دانشمندان نقش شگفت‌انگیزی برای یکی از مشتقات ویتامین A در تکامل بینایی انسان کشف کرده‌اند.
به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از نیوز مدیکال، دانشمندان دانشگاه «جانز هاپکینز» فرآیند شگفت‌انگیزی را کشف کرده‌اند که به انسان‌ها کمک می‌کند تا قبل از تولد، بینایی تیزی داشته باشند و این امر، فرضیات چندین دهه در مورد چگونگی شکل‌گیری چشم را به چالش می‌کشد. محققان با استفاده از شبکیه‌های مینیاتوری انسانی که در آزمایشگاه رشد داده شده‌اند، کشف کردند که یک مشتق ویتامین A و هورمون‌های تیروئید با هم کار می‌کنند تا فوئولا را شکل دهند؛ ناحیه کوچکی در مرکز شبکیه که مسئول تیزترین بینایی ما است.
تحقیقات آنها نشان می‌دهد که چگونه این مولکول در کنار هورمون‌های تیروئید برای کمک به تشکیل بخشی از چشم که مسئول تیزبین‌ترین بینایی ماست، عمل می‌کند و توضیح علمی‌ای را به چالش می‌کشد که تقریباً 30 سال پابرجا بوده است.
این کشف بر یک تغییر غیرمنتظره متمرکز است که قبل از تولد در شبکیه در حال رشد رخ می‌دهد. سلول‌های خاصی که در ابتدا نور آبی را تشخیص می‌دهند، به نظر می‌رسد به سلول‌های حساس به نور قرمز و سبز تبدیل می‌شوند و به ایجاد آرایش تخصصی مورد نیاز برای دید مرکزی واضح کمک می‌کنند
این یافته‌ها می‌تواند درک دانشمندان از چگونگی تکامل چشم انسان را تغییر دهد. آنها همچنین ممکن است به پیشبرد تحقیقات در مورد درمان‌های آینده برای دژنراسیون ماکولا، گلوکوم و سایر شرایطی کمک کنند که باعث از دست دادن بینایی می‌شوند.
رابرت جی. جانستون جونیور، دانشیار زیست‌شناسی در دانشگاه جان هاپکینز که سرپرستی این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: "این یک گام کلیدی برای درک عملکرد داخلی مرکز شبکیه است، بخش مهمی از چشم و اولین بخشی که در افراد مبتلا به دژنراسیون ماکولا شکست می‌خورد. با درک بهتر این ناحیه و توسعه ارگانوئیدهایی که عملکرد آن را تقلید می‌کنند، امیدواریم روزی بتوانیم این بافت‌ها را برای بازیابی بینایی پرورش داده و پیوند بزنیم."
چگونه دانشمندان شبکیه در حال رشد انسان را بازسازی کردند؟
جانستون و همکارانش برای بررسی چگونگی شکل‌گیری بینایی انسان، به یک تکنیک آزمایشگاهی نوآورانه روی آوردند که در چند سال گذشته به توسعه آن کمک کرده‌اند. آنها به جای تکیه کامل بر آزمایش‌های حیوانی، نسخه‌های مینیاتوری از بافت شبکیه انسان به نام ارگانوئیدها را پرورش دادند.
این خوشه‌های کوچک سلولی که از سلول‌های جنینی رشد کرده‌اند، ویژگی‌های مهم بافت در حال رشد انسان را بازتولید می‌کنند. دانشمندان با مشاهده ارگانوئیدهای شبکیه در طول چند ماه، توانستند تغییراتی را دنبال کنند که در غیر این صورت مطالعه آنها در دوران بارداری بسیار دشوار بود.
توجه آنها بر فووئولا، ناحیه‌ای کوچک در مرکز شبکیه، متمرکز شد. شبکیه لایه حساس به نور در پشت چشم است که نور ورودی را به سیگنال‌هایی تبدیل می‌کند که مغز می‌تواند تفسیر کند. در داخل آن، فووئولا نقش بسیار مهمی در بینایی مرکزی دقیق ایفا می‌کند که به افراد امکان خواندن، تشخیص چهره‌ها و تشخیص جزئیات دقیق را می‌دهد.
اگرچه فوولا تنها بخش کوچکی از شبکیه را اشغال می‌کند، اما به گفته محققان، تقریباً در ۵۰ درصد از ادراک بصری انسان نقش دارد.
راز شگفت‌انگیز پشت بینایی تیز انسان
یکی از کلیدهای درک فوولا، گروهی از سلول‌های تخصصی تشخیص نور به نام مخروط‌ها است. برخلاف سلول‌های میله‌ای که به ویژه برای دیدن در نور کم مهم هستند، مخروط‌ها از دید در طول روز پشتیبانی می‌کنند و به ما امکان درک رنگ را می‌دهند.
