطالعه کنند و اطلاعاتی ارزشمند در زمینه‌های پزشکی و بیولوژی به‌دست آورند.

محیط‌های کشت مورد استفاده در این روش، مشابه محیط‌های کشت بافت (tissue culture) هستند. اما برای حفظ ساختار سه‌بعدی اندام‌ها به شرایط خاص‌تری نیاز دارند. اندام‌های جنینی (embryonic organs) به دلیل رشدپذیری بالا، گزینه مناسبی برای کشت هستند و کار با آن‌ها آسان‌تر از اندام‌های بالغ (adult organs) است. سلول‌های جنینی به‌طور طبیعی تمایل به رشد و تکثیر دارند و این ویژگی باعث می‌شود که شرایط آزمایشگاهی برای کشت اندام‌ها از جنین بسیار موفق‌تر از اندام‌های بالغ باشد. علاوه بر این، اندام‌های جنینی به‌عنوان مدل‌هایی برای بررسی تکامل (development) و تمایز (differentiation) و رشد بافت‌ها در مراحل اولیه زندگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در ادامه، به بررسی روش‌های کشت اندام و کاربردهای آن‌ها در علوم زیستی می‌پردازیم.

مقدمه‌ای بر بسترهای کشت اندام

برای انجام کشت اندام‌ در شرایط  in-vitro، انتخاب بستر مناسب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هر بستر دارای ویژگی‌های خاص خود است که آن را برای نگهداری و رشد بافت‌ها در شرایط آزمایشگاهی مناسب می‌سازد. برخی از این بسترها، مانند لخته پلاسما (plasma clot)، از ترکیبات بیولوژیکی طبیعی برای فراهم آوردن محیطی مشابه به بافت‌های بدن استفاده می‌کنند. در حالی که بسترهایی مانند ژل آگار (agar gel) و ماتریکس‌های مصنوعی (synthetic matrices)، ترکیبات مصنوعی هستند که به‌منظور حمایت از رشد و تمایز سلول‌ها طراحی شده‌اند.

همچنین، روش‌هایی همچون قایق (Raft Method) و شبکه‌ای (Grid Method) به‌عنوان بسترهای ساختاری شناخته می‌شوند که به بافت‌ها امکان حرکت و انتقال راحت‌تر در محیط کشت را می‌دهند. در واقع، این بسترهای ساختاری کمک می‌کنند که اندام‌ها بتوانند بهتر شبیه‌سازی شرایط طبیعی خود را داشته باشند. هر یک از این روش‌ها به پیش‌نیازهای خاصی نظیر ترکیب مواد مغذی (nutrient composition)، شرایط محیطی خاص، و تجهیزات ویژه نیاز دارند تا بتوانند فرآیند کشت را به درستی پشتیبانی کنند.

در ادامه به بررسی این بسترها و کاربردهای هریک خواهیم پرداخت.

روش لخته پلاسما یا شیشه ساعت در کشت اندام

یکی از مهم‌ترین پیش‌نیازهای موفقیت در کشت اندام ، انتخاب بستر یا محیطی مناسب برای حمایت فیزیکی و تغذیه‌ای از بافت است. در این راستا، استفاده از لخته‌های بیولوژیکی مانند لخته پلاسما رایج‌ترین روش محسوب می‌شود. لخته پلاسما نه تنها به عنوان یک تکیه‌گاه طبیعی برای نگهداری بافت عمل می‌کند، بلکه با فراهم آوردن عوامل تغذیه‌ای ضروری، شرایط مناسبی برای رشد و حفظ ساختار سه‌بعدی اندام‌ها ایجاد می‌نماید. ماندن و رشد سلول‌ها هستند. بر اساس این اصل، روش‌هایی چون روش لخته پلاسما یا شیشه ساعت توسعه یافته‌اند که در ادامه به‌تفصیل بررسی خواهند شد.

روش انجام کشت

در این روش، قطعه‌ی بافتی (explant) روی لخته پلاسما که به‌طور مناسب آماده شده و درون یک شیشه ساعت قرار دارد، کشت داده می‌شود. لخته پلاسما از ترکیب ۱۵ قطره پلاسما با ۵ قطره عصاره جنینی تهیه می‌گردد. شیشه ساعت روی لایه‌ای از پنبه مرطوب قرار می‌گیرد که درون یک پتری‌ دیش جای داده شده است. پنبه‌ی مرطوب از تبخیر بیش از حد محیط جلوگیری می‌کند. پتری‌ دیش با درپوش پوشانده شده، لبه‌ها با موم پارافین مهر و موم می‌شود و سپس در دمای ۳۷٫۵ درجه سانتی‌گراد انکوبه می‌گردد. لخته‌های تازه هر ۲ تا ۴ روز یک‌بار جایگزین می‌شوند.

