دانشمندان تلاش می‌کنند تا اندام‌های تقریباً مرده را احیا کنند؛ اما چرا؟

وقتی «نناد سستان» (Nenad Sestan)، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه ییل، با ترکیبی از مواد مغذی، پروتئین‌ها و داروها به احیای مغز یک خوک ساعت‌ها پس از مرگش پرداخت، کشف کرد که مرز بین زندگی و مرگ به آن روشنی که زمانی فکرش را می‌کرد، نیست. هدف او زنده‌کردن مجدد مغز نبود، بلکه می‌خواست اتصالات آن را مطالعه کند.

به‌محض اینکه او این نتایج نفس‌گیر را در سال ۲۰۱۹ منتشر کرد، از سراسر دنیا به فعالیت‌های آزمایشگاهی او علاقه‌مند شدند.

سستان می‌گوید: «بسیاری از همکاران از ییل و جاهای دیگر به سراغ ما آمدند و گفتند: ما باید این را در کلیه‌ها امتحان کنیم، ما باید آن کار را بکنیم و...» این علایق باعث شد که او و تیمش راه‌حلی به نام «OrganEx» را ارائه دهند که وقتی در سیستم گردش خون پمپاژ شود، می‌تواند موجب فعال‌شدن مجدد تعدادی از اندام‌ها در حیوانی شود که بیش از یک ساعت از مرگش می‌گذرد.

سستان با خنده می‌گوید: «من یک دانشمند اعصاب هستم. در بی‌قیدترین تخیلات خودم نیز هیچ‌گاه تصور نمی‌کردم روی یک کلیه، قلب یا اندامی دیگر کار کنم. اما نیازهای برآورده‌نشده پیوند اعضا واقعاً ما را به حرکت واداشت.»

تنها در ایالات‌متحده، بیش از ۶٬۰۰۰ بیمار در انتظار پیوند عضو از دست می‌روند و هر سال ۷۰۰٬۰۰۰ نفر در اثر بیماری‌های اندامی مرحله آخر می‌میرند. سازمان جهانی بهداشت تخمین می‌زند که در سراسر دنیا تنها ۱۰ درصد از بیمارانی که به پیوند عضو نیاز دارند، می‌توانند یک عضو دریافت کنند؛ از طرف دیگر، هزاران عضو اهداشده هر سال سر از زباله‌ها درمی‌آورند، زیرا بلافاصله مورد حفاظت قرار نمی‌گیرند. برای مثال، در سال ۲۰۱۲، درحالی‌که ۲٬۴۲۱ قلب و ۱٬۶۳۴ ریه در ایالات‌متحده پیوند زده شدند، ۵٬۷۲۳ قلب اهدایی و ۶٬۵۱۰ ریه اهدایی هدر رفتند.

بعد از اینکه قلب پمپاژ را متوقف می‌کند، اندام‌ها باید بلافاصله برداشته شوند تا برای پیوند قابل استفاده باشند. به این دلیل، اکثر عضوها از اهداکنندگان مرگ مغزی می‌آیند که پشتیبانی حیات دارند. وقتی این پشتیبانی قطع شود، اندام‌ها حفاظت می‌شوند؛ معمولاً با گذاشتن آن‌ها روی یخ که متابولیسم و مرگ سلولی را کند می‌کند.

اما کار سستان می‌تواند روزی مرزهای این محدودیت را جابه‌جا کند. «جرالد برندکر» (Gerald Brandacher)، جراح پیوند عضو که آشنایی نزدیکی با این چالش‌ها دارد، می‌گوید: «کاری که تیم سستان انجام داد، این بود که زمان را پیش از احیای عضو خرید و این وقتی از توسعه بانک اهدا صحبت می‌کنیم، اهمیت خود را نشان می‌دهد. همه‌چیز در پزشکی پیوند عضو، مسابقه‌ای با زمان است و این مهم‌ترین منبع ماست.»

کار آن‌ها که روی خوک‌ها انجام و تابستان امسال منتشر شد، اولین موردی است که چندین اندام شامل قلب، کبد، مغز و کلیه‌ها می‌توانند احیا شوند و دوباره به عملکرد قبلی خود بازگردند؛ حتی اگر حیوان سرد نشده و از یک ساعت قبل مرده بود.

«دیوید آندریویچ» (David Andrijevic)، پزشک و دانشمند اعصاب دانشگاه ییل و عضوی از تیم سستان، می‌گوید احیای اندام‌های متعدد با یک دخالت، عرضه اندام را با اضافه‌کردن آن‌هایی که معمولاً دور ریخته می‌شوند، افزایش خواهد داد؛ ازجمله بیمارانی که در خانه می‌میرند و امکان دسترسی بلافاصله به بدن آن‌ها وجود ندارد.

