نور لیزر نشانه‌های پیری را در بدن پیدا می‌کند
به گزارش خبرگزاری آنا؛ پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه، نشانه‌ای شیمیایی مرتبط با سلول‌های پیر را در بافت ریه و پوست موش شناسایی کرده‌اند که با استفاده از نور لیزر قابل تشخیص است. این یافته می‌تواند گامی در جهت توسعه روش‌هایی باشد که امکان بررسی وضعیت سلول‌ها را بدون تخریب نمونه بافتی فراهم می‌کنند. اهمیت این دستاورد تنها به شناسایی سلول‌های مرتبط با افزایش سن محدود نمی‌شود؛ زیرا اگر این فناوری در مطالعات آینده توسعه یابد، ممکن است به پژوهشگران اجازه دهد تغییرات سلولی را در طول زمان دنبال کنند و ارزیابی دقیق‌تری از درمان‌های آزمایشی مرتبط با پیری داشته باشند. بااین‌حال، روش جدید هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد و کارایی آن برای شناسایی سلول‌های پیر در بدن انسان اثبات نشده است.
پیری سلولی یکی از فرایند‌های مهم زیستی است که هم در سازوکار‌های دفاعی بدن و هم در برخی تغییرات آسیب‌زای مرتبط با افزایش سن نقش دارد. سلول‌های واردشده به این وضعیت، تقسیم‌شدن را متوقف می‌کنند، اما ممکن است برای مدت طولانی در بافت باقی بمانند. مطالعه‌ای که در در مجله «نیچر ایجینگ» (Nature Aging) منتشر شد، نشان داد این سلول‌ها در دو بافت متفاوت، با وجود تفاوت در فعالیت ژن‌هایشان، یک ویژگی شیمیایی مرتبط با چربی‌ها دارند. پژوهشگران با ترکیب این ویژگی با اطلاعات ژنتیکی، الگویی برای تشخیص سلول‌های پیر توسعه دادند؛ رویکردی که می‌تواند محدودیت برخی روش‌های متداول شناسایی این سلول‌ها را برطرف کند.
پیری سلولی؛ فرایندی فراتر از توقف تقسیم
سلول‌های بدن در پاسخ به آسیب‌های ژنتیکی، فشار‌های محیطی و تغییرات درونی، ممکن است وارد وضعیت «پیری سلولی» (Cellular Senescence) شوند. در این حالت، توانایی تکثیر سلول به‌طور پایدار متوقف می‌شود، اما سلول الزاماً از بین نمی‌رود. در نتیجه، ممکن است در بافت باقی بماند و همچنان فعالیت‌های زیستی مشخصی داشته باشد.
مطالعه پیری سلولی به سال ۱۹۶۱ بازمی‌گردد؛ زمانی که «لئونارد هایفلیک» و «پل مورهد» نشان دادند سلول‌های طبیعی انسانی در محیط کشت، برخلاف تصور رایج آن زمان، توانایی تقسیم نامحدود ندارند. این یافته به شکل‌گیری مفهوم محدودیت تکثیر سلولی کمک کرد. پژوهش‌های بعدی مشخص کردند که پیری سلولی فقط نتیجه محدودشدن تعداد تقسیم‌ها نیست و می‌تواند در پاسخ به آسیب دی‌ان‌ای (DNA)، کوتاه‌شدن تلومر‌ها و فعال‌شدن برخی مسیر‌های تنش سلولی نیز رخ دهد.
تلومر‌ها بخش‌هایی از ساختار‌های انتهایی کروموزوم‌ها هستند که در حفظ پایداری ماده ژنتیکی نقش دارند. تغییرات آنها یکی از عوامل مؤثر در برخی انواع پیری سلولی است، اما تمام سلول‌های پیر از یک مسیر واحد وارد این وضعیت نمی‌شوند.
این سلول‌ها گاهی «سلول‌های زامبی» نامیده می‌شوند؛ اصطلاحی غیررسمی که به باقی‌ماندن آنها پس از توقف تقسیم اشاره دارد. بااین‌حال، این نام ممکن است نقش زیستی پیچیده آنها را پنهان کند. پیری سلولی در برخی شرایط به جلوگیری از تکثیر سلول‌های آسیب‌دیده کمک می‌کند و می‌تواند در ترمیم بافت نیز نقش داشته باشد. در مقابل، تجمع طولانی‌مدت این سلول‌ها و تغییر در فعالیت آنها ممکن است با التهاب پایدار، اختلال در بازسازی بافت و بیماری‌های مرتبط با افزایش سن همراه شود.
