وقتی نوبت به مطالعه ریه ها می رسد، انسان تمام هوا را می گیرد، اما معلوم شد که دانشمندان چیزهای زیادی برای یادگیری از مارمولک ها دارند.
مطالعه جدیدی از دانشگاه پرینستون نشان می دهد که چگونه مارمولک قهوه ای آنول یکی از پیچیده ترین مشکلات طبیعت – تنفس – را با نهایت سادگی حل می کند. در حالی که ریه‌های انسان طی ماه‌ها و سال‌ها به ساختارهای درخت‌مانند باروک تبدیل می‌شوند، ریه آنول تنها در عرض چند روز به شکل لوب‌های خام پوشیده شده با برآمدگی‌های پیازی شکل می‌گیرد. این ساختارهای کدو مانند، در حالی که بسیار کمتر تصفیه شده اند، به مارمولک اجازه می دهند تا اکسیژن را با گازهای زائد، درست مانند ریه های انسان مبادله کند. و از آنجایی که با استفاده از فرآیندهای مکانیکی ساده به سرعت رشد می‌کنند، ریه‌های آنول الهام‌بخش جدیدی برای مهندسین طراحی بیوتکنولوژی‌های پیشرفته است.
سلست نلسون، پروفسور خانواده Wilke در مهندسی زیستی و محقق اصلی این مطالعه، گفت: “گروه ما واقعاً علاقه مند به درک رشد ریه برای اهداف مهندسی است.” اگر بفهمیم ریه‌ها چگونه خود را می‌سازند، شاید بتوانیم از مکانیسم‌هایی که مادر طبیعت برای بازسازی یا مهندسی بافت‌ها استفاده می‌کند، استفاده کنیم.»
در حالی که ریه‌های پرندگان و پستانداران از طریق انشعاب بی‌پایان و سیگنال‌دهی پیچیده بیوشیمیایی پیچیدگی زیادی پیدا می‌کنند، ریه آنول قهوه‌ای پیچیدگی نسبتاً متوسط خود را از طریق یک فرآیند مکانیکی که نویسندگان آن را به یک توپ استرس مشبک تشبیه کرده‌اند، شکل می‌دهد – اسباب‌بازی رایجی که در کشوهای میز و ویدیوهای DIY یافت می‌شود. به گفته محققان، این مطالعه که در 22 دسامبر در ژورنال Science Advances منتشر شد، اولین مطالعه ای است که به توسعه ریه خزنده پرداخته است.
ریه آنول چند روز پس از رشد به عنوان یک غشای توخالی و کشیده شروع می شود که توسط یک لایه یکنواخت از ماهیچه صاف احاطه شده است. در طول رشد سلول های ریه مایع ترشح می کنند و در حین انجام این کار، غشای داخلی به آرامی باد می شود و مانند یک بالون نازک می شود. فشار به عضله صاف فشار می آورد و باعث سفت شدن آن می شود و به صورت دسته های الیافی پخش می شود که در نهایت شبکه ای به شکل لانه زنبوری را تشکیل می دهند. فشار مایع به فشار دادن غشای کشسان به بیرون ادامه می‌دهد، از میان شکاف‌های مش سینه‌دار برآمده می‌شود و لامپ‌های پر از مایع را تشکیل می‌دهد که ریه را می‌پوشاند. این برآمدگی ها سطح زیادی را ایجاد می کنند که در آن تبادل گاز اتفاق می افتد. و بس. کل فرآیند کمتر از دو روز طول می کشد و در هفته اول جوجه کشی کامل می شود. پس از بیرون آمدن مارمولک، هوا از بالای ریه وارد می شود، در اطراف حفره ها می چرخد و سپس به بیرون جریان می یابد.
برای مهندسانی که به دنبال راه‌های کوتاه طبیعت برای سلامتی انسان هستند، این سرعت و سادگی یک الگوی طراحی جدید را ایجاد می‌کند. این مطالعه همچنین زمینه جدیدی را برای دانشمندان ایجاد می کند تا رشد خزندگان را با جزئیات بسیار بیشتری مطالعه کنند.
نلسون گفت، زمانی که نلسون برای اولین بار مطالعه ریه های مرغ را در اواخر دهه 2000 آغاز کرد، عقل متعارف بر این باور بود که “ریه های مرغ همان ریه های موش هستند.” “و این درست نیست.”
او که مشتاق بر هم زدن این فرضیات بود، تیمش را راهنمایی کرد تا سؤالات اساسی در مورد چگونگی ساخت ریه های طبقات مختلف مهره داران بپرسند. نلسون می‌گوید: «معماری ریه پرندگان به‌طور باورنکردنی با ریه‌های پستانداران متفاوت است. به عنوان مثال، به جای دیافراگم، کیسه های هوا در سراسر بدن پرندگان تعبیه شده است که نقش دم را دارند.