سستان می‌گوید: «برای من خیلی شگفت‌انگیز بود که ببینم توانستیم جریان خون و سلول‌ها را در کل بدن احیا کنیم، چون به‌محض اینکه فرد می‌میرد، فرایندهایی بیوشیمیایی فعال می‌شوند که شروع به نابودکردن سلول‌ها و بستن جریان خون می‌کنند. شما نمی‌توانید به‌سادگی خون حاوی مواد ضدلخته را بردارید و آن را جاری کنید؛ به همین دلیل است که این کار تا‌به‌حال انجام نشده بود و این روش عمل نمی‌کند.»

این پژوهش و دیگر پیشرفت‌های مشابه، این حوزه را زیر‌و‌رو کرده‌اند؛ با دگرگون‌کردن فهم ما از چگونگی و زمان مرگ سلول‌ها و بافت‌ها و همچنین کشف راه‌های جایگزین برای فعال نگه‌داشتن آن‌ها.

«سم پارنیا» (Sam Parnia)، پزشک مراقبت‌های ویژه در دانشگاه نیویورک می‌گوید: «گروه ییل ثابت کرد که سلول‌ها در یک جسد [حداقل یک ساعت] پس از مرگ به‌طور برگشت‌ناپذیر آسیب نمی‌بینند. درنتیجه به‌جای این ایده پذیرفته‌شده مرگ به‌عنوان پایان، می‌پذیریم که می‌توانید بمیرید، اما پتانسیل توسعه داروهایی برای بازگرداندن شما وجود دارد.»

چرا سلول‌ها می‌میرند

برخلاف چیزی که در درام‌های بی‌شمار پزشکی نشان داده می‌شود، مغز (و دیگر اندام‌ها) بلافاصله پس از اینکه قلب پمپاژ خون حاوی اکسیژن و مواد مغذی را در بدن متوقف می‌کند، نمی‌میرد. آندریویچ می‌گوید: «درعوض، سلسله‌ای طولانی‌تر از وقایع وجود دارد که پنجره‌ای را برای دخالت، توقف فرایند و حتی آغاز بازیابی سلول‌ها باز می‌کند.»

اندام‌های ما رشد می‌کنند، زیرا هزاران نیروگاه کوچک به نام میتوکندری درون هر سلول وجود دارند، که غذا را به انرژی لازم برای فعالیت‌های ضروری تبدیل می‌کنند؛ ازجمله تنفس، تفکر و دویدن و هم‌زمان فراورده‌های فرعی سمی را دفع می‌کنند. اما لحظه‌ای که جریان خون متوقف می‌شود، وضعیتی که ایسکمی نام دارد، این تعادل متحول می‌شود. میتوکندری‌ها به‌واسطه کاهش عرضه مواد مغذی می‌سوزند و پسماندی جمع می‌گردد که درنهایت باعث مسمومیت و مرگ سلول می‌شود.

با اینکه میتوکندری‌ها اغلب به کمک اکسیژن انرژی تولید می‌کنند، می‌توانند به یک فرایند ناکارآمدتر و با اکسیژن پایین تغییر حالت دهند و ذخایر انرژی بدن را تا پیش از نابودی (معمولاً حدود پنج دقیقه) استفاده کنند. وقتی سطح انرژی به‌طور پیوسته سقوط می‌کند، یکی از اولین قربانیان، تعادل یونی سلول است که ارتباط بین سلول‌ها و تولید انرژی را کنترل می‌کند.

پارنیا توضیح می‌دهد: «مانند یک کشتی که باید به‌طور دائم آب را به بیرون پمپ کند تا غرق نشود، سلول‌ها پمپ‌هایی دارند که پیوسته کلسیم و سدیم را بیرون می‌ریزند.» بااین‌حال، بدون انرژی لازم، این پمپ‌ها – که در غشای سلول قرار دارند – از کار می‌افتند و کلسیم، سدیم و آب به داخل سلول جریان می‌یابند.

افزایش کلسیم آنزیم‌هایی را فعال می‌کند که DNA را تجزیه می‌کنند و اسکلت سلولی را که ساختار سلول را نگه می‌دارد، درهم می‌شکنند. غلظت بالای کلسیم دکمه‌های خودتخریبی میتوکندری‌ها – یا آپوپتوز – را نیز فعال می‌کند. پارینا می‌گوید: «اما آپوپتوز فرایندی است که به‌طور میانگین پس از ۷۲ ساعت رخ می‌دهد.»

هم‌زمان، رادیکال‌های آزاد (مولکول‌هایی توقف‌ناپذیر مانند هیدروژن پراکسید و سوپراکسید) با پاره‌کردن غشای سلول‌ها و خاموش‌کردن آنزیم‌ها، ویرانی به‌بار می‌آورند.