در نسخه‌ی اصلاح‌شده این روش، از قایقی ساخته‌شده از کاغذ لنز یا توری ریون برای قرار دادن بافت استفاده می‌شود. این قایق قابل‌حرکت امکان جابجایی آسان نمونه، تغذیه‌ی کشت و تعویض راحت محیط کشت را فراهم می‌سازد.

روش ژل آگار

یکی دیگر از بسترهای رایج در کشت اندام‌ها، روش ژل آگار است که در آن محیط کشت حاوی تمام مواد مغذی مورد نیاز، با استفاده از ۱٪ آگار به‌صورت جامد در می‌آید. این بستر سپس درون شیشه ساعت جنینی قرار می‌گیرد. در این روش، می‌توان از محیط‌های کشت تعریف‌شده که با یا بدون سرم هستند، برای فراهم آوردن پشتیبانی مکانیکی (mechanical support) برای کشت اندام استفاده کرد. در ادامه، اندام جنینی یا قطعه بافتی (explant) روی سطح آگار منتقل می‌شود.  سپس شیشه ساعت با موم پارافین مهر و موم شده و بعد از ۵ تا ۶ روز، قطعات بافتی به محیط‌های ژل آگار تازه منتقل می‌شوند.

برای کشت قطعات بافت تازه جداشده از ارگانیسم، از تکنیک‌های مختلفی مانند کشت اسلایدی، کشت فلاکس کارل، کشت لوله آزمایش چرخان و غیره استفاده می‌شود. این تکنیک‌ها به‌طور خاص برای کشت بافت‌های تازه طراحی شده‌اند و برای کشت جنین و اندام‌ها نیز مورد اصلاح و استفاده قرار می‌گیرند. با تغییرات و بهینه‌سازی‌های صورت‌گرفته در این روش‌ها، امکان کشت موفقیت‌آمیز بافت‌ها و اندام‌ها در شرایط آزمایشگاهی فراهم می‌شود.

خطوط سلولی به‌عنوان یکی از بسترهای کشت اندام

همانطور که گفته شد، در فرآیند کشت اندام ، انتخاب بستر مناسب برای نگهداری و رشد سلول‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از این بسترها، خطوط سلولی (cell lines) هستند که از کشت‌های اولیه (primary cultures) به‌دست می‌آیند و به‌عنوان منبعی پایدار برای مطالعات مختلف در زمینه‌های زیستی، دارویی و پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. خطوط سلولی به دلیل توانایی تکثیر طولانی‌مدت و حفظ ویژگی‌های خاص خود، به یکی از ابزارهای اصلی در کشت بافت و سلول تبدیل شده‌اند. این خطوط سلولی می‌توانند از کشت‌های اولیه به‌وجود آیند و از آن‌ها برای تولید نسل‌های متعدد سلولی در محیط‌های کشت مناسب استفاده شود.

کشت اولیه و زیرکشت

در کشت اندام ، کشت اولیه (Primary Culture) ممکن است برای مدت طولانی زنده نماند. زیرا سلول‌ها تمام مواد مغذی موجود در محیط کشت را مصرف می‌کنند. بنابراین، برای حفظ قابلیت زنده‌مانی سلول‌ها، آن‌ها را با محیط تازه رقیق کرده و به یک فلاکس کشت تازه منتقل می‌کنند. هنگامی که کشت اولیه به محیط تازه منتقل یا زیرکشت (sub culture) می‌شود، به آن خط سلولی  (cell line)  گفته می‌شود. این فرایند به حفظ و تکثیر سلول‌ها در طولانی‌مدت کمک می‌کند.