مروری منتشرشده در «مرورهای سلولی مولکولی نیچر» Nature Reviews Molecular Cell Biology در سال ۲۰۲۱ توضیح می‌دهد که سلول‌های پیر علاوه بر توقف تقسیم، ممکن است مجموعه‌ای از مولکول‌های پیام‌رسان را ترشح کنند که بر سلول‌های اطراف اثر می‌گذارند. این مجموعه فعالیت‌ها با عنوان «فنوتیپ ترشحی مرتبط با پیری» (Senescence-Associated Secretory Phenotype; SASP) شناخته می‌شود. ترکیب این مواد و پیامد‌های آنها بسته به نوع سلول و شرایط بافت متفاوت است.
ازاین‌رو، شناسایی سلول‌های پیر صرفاً به معنای یافتن سلول‌هایی نیست که تقسیم نمی‌شوند. پژوهشگران باید بتوانند ویژگی‌های مولکولی و شیمیایی آنها را بررسی کنند و میان انواع مختلف این وضعیت زیستی تمایز بگذارند.
نور لیزر چگونه ترکیب شیمیایی سلول را آشکار می‌کند؟
پژوهشگران برای بررسی این مسئله از «میکروسکوپی رامان» (Raman Microscopy) استفاده کردند. این فناوری بر پایه پراکندگی نور و تغییرات انرژی آن در برخورد با مولکول‌های نمونه عمل می‌کند و امکان بررسی ویژگی‌های شیمیایی سلول را فراهم می‌سازد.
هنگامی که پرتوی لیزر به نمونه تابانده می‌شود، بخش کوچکی از نور با تغییر انرژی پراکنده می‌شود. این تغییرات به ارتعاش پیوند‌های شیمیایی مولکول‌ها وابسته‌اند و الگوی حاصل، اطلاعاتی درباره ترکیبات موجود در نمونه در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد.
به این ترتیب، طیف رامان مجموعه‌ای از نشانه‌های شیمیایی را ثبت می‌کند که می‌توانند با ویژگی‌های چربی‌ها، پروتئین‌ها، قند‌ها و اسید‌های نوکلئیک ارتباط داشته باشند. این اطلاعات برای بررسی تفاوت‌های مولکولی میان سلول‌ها کاربرد دارند.
یکی از مزیت‌های مهم این روش، امکان تصویربرداری بدون نیاز به رنگ‌آمیزی متداول است. در روش‌های رنگ‌آمیزی، مواد مشخصی برای آشکارکردن مولکول‌ها یا ساختار‌های هدف به نمونه اضافه می‌شوند؛ اما در تصویربرداری رامان، اطلاعات شیمیایی از برهم‌کنش نور با مولکول‌های موجود در نمونه به دست می‌آید.
نشانه‌ای شیمیایی که در دو بافت تکرار شد
در پژوهش جدید، محققان بافت ریه و پوست موش‌های جوان و مسن را بررسی کردند. موش‌های گروه جوان دوماهه و موش‌های گروه مسن ۲۶ماهه بودند. برای هر اندام در هر گروه سنی، سه حیوان مطالعه شدند؛ بنابراین، تعداد نمونه‌های حیوانی محدود بود.
پژوهشگران ابتدا از برش‌های بافتی تصویربرداری رامان انجام دادند و سپس اطلاعات مربوط به فعالیت ژن‌ها را با داده‌های شیمیایی تطبیق دادند. این ترکیب امکان بررسی هم‌زمان دو جنبه متفاوت از وضعیت سلول را فراهم کرد: فعالیت ژنتیکی و ترکیب مولکولی.
در بررسی ژنتیکی، مواد ژنتیکی ده‌ها هزار سلول ریه و پوست تحلیل شد و فعالیت ژن p۲۱ یکی از معیار‌های شناسایی سلول‌های مورد مطالعه بود. نتایج نشان دادند که سلول‌های پیر در ریه و پوست از نظر برنامه فعالیت ژن‌ها تفاوت دارند.
در ریه، تغییرات ژنتیکی با بازآرایی ماتریکس خارج‌سلولی و مسیر‌های مرتبط با عامل رشد تغییرشکل‌دهنده بتا (TGF-β) ارتباط داشتند. ماتریکس خارج‌سلولی شبکه‌ای از مولکول‌های پیرامون سلول‌هاست که در حفظ ساختار و عملکرد بافت نقش دارد. تغییرات این شبکه می‌تواند با بازسازی بافت و تشکیل بافت اسکار همراه باشد.