نلسون معتقد بود که برای تطبیق پیچیدگی فوق‌العاده ریه‌های پرندگان برای ابزارهایی که می‌توانند برای سلامت انسان مفید باشند، علم باید حتی عمیق‌تر شود. طبیعت مشکل تبادل گاز را با دو سیستم کاملاً متفاوت حل کرده بود. چگونه آنها مرتبط بودند؟ و ممکن است سیستم های دیگری نیز وجود نداشته باشد؟ این باعث شد که تیم او به زمان تکامل در جستجوی یک منشا مشترک برگردد. و خزنده آنجا نشسته بود و همان کاری را انجام می داد که خزندگان به خوبی انجام می دهند: پنهان شدن در دید آشکار.
زمانی که مایکل پالمر به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد به آزمایشگاه پیوست، چالش سازماندهی این مطالعه را – به معنای واقعی کلمه – از پایه آغاز کرد. تمساح ها بیش از حد حیله گر بودند. آنول های سبز از تولید مثل خودداری کردند. پس از سال‌ها کار مقدماتی، پالمر در اواخر سال 2019 برای شکار آنول‌های قهوه‌ای وحشی به فلوریدا سفر کرد. او و همکارش در گل و لای یک پارک حومه شهر گذر کردند و صخره‌ها و برگ‌ها را در امتداد لبه جنگل ورق زدند. آنها از تله‌های ساخته شده از نخ دندان برای گرفتن ده‌ها نفر و قرار دادن هر کدام در ویواریوم مینیاتوری خود استفاده کردند. آنها سپس حیوانات را از شمال فلوریدا به پرینستون بردند، جایی که دامپزشکان دانشگاه و کارکنان منابع حیوانی به تیم کمک کردند تا یک مرکز آنول دائمی ایجاد کنند.
این زمانی بود که پالمر شروع به بررسی تخم‌ها کرد تا رشد ریه‌های موجودات را ترسیم کند. پالمر با همکاری Andrej Košmrlj، استادیار مهندسی مکانیک و هوافضا، و همچنین دانشجوی فارغ التحصیل Anvitha Sudhakar، از مشاهدات خود برای ساخت یک مدل محاسباتی از ریه و درک فیزیک آن استفاده کرد.
پالمر که دکترای خود را دریافت کرد، گفت: «ما کنجکاو بودیم که آیا می‌توانیم با مطالعه چنین ریه ساده‌ای چیزی در مورد اصول اولیه رشد ریه بیاموزیم. در اوایل سال جاری در مهندسی شیمی و بیولوژیکی. او شواهدی را دیده بود که نشان می‌داد ماهیچه‌های صاف نقش مجسمه‌سازی را در سیستم‌های دیگر بازی می‌کردند، اما در این مطالعه او توانست نحوه عملکرد مستقیم آن را مشاهده کند.
پالمر گفت: “ریه مارمولک با استفاده از یک مکانیسم بسیار فیزیکی رشد می کند.” “آبشاری از تنش های ناشی از فشار و کمانش ناشی از فشار.” در کمتر از دو روز، اندام از بالون صاف به ریه کاملاً شکل می‌گیرد. و این فرآیند به اندازه‌ای ساده است که پالمر می‌تواند از مدل محاسباتی خود برای ساخت یک ماکت کار در آزمایشگاه استفاده کند. در حالی که سیستم مهندسی شده با پیچیدگی کامل سیستم زنده مطابقت نداشت، نزدیک شد.
محققان این غشاء را با استفاده از یک ماده سیلیکونی به نام Ecoflex که معمولا در صنعت فیلم برای گریم و جلوه های ویژه استفاده می شود، ریخته اند. سپس آنها سیلیکون را با سلول‌های ماهیچه‌ای چاپ‌شده سه‌بعدی محصور کردند تا همان نوع موج‌هایی را در سیلیکون متورم ایجاد کنند که پالمر در اندام زنده پیدا کرده بود. آنها با موانع فنی روبرو شدند که حقیقت خلقت آنها را محدود می کرد، اما در نهایت به طرز عجیبی شبیه اندام زنده بود.
آن مارمولک‌های فروتن حیاط خلوت نوع جدیدی از ریه مصنوعی و چارچوبی را الهام بخشیدند که مهندسان می‌توانند آن را برای رسیدن به اهداف نامعلوم آینده اصلاح کنند.
نلسون گفت: “جانداران مختلف ساختار اندام های متفاوتی دارند و این زیبا است و ما می توانیم چیزهای زیادی از آن بیاموزیم.” “اگر قدردان باشیم که تنوع زیستی زیادی وجود دارد که نمی‌توانیم ببینیم، و سعی کنیم از آن بهره ببریم، ما به عنوان مهندس ابزارهای بیشتری برای مقابله با برخی از چالش‌های اصلی جامعه خواهیم داشت.”
مقاله «مورفوژنز توپ استرس: چگونه مارمولک ریه‌های خود را می‌سازد» تا حدی با بودجه مؤسسه ملی بهداشت، بنیاد ملی علوم، صندوق فناوری تحول‌آفرین اریک و وندی اشمیت و مؤسسه پزشکی هاوارد هیوز حمایت شد. نویسندگان دیگر عبارتند از: برایان ای.