زیرکشت و شماره‌گذاری گذار در کشت اندام

زیرکشت به محیط تازه در فواصل منظم برای رشد به‌عنوان یک خط سلولی ضروری است. اولین زیرکشت منجر به ایجاد کشت ثانویه می‌شود و به همین ترتیب ادامه می‌یابد. تعداد دفعاتی که کشت تحت زیرکشت قرار گرفته، شماره گذار (passage number) نامیده می‌شود و تعداد دو برابر شدن‌های جمعیت سلولی (cell population doubling) به آن شماره نسل (generation number) گفته می‌شود. این فرآیند باعث افزایش جمعیت سلولی و در نتیجه تولید بیشتر سلول‌ها برای تحقیقات می‌شود.

دگرگونی سلولی و خطوط سلولی جاودانه

برخی از سلول‌های کشت‌های ثانویه به‌طور خودبخود یا شیمیایی دگرگون می‌شوند. این‌گونه خطوط سلولی یا سویه‌ها توانایی بقا نامحدود (immortalization) دارند. این سلول‌ها به‌عنوان خطوط سلولی پیوسته  (continuous cell lines)، خطوط سلولی سرطانی (cancer cell lines)، خطوط سلولی تثبیت‌شده یا خطوط سلولی جاودانه (immortalized cell lines) شناخته می‌شوند. خطوط سلولی پیوسته ممکن است به دلیل اثرات جهش (mutations)، مواد شیمیایی یا ویروس‌ها متوقف شوند. این تغییرات در یک خط سلولی پیوسته به‌عنوان تحول درون‌مقداری (in-vitro transformation) شناخته می‌شود.

دسته‌بندی خطوط سلولی  در کشت اندارم

خطوط سلولی برای کشت اندام به دو دسته تقسیم می‌شوند.

خطوط سلولی محدود

خطوط سلولی محدود (Finite Cell Lines) فقط برای تعداد محدودی نسل سلولی رشد می‌کنند و یک لایه‌ی یگانه (monolayer) تشکیل می‌دهند. این سلول‌ها رشد کندی دارند و برای یک نسل به ۲۴ تا ۹۶ ساعت زمان نیاز دارند. خطوط سلولی محدود به لایه‌ی زیرین (anchorage-dependent) وابسته‌اند و معمولاً دیپلویید (diploid) هستند. برای رشد خطوط سلولی محدود، غلظت بالای سرم ضروری است و بازده تکثیر سلولی (cell proliferation rate) آن‌ها پایین است.

خطوط سلولی پیوسته

خطوط سلولی پیوسته (Continuous Cell Lines) از خطوط سلولی دگرگون‌شده (transformed cell lines) یا سلول‌های سرطانی (cancer cells)  به‌دست می‌آیند. این سلول‌ها توانایی تکثیر نامحدود دارند و در بسیاری از تحقیقات به‌ویژه در مطالعات سرطان و داروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع سلول‌ها می‌توانند برای مدت‌های طولانی در شرایط آزمایشگاهی تکثیر شوند و ویژگی‌های خاص خود را حفظ کنند.

جمع‌بندی

در این مقاله، به بررسی روش‌های مختلف کشت اندام و بسترهای مورد استفاده در کشت این اندام‌ها پرداخته شد. کشت اندام به‌عنوان یک روش حیاتی و مؤثر در تحقیقات زیستی و پزشکی، ابزاری قدرتمند برای مطالعه فرآیندهای بیولوژیکی در شرایط آزمایشگاهی فراهم می‌آورد. این روش به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که بافت‌ها و اندام‌ها را در شرایط in-vitro نگهداری کرده و مطالعه کنند، بدون آنکه ساختار و عملکرد طبیعی آن‌ها تحت تأثیر قرار گیرد.

بسترهای مختلفی که برای کشت اندام‌ها استفاده می‌شوند، از جمله لخته پلاسما ، ژل آگار و روش‌های ساختاری مانند قایق و شبکه‌ای، هرکدام ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند. انتخاب آن‌ها بستگی به نوع بافت یا اندام مورد نظر و هدف تحقیق دارد. این بسترها به‌طور ویژه در حفظ ساختار سه‌بعدی بافت‌ها و تأمین شرایط تغذیه‌ای مناسب برای رشد سلول‌ها اهمیت دارند.

از سوی دیگر، ظهور خطوط سلولی جاودانه و تغییرات ژنتیکی که در نتیجه دگرگونی سلولی ایجاد می‌شود، به‌ویژه در مطالعات سرطان و درمان‌های ژنتیکی، اهمیت زیادی دارند.