در پوست، فعالیت ژن‌ها بیشتر با تمایز سلول‌های اپیدرم و حفظ سد محافظتی سطح پوست ارتباط داشت. اپیدرم خارجی‌ترین لایه پوست است و در محافظت از بافت‌های زیرین نقش دارد.
با وجود این تفاوت‌های ژنتیکی، تحلیل طیف‌های رامان یک ویژگی مشترک را آشکار کرد: شدت یک باند مرتبط با چربی‌ها در سلول‌های پیر هر دو بافت افزایش یافته بود. این ویژگی در محدوده عدد موجی ۱۱۳۱ تا ۱۱۳۵ بر سانتی‌متر معکوس قرار داشت.
چربی‌ها تنها ذخایر انرژی نیستند، بلکه در ساختار غشا‌های سلولی و تنظیم بسیاری از فرایند‌های زیستی نیز نقش دارند. تغییر در ترکیب یا آرایش آنها می‌تواند بازتابی از تغییرات عملکردی سلول باشد. یافته جدید نشان می‌دهد که تغییرات مرتبط با چربی‌ها ممکن است یکی از ویژگی‌های مشترک برخی سلول‌های پیر در بافت‌های متفاوت باشد.
بااین‌حال، این نتیجه هنوز نشان نمی‌دهد که تغییرات چربی علت ایجاد پیری سلولی هستند. برای تعیین رابطه علّی، باید مشخص شود که آیا تغییر هدفمند این ترکیبات می‌تواند بر ورود سلول به وضعیت پیری یا تداوم آن اثر بگذارد یا خیر.
ترکیب اطلاعات نوری و ژنتیکی چه اندازه دقیق بود؟
پژوهشگران ویژگی‌های منتخب طیف رامان و داده‌های ژنتیکی را در قالب الگویی ترکیبی با عنوان «بارکد چندوجهی» (Multimodal Barcode) ادغام کردند. سپس یک مدل یادگیری ماشین برای تفکیک سلول‌های پیر از سلول‌های دیگر آموزش دادند.
حدود ۷۰ درصد سلول‌ها برای آموزش مدل و بقیه برای آزمون آن استفاده شدند. در صورت استفاده از داده‌های ژنتیکی به‌تنهایی، دقت طبقه‌بندی سلول‌ها در ریه حدود ۷۴ درصد و در پوست حدود ۶۲ درصد بود. با اضافه‌شدن اطلاعات نوری، این مقادیر به‌ترتیب به حدود ۷۸ و ۶۵ درصد رسیدند.
این افزایش نشان می‌دهد که داده‌های شیمیایی حاصل از تصویربرداری رامان می‌توانند اطلاعات مکملی درباره وضعیت سلول فراهم کنند. بااین‌حال، بهبود دقت محدود بود و عملکرد مدل هنوز برای تشخیص بالینی کافی نیست.
افزون بر این، آزمودن مدل روی بخشی از همان مجموعه داده‌ای که برای آموزش استفاده شده است، جایگزین اعتبارسنجی مستقل در نمونه‌های جدید نمی‌شود. برای ارزیابی قابلیت تعمیم روش، لازم است عملکرد آن در حیوانات دیگر، بافت‌های متفاوت و نمونه‌های انسانی بررسی شود.
پژوهشگران همچنین دریافتند که برنامه فعالیت ژن‌های سلول‌های پیر در بافت جوان و مسن یکسان نیست. در بافت جوان، برخی فعالیت‌های ژنتیکی با ترمیم دی‌ان‌ای ارتباط داشتند؛ درحالی‌که در بافت مسن، برنامه‌های مرتبط با التهاب و بقای سلولی برجسته‌تر بودند. این تفاوت بار دیگر نشان می‌دهد که پیری سلولی یک وضعیت یکنواخت نیست و ممکن است با گذشت زمان ویژگی‌های متفاوتی پیدا کند.
نقش سلول‌های پیر در ترمیم زخم
برای بررسی بیشتر یافته‌ها، پژوهشگران نمونه‌هایی از پوست موش‌های مسن را پس از ایجاد زخم مطالعه کردند. سه روز پس از آسیب، سلول‌های نزدیک به محل زخم فعالیت ژن‌های مرتبط با پیری سلولی و تمایز اپیدرم را نشان دادند. در همین ناحیه، شدت نشانه نوری مرتبط با چربی‌ها نیز افزایش یافته بود.
این یافته با پژوهش‌های پیشین درباره نقش سلول‌های پیر در ترمیم زخم هم‌خوانی دارد. مطالعه‌ای منتشرشده در مجله «دولاپمنتال سل» (Developmental Cell) در سال ۲۰۱۴ نشان داده بود که سلول‌های پیر می‌توانند از طریق ترشح عامل رشد مشتق از پلاکت آلفا (PDGF-AA) در ترمیم بهینه زخم نقش داشته باشند.