اگر CPR یا اقدامی دیگر برای نجات حیات به‌طور ناگهانی جریان خون را بازگرداند، می‌تواند به‌طور متناقض باعث ایجاد یک موج تخریب ثانویه و ویرانگرتر شود: نشت رگ‌های خون، ورم بافت‌ها و سرعت‌گرفتن مرگ سلولی.

پارنیا این پدیده را با نابودی ناشی از یک زلزله و تسونامی پس از آن مقایسه می‌کند. زلزله خرابی را آغاز می‌کند، اما اغلب این تسونامی است که بیشتری آسیب را وارد می‌کند. پارنیا می‌گوید: «با نهادینه‌کردن اقدامات ضد‌تسونامی، یا درمان در برابر فرایند آسیب ثانویه، می‌توانیم عملکرد مغز را نجات دهیم و این حوزه‌ای کاملاً جدید را در پزشکی به روی ما باز می‌کند. چیزی که گروه ییل به زیبایی نشان داده، دقیقاً همین فرایند است؛ مزایای کنترل چگونگی احیای خون و اکسیژن در بافت‌ها.»

بااین‌حال، عرف‌های بالینی پیشروی علم را کند می‌کنند. طبق گفته پارنیا، اغلب مردم، ازجمله بسیاری از پزشکان و دانشمندان، فهمی منسوخ از مرگ دارند. او می‌گوید: «ما همگی با این ایده بزرگ شده‌ایم که مرگ یک پایان دائمی است و این را به رسمیت نمی‌شناسیم که دائمی است، تنها به این دلیل که درمان آن را نداریم. مرگ لزوماً به‌معنی پایان دائمی سلولی نیست.»

راهی جدید برای نجات اندام‌های درحال‌مرگ

برای نشان‌دادن اینکه سلول‌ها و اندام‌ها می‌توانند مدتی طولانی (بیش از باور مرسوم) احیا شوند، تیم ییل به خوک‌ها (حیواناتی که به‌خاطر شباهت‌هایی به انسان، مانند اندازه، انتخاب شده‌اند) ایست قلبی القا کرد و آن‌ها را برای یک ساعت روی یک تخت عمل در دمای اتاق قرار داد.

بعد از گذشت یک ساعت، پژوهشگران سرمی را به خوک وصل کردند و یک محلول به رنگ یاقوت کبود به نام OrganEx به سیستم گردش خون وارد کردند. طبق گفته آندریویچ، این ماده یک ترکیب اختصاصی شامل «آمینو اسیدها، ویتامین‌ها، متابولیت‌ها و یک داروی ترکیبی از ۱۳ ماده است که برای القای سلامت سلولی، کاهش استرس و مرگ سلولی و سرکوب التهاب بهینه شده.»

این محلول با جریان خون خود حیوان ترکیب می‌شود که برای شش ساعت به کمک یک ماشین درحال گردش بوده است؛ مشابه دستگاه‌های قلبی-ریوی ECMO (اکسیژناسیون غشایی برون‌پیکری) که برای پشتیبانی قلبی-عروقی موقت به بیماران آسیب‌دیده استفاده می‌شوند. اما این دستگاه شامل یک پمپ مخصوص است که OrganEx را بدون پاره‌کردن مویرگ‌ها پمپ کند؛ یک واحد دیالیز برای فیلترکردن مواد سمی و سنسورهایی برای نظارت فشار و جریان مایع.

تعدادی از حیوانات به‌عنوان کنترل تحت درمان قرار نگرفتند؛ بقیه پس از گذشت یک ساعت با ECMO تحت درمان قرار گرفتند؛ دستگاه برای پمپ خون ترکیب‌شده با اکسیژن و بدون کربن دی‌اکسید در بدن استفاده شد.

این آزمایش‌ها که با مشورت یک کمیته خارجی و متخصصان دیگر طراحی شدند، شامل استانداردهای رفتار انسانی با حیوانات بودند؛ خوک‌ها بیهوش شدند و به آن‌ها مسدودکننده‌های عصبی داده شد تا هوشیاری خود را دوباره به‌دست نیاورند. سستان می‌گوید: «ما می‌خواستیم ببینیم تا چه حد می‌توانیم نابودی سلول‌ها را در اندام‌های آسیب‌دیده معکوس کنیم. کار ما احیای حیوانات نبود.»

وقتی تیم اسلایس‌های مغز، قلب، کبد و کلیه تحت درمان OrganEx را زیر میکروسکوپ بررسی کرد، آن‌ها دریافتند که شباهت بافت‌ها به بافت‌های سالم بیشتر از شباهتشان به بافت‌های تجزیه‌شده حیوانات کنترل است.

توالی‌یابی تک‌سلولی RNA که تصویری در زمان واقعی از فرایندهای مولکولی جاری درون سلول فراهم می‌کند، نشان داد که اندام‌های خوک‌های تحت درمان به عملکردهای پایه مانند بازسازی DNA و حفظ ساختار سلولی ادامه دادند و از مرگ سلول‌ها جلوگیری شد. به‌علاوه، سلول‌های قلب شروع به تپش کردند و سلول‌های کبد وظیفه جذب گلوکز از خون را ادامه دادند.