انسان‌ها سه نوع سلول مخروطی دارند که هر کدام به طول موج‌های مختلف نور حساس‌تر هستند. این سلول‌ها معمولاً به عنوان مخروط‌های آبی، سبز و قرمز توصیف می‌شوند. با مقایسه سیگنال‌های این سلول‌های مختلف، مغز می‌تواند طیف وسیعی از رنگ‌ها را تشخیص دهد.
با این حال، مخروط‌ها به طور مساوی در سراسر شبکیه توزیع نشده‌اند. فوولا حاوی مخروط‌های قرمز و سبز است اما فاقد مخروط‌های آبی است که در سایر مناطق شبکیه یافت می‌شوند. این ترتیب دقیق برای بینایی فوق‌العاده تیز تولید شده توسط مرکز چشم ضروری است.
برای دهه‌ها، محققان برای توضیح چگونگی ایجاد این الگو تلاش کرده‌اند. یکی از موانع اصلی این است که حیوانات مورد مطالعه، از جمله موش‌ها و ماهی‌ها، همان سازماندهی شبکیه‌ای که در انسان‌ها یافت می‌شود را ندارند. این امر استفاده از مدل‌های حیوانی سنتی را برای بررسی چگونگی رشد این سلول‌های تخصصی دشوار می‌کند.
شبکیه‌های انسانی رشد یافته در آزمایشگاه، فرصت جدیدی را برای حل این راز دیرینه ارائه دادند.
ویتامین A و هورمون‌های تیروئید باعث ایجاد یک تغییر قابل توجه می‌شوند
محققان شواهدی کشف کردند که نشان می‌دهد چیدمان مخروط‌ها در فووئولا از طریق دو فرآیند هماهنگ ایجاد می‌شود. این دو فرآیند با هم تعیین می‌کنند که کدام نوع سلول‌ها در شبکیه مرکزی تشکیل می‌شوند و چگونه برخی از این سلول‌ها با ادامه رشد تغییر می‌کنند.
در طول هفته‌های 10 تا 12 رشد جنین، تعداد کمی از مخروط‌های آبی در ابتدا در فووئولا وجود دارند. با این حال، تا هفته 14، به نظر می‌رسد که این سلول‌ها به مخروط‌های قرمز و سبز تبدیل شده‌اند.
این تیم دو تأثیر شیمیایی مهم در پشت این فرآیند را شناسایی کرد.
اولین مورد شامل اسید رتینوئیک، مولکولی است که از ویتامین A تولید می‌شود. اسید رتینوئیک به تنظیم نحوه رشد و تخصص سلول‌ها در سراسر بدن کمک می‌کند. در شبکیه در حال رشد، تجزیه این مولکول، تشکیل مخروط‌های آبی در ناحیه مرکزی را محدود می‌کند.
تأثیر دوم از هورمون‌های تیروئید ناشی می‌شود که بیشتر به دلیل تنظیم متابولیسم شناخته می‌شوند، اما نقش‌های حیاتی در رشد و نمو نیز دارند. در این مورد، به نظر می‌رسد که هورمون‌ها مخروط‌های آبی باقی مانده را تشویق می‌کنند تا به مخروط‌های قرمز و سبز تبدیل شوند. جانستون گفت: "اول، اسید رتینوئیک به تنظیم الگو کمک می‌کند. سپس، هورمون تیروئید در تبدیل سلول‌های باقی‌مانده نقش دارد. این بسیار مهم است زیرا اگر آن مخروط‌های آبی را در آنجا داشته باشید، خوب نمی‌بینید."
نکته مهم این است که این کشف مربوط به چگونگی کمک سیگنالینگ ویتامین A به هدایت رشد چشم قبل از تولد است. این کشف ثابت نمی‌کند که مصرف مکمل‌های ویتامین A می‌تواند بینایی تیز را در بزرگسالان بهبود بخشد.
کشفی که یک نظریه 30 ساله را به چالش می‌کشد
این نتایج جایگزین قابل توجهی برای توضیحی ارائه می‌دهد که دهه‌ها بر تحقیقات بینایی تأثیر گذاشته است.
طبق مدل دیرینه، تصور می‌شد که مخروط‌های آبی که در ابتدا در فوولا ظاهر می‌شوند، با رشد شبکیه از بین می‌روند. دانشمندان عموماً فرض می‌کردند که وقتی این سلول‌ها به نوع خاصی از مخروط تبدیل شدند، هویت آنها ثابت می‌ماند.
یافته‌های جدید چیز متفاوتی را نشان می‌دهند. به جای جابجایی ساده، حداقل برخی از مخروط‌های آبی ممکن است دچار تغییر هویت شوند و با رشد چشم به مخروط‌های قرمز یا سبز تبدیل شوند.