این شواهد نشان می‌دهند که سلول‌های پیر را نمی‌توان صرفاً جمعیتی زیان‌بار در نظر گرفت. اثر آنها به نوع بافت، زمان حضور و فعالیت‌های زیستی‌شان وابسته است. در برخی شرایط، فعالیت موقت این سلول‌ها به ترمیم کمک می‌کند؛ درحالی‌که باقی‌ماندن طولانی‌مدت آنها ممکن است با اختلال در بازسازی بافت همراه شود.
به همین دلیل، پژوهش‌های مرتبط با درمان‌های هدف‌گیرنده سلول‌های پیر باید میان حذف سلول‌های آسیب‌زا و حفظ عملکرد‌های سودمند این سلول‌ها تمایز قائل شوند.
از شناسایی سلول‌های پیر تا درمان‌های آینده
یکی از حوزه‌های در حال بررسی در پژوهش پیری سلولی، توسعه دارو‌هایی است که سلول‌های پیر را به‌طور انتخابی حذف می‌کنند. این دارو‌ها «سنولیتیک» (Senolytic) نامیده می‌شوند. گروه دیگری از مداخلات نیز به‌جای حذف سلول‌ها، فعالیت‌های زیان‌بار آنها را هدف قرار می‌دهند و در دسته درمان‌های تعدیل‌کننده پیری سلولی قرار می‌گیرند.
این رویکرد‌ها هنوز با پرسش‌های مهمی درباره ایمنی، انتخاب بیمار، تعیین دوز و شناسایی دقیق سلول‌های هدف روبه‌رو هستند. ازاین‌رو، توسعه روش‌هایی برای اندازه‌گیری معتبر سلول‌های پیر می‌تواند در ارزیابی چنین درمان‌هایی اهمیت داشته باشد.
اگر فناوری رامان در آینده به سطح مناسبی از دقت و سرعت برسد، ممکن است بتوان از آن برای بررسی تغییرات شیمیایی بافت و ارزیابی پاسخ به درمان استفاده کرد. یکی از گزینه‌های مطرح‌شده در مطالعه جدید، توسعه آندوسکوپی مجهز به این فناوری برای بررسی بافت‌های داخل بدن است؛ اما چنین دستگاهی هنوز ساخته نشده است.
در حال حاضر، سامانه پژوهشی تنها محدوده کوچکی از بافت را تصویربرداری می‌کند و شناسایی سلول‌های کمیاب در سطح وسیع‌تر به افزایش سرعت تصویربرداری نیاز دارد. همچنین، تفاوت‌های فردی در سن، مواجهه با نور خورشید، رژیم غذایی و داروهای مصرفی ممکن است بر ترکیب شیمیایی بافت اثر بگذارند و تشخیص را پیچیده‌تر کنند.
گامی پژوهشی، نه هنوز یک ابزار تشخیصی
مطالعات جدید، ترکیب تصویربرداری رامان با اطلاعات ژنتیکی می‌تواند به شناسایی برخی سلول‌های پیر در بافت موش کمک کند. مهم‌ترین دستاورد آن، شناسایی نشانه‌ای مرتبط با چربی‌هاست که در سلول‌های پیر ریه و پوست مشترک بود.
بااین‌حال، محدودبودن نمونه‌های حیوانی، استفاده از p۲۱ به‌عنوان یکی از معیار‌های شناسایی و نیاز به افزایش سرعت تصویربرداری، از جمله موانع مهم توسعه این روش هستند. پیش از هرگونه کاربرد پزشکی، لازم است دقت و قابلیت تعمیم آن در نمونه‌های مستقل و بافت‌های انسانی ارزیابی شود.
اهمیت این پژوهش در آن است که بررسی پیری سلولی را از اتکای صرف به نشانگر‌های ژنتیکی فراتر می‌برد و اطلاعات شیمیایی بافت را نیز وارد فرایند شناسایی می‌کند. اگر این رویکرد در مطالعات آینده اعتبارسنجی شود، ممکن است ابزار تازه‌ای برای بررسی سازوکار‌های پیری و ارزیابی درمان‌های مرتبط با آن فراهم آورد. فعلاً، این فناوری بیش از آنکه راهی آماده برای تشخیص سالمندی باشد، چارچوبی پژوهشی برای شناخت دقیق‌تر تغییرات سلولی است.
انتهای پیام/