بااین‌حال، سستان هشدار می‌دهد که هنگام تفسیر این نتایج محتاط بمانیم: «ما می‌توانیم بگوییم که قلب تپش دارد، اما تپش آن تا چه اندازه شبیه به یک قلب سالم است؛ این نیازمند مطالعات بیشتر است.»

اهداف آینده: ذخیره و بهبود اندام‌ها

«عباس اردهالی»، جراح توراکس (جراح سینه) در دانشگاه UCLA است که پرچم‌دار آزمایش‌های بالینی سیستم‌های «اندام در جعبه» برای قلب و ریه بوده؛ ماشینی که شرایط فیزیولوژیکی را برای یک عضو خارج از بدن محیا می‌کنند.

اردهالی می‌گوید هدف نهایی دانشمندان پیوند قلب نه فقط نجات عضوهای اهدایی، بلکه بهبود آن‌ها پیش از قراردادن در بدن گیرنده است: «ظرف تقریباً یک دهه، من پیش‌بینی می‌کنم عضوی که برمی‌داریم با عضوی که به بدن پیوند می‌دهیم، بسیار متفاوت باشد.»

برای مثال، ژن‌درمانی می‌تواند روزی یک عضو اهدایی را به‌گونه‌ای تغییر دهد که با بدن گیرنده هماهنگ باشد. اردهالی می‌گوید: «تصور کنید که آینده به چه شکل خواهد بود. شما می‌آیید، کلیه جدید خود را می‌گیرید و به خانه بازمی‌گردید؛ بدون نیاز به مصرف سرکوب‌کننده‌های سیستم ایمنی.»

پژوهشگرانی دیگر مانند «حنانه حج‌موسی» (Hanane Hadj-Moussa)، زیست‌شناس مولکولی انستیتوی بابراهام در کمبریج انگلیس، از طبیعت سرنخ می‌گیرند؛ با الهام از استراتژی‌های حفظ اندام‌ها از قورباغه جنگلی و موش حفار برهنه؛ حیواناتی که می‌توانند در محیط‌های منجمد یا با اکسیژن پایین زنده بمانند؛ مشابه چیزی که بدن انسان هنگام توقف گردش خون تجربه می‌کند.

حج‌موسی می‌گوید: «برای مثال، آن‌ها برای حفظ انرژی هنگام خواب زمستانی فرایندهای غیرضروری بسیاری را خاموش می‌کنند.» فهم چگونه خاموش‌کردن این فرایندها در عضوهای اهدایی می‌تواند به حفظ آن‌ها کمک کند.

برندچر درحال کاوش این است که پروتئین‌های ضدیخ از یک گونه ماهی قطب شمال می‌تواند از شکل‌گیری کریستال‌های یخ – که می‌توانند سلول‌ها را پاره کنند – در اندام‌ها جلوگیری کند یا نه.

او و همکارانش نشان داده‌اند که اضافه‌کردن پروتئین‌های ضدیخ به محلول‌های نگهداری به آن‌ها این اجازه را می‌دهد که اندام‌ها را در دمای بین منفی ۶ تا منفی ۸ درجه سلسیوس نگهداری کنند. گروه او همچنین از این پروتئین‌ها استفاده می‌کند تا ببیند می‌توانند دمای عضو را تا منفی ۱۵۰ درجه سلسیوس کاهش دهند یا نه؛ دمایی که در آن ساعت زیستی متوقف می‌شود و «ما می‌توانیم ذخیره عضو را در‌نظر بگیریم.»

تابه‌حال، پژوهش برندچر روی حیوانات تأیید شده است، اما او پیش‌بینی می‌کند که مطالعات برای نگهداری عضوهای انسانی با پروتئین‌های ضدیخ احتمالاً در افق سال بعد قرار دارند.

پژوهشگران می‌گویند پیشرفت‌هایی که می‌توانند عضوهای آسیب‌دیده را برای پیوند عضو درمان کنند، پتانسیل کمک به بیماران را نیز دارند.

اما سستان درحال‌حاضر علاقه‌مند به کاربردهای احتمالی بالینی نیست و ترجیح می‌دهد روی پیوند عضو تمرکز کند. هدف بعدی او آزمایش عضوهای تحت درمان OrganEx است؛ ازجمله پیوند آن‌ها به خوک‌های گیرنده برای ارزیابی عملکرد آن‌ها در یک حیوان زنده. او می‌گوید: «ما باید مراقب باشیم درباره چیزی که می‌تواند جامعه را واقعاً تحت تأثیر قرار دهد و دگرگون کند، حدس و گمان نکنیم.»