جانستون گفت: "مدل اصلی در این زمینه از حدود ۳۰ سال پیش این بود که به نحوی چند مخروط آبی که در آن منطقه دریافت می‌کنید، از سر راه کنار می‌روند، این سلول‌ها تصمیم می‌گیرند که چه باشند و برای همیشه این نوع سلول باقی می‌مانند. ما هنوز نمی‌توانیم واقعاً این را رد کنیم، اما داده‌های ما از مدل متفاوتی پشتیبانی می‌کنند. این سلول‌ها در واقع با گذشت زمان تبدیل می‌شوند، که واقعاً شگفت‌انگیز است."
محققان به طور کامل احتمال مهاجرت برخی از سلول‌ها را رد نکرده‌اند. با این وجود، مشاهدات آنها از این ایده پشتیبانی می‌کند که سلول‌های مخروطی در حال رشد انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به آنچه قبلاً شناخته شده بود، دارند.
این احتمال می‌تواند اساساً نحوه مطالعه دانشمندان در مورد شکل‌گیری دید رنگی انسان و توسعه تخصصی‌ترین مناطق شبکیه را تغییر دهد.
آیا این کشف می‌تواند به دانشمندان در بازیابی بینایی از دست رفته کمک کند؟
این یافته‌ها فراتر از توضیح چگونگی رشد چشم‌های سالم، می‌توانند پیامدهای مهمی برای درمان بیماری‌هایی داشته باشند که به شبکیه آسیب می‌رسانند.
یکی از کاربردهای نویدبخش این روش، دژنراسیون ماکولا، یکی از علل اصلی از دست دادن بینایی مرکزی، به ویژه در میان بزرگسالان مسن است. این بیماری به ماکولا، ناحیه شبکیه که مسئول دید مرکزی دقیق است، آسیب می‌رساند و می‌تواند به شدت در خواندن، رانندگی و تشخیص چهره‌ها اختلال ایجاد کند. اگرچه درمان‌ها می‌توانند اشکال خاصی از این بیماری را کند یا مدیریت کنند، اما در حال حاضر هیچ درمانی برای آن وجود ندارد.
درک چگونگی ایجاد سلول‌های حساس به نور توسط شبکیه می‌تواند در نهایت به دانشمندان در تولید جایگزین‌های سالم در آزمایشگاه کمک کند.
تیم جانستون اکنون در تلاش است تا ارگانوئیدهای شبکیه خود را بهبود بخشد تا ساختار و عملکرد چشم انسان را به طور دقیق‌تری بازتولید کنند. هدف بلندمدت، توسعه جمعیت‌های دقیقاً کنترل شده از گیرنده‌های نوری، سلول‌هایی که نور را تشخیص می‌دهند، برای پیوند بالقوه به شبکیه‌های آسیب‌دیده است.
«کاتارزینا هاسی»، محقق مطالعه و دانشجوی سابق دکترا در آزمایشگاه جانستون، معتقد است که این رویکرد می‌تواند مسیر جدید مهمی را برای بازیابی بینایی باز کند. هاسی اکنون زیست‌شناس مولکولی و سلولی در CiRC Biosciences، یک شرکت سلول‌درمانی در شیکاگو است.
هدف از استفاده از این فناوری ارگانوئیدی، در نهایت ایجاد جمعیتی تقریباً سفارشی از گیرنده‌های نوری است. هاسی گفت: "یک مسیر بزرگ بالقوه، درمان جایگزینی سلول برای معرفی سلول‌های سالمی است که می‌توانند دوباره در چشم ادغام شوند و به طور بالقوه بینایی از دست رفته را بازیابی کنند."
ایده، معرفی سلول‌های سالمی است که می‌توانند با بافت شبکیه موجود ادغام شوند و به طور بالقوه عملکردهای از دست رفته در اثر بیماری را جایگزین کنند. دستیابی به این هدف مستلزم آن است که محققان نشان دهند سلول‌های پیوند شده می‌توانند زنده بمانند، به درستی با مدار موجود چشم ارتباط برقرار کنند و با خیال راحت عمل کنند.
هاسی تأکید کرد: "این فناوری هنوز از کاربرد بالینی معمول فاصله زیادی دارد و توسعه و آزمایش گسترده هنوز ضروری است. اینها آزمایش‌های بسیار طولانی‌مدتی هستند و البته ما باید قبل از ورود به کلینیک، بهینه‌سازی‌هایی را برای مطالعات ایمنی و اثربخشی انجام دهیم. اما این یک سفر عملی است."
در حال حاضر، این کشف چیزی اساسی ارائه می‌دهد: توضیح واضح‌تری از چگونگی توسعه توانایی قابل توجه چشم انسان برای دیدن جزئیات دقیق. دانشمندان با آشکار کردن چگونگی کمک سیگنالینگ ویتامین A و هورمون‌های تیروئید به شکل‌گیری شبکیه، گام دیگری در جهت درک بینایی در مراحل اولیه آن و یافتن راه‌هایی برای بازیابی آن در هنگام بروز بیماری برداشته‌اند.
