دانشمندان دانشگاه جانز هاپکینز نقش شگفت‌انگیز یکی از مشتقات ویتامین آ را در رشد و تکامل بینایی انسان کشف کرده‌اند. پژوهش آنان نشان می‌دهد این مولکول چگونه در کنار هورمون‌های تیروئید، به تشکیل بخشی از چشم که مسئول دقیق‌ترین دید است کمک می‌کند؛ یافته‌ای که توضیح علمی پذیرفته‌شده در حدود ۳۰ سال گذشته را به چالش می‌کشد.

به‌ گزارش پایگاه علمی ساینس‌دیلی، محور این کشف تغییری غیرمنتظره است که پیش از تولد در شبکیه در حال رشد رخ می‌دهد. به نظر می‌رسد برخی سلول‌ها که ابتدا نور آبی را تشخیص می‌دهند، به سلول‌های حساس به نور قرمز و سبز تبدیل می‌شوند و به ایجاد آرایش تخصصی لازم برای دید مرکزی واضح کمک می‌کنند.

این یافته‌ها که در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» (Proceedings of the National Academy of Sciences) منتشر شدند، می‌توانند درک دانشمندان را از چگونگی رشد و تکامل چشم انسان تغییر دهند. همچنین ممکن است به پیشبرد پژوهش‌ها دربارهٔ درمان‌های آینده برای دژنراسیون ماکولا، گلوکوم و دیگر بیماری‌های منجر به کاهش بینایی، کمک کنند. دژنراسیون ماکولا به تخریب ناحیه مرکزی شبکیه و گلوکوم یا آب‌سیاه به گروهی از بیماری‌های آسیب‌رسان به عصب بینایی گفته می‌شود.

رابرت جی. جانستون جونیور، دانشیار زیست‌شناسی دانشگاه جانز هاپکینز و سرپرست این پژوهش، این یافته را گامی کلیدی برای شناخت سازوکارهای درونی مرکز شبکیه توصیف کرد؛ بخشی حیاتی از چشم که در افراد مبتلا به دژنراسیون ماکولا، نخستین ناحیه‌ای است که دچار اختلال می‌شود. او اظهار امیدواری کرد که با شناخت بهتر این ناحیه و ساخت ارگانوئیدهایی که عملکرد آن را تقلید می‌کنند، روزی بتوان این بافت‌ها را پرورش داد و برای بازگرداندن بینایی پیوند زد.

دانشمندان چگونه شبکیه در حال رشد انسان را بازسازی کردند؟

جانستون و همکارانش برای بررسی چگونگی شکل‌گیری بینایی انسان به سراغ روش آزمایشگاهی نوآورانه‌ای رفتند که در چند سال گذشته مشغول کار روی آن بودند. آنان به‌ جای اتکای کامل به آزمایش‌های حیوانی، از مدل‌های کوچک بافت شبکیه انسان که در آزمایشگاه پرورش داده شده‌اند و «ارگانوئید» نام دارند، استفاده کردند.

این مجموعه‌های کوچک سلولی که از سلول‌های جنینی پرورش داده شده‌اند، ویژگی‌های مهم بافت در حال رشد انسان را بازآفرینی می‌کنند. دانشمندان با مشاهده ارگانوئیدهای شبکیه طی چند ماه توانستند تغییراتی را که بررسی آن‌ها در دوران بارداری بسیار دشوار است، دنبال کنند و دریافتند که اسید رتینوئیک، ماده‌ای مشتق از ویتامین آ، همراه با هورمون‌های تیروئید در تعیین سرنوشت سلول‌های حساس به نور شبکیه نقش دارد.

تمرکز آنان بر فووه‌ولا بود که ناحیه‌ای بسیار کوچک در مرکزی‌ترین بخش شبکیه است. شبکیه لایهٔ حساس به نور در پشت چشم است که نور ورودی را به پیام‌هایی تبدیل می‌کند که مغز قادر به تفسیر آنها است. فووه‌ولا در این لایه، در دید مرکزیِ دقیق، قابلیتی که به افراد امکان می‌دهد بخوانند، چهره‌ها را تشخیص دهند و جزئیات ظریف را از هم تمیز دهند، نقشی بسیار مهم دارد.

به گفتهٔ پژوهشگران، فووه‌ولا با آنکه تنها بخش کوچکی از شبکیه را در برمی‌گیرد، در حدود ۵۰ درصد ادراک بینایی انسان نقش دارد.

راز شگفت‌انگیز دید دقیق انسان

یکی از کلیدهای شناخت فووه‌ولا گروهی از سلول‌های تخصص‌یافته تشخیص‌دهنده نور به نام «سلول‌های مخروطی»‌اند. برخلاف سلول‌های استوانه‌ای که برای دیدن در نور کم اهمیت دارند، سلول‌های مخروطی به دید در روشنایی روز کمک می‌کنند و امکان درک رنگ‌ها را فراهم می‌آورند.

انسان سه نوع سلول مخروطی دارد که هرکدام بیشترین حساسیت را به طول‌موج‌های متفاوتی از نور دارند. این سلول‌ها معمولاً مخروط‌های آبی، سبز و قرمز نامیده می‌شوند. مغز با مقایسه پیام‌های این سلول‌های مختلف، می‌تواند طیف بسیار گسترده‌ای از رنگ‌ها را تشخیص دهد. با این‌ حال، سلول‌های مخروطی به‌طور یکنواخت در سراسر شبکیه توزیع نشده‌اند. فووه‌ولا دارای مخروط‌های قرمز و سبز است، اما مخروط‌های آبی که در دیگر نواحی شبکیه وجود دارند، آنجا دیده نمی‌شوند. این آرایش دقیق برای دید بسیار واضحی که بخش مرکزی شبکیه فراهم می‌کند، ضروری است.

پژوهشگران دهه‌ها در تلاش بوده‌اند توضیح دهند این الگو چگونه شکل می‌گیرد. یکی از موانع اصلی این است که جانورانی مانند موش و ماهی که معمولاً در پژوهش‌ها بررسی می‌شوند، آرایش شبکیه‌ای مشابه انسان ندارند. به همین دلیل استفاده از مدل‌های حیوانی متداول برای بررسی چگونگی رشد و تکامل این سلول‌های تخصص‌یافته دشوار است.

شبکیه‌های انسانی پرورش‌یافته در آزمایشگاه فرصتی تازه برای حل این معمای دیرینه فراهم کردند.

ویتامین آ و هورمون‌های تیروئید تغییری چشمگیر ایجاد می‌کنند

پژوهشگران شواهدی یافتند که نشان می‌دهد آرایش سلول‌های مخروطی در فووه‌ولا از طریق دو فرایند هماهنگ شکل می‌گیرد. این دو فرایند در کنار هم تعیین می‌کنند چه نوع سلول‌هایی در بخش مرکزی شبکیه تشکیل شوند و برخی از این سلول‌ها با ادامه رشد چگونه تغییر کنند.

در هفته‌های دهم تا دوازدهم رشد جنین، ابتدا تعداد کمی مخروط آبی در فووه‌ولا وجود دارد، اما به نظر می‌رسد تا هفته چهاردهم، این سلول‌ها به مخروط‌های قرمز و سبز تبدیل شده باشند. گروه پژوهش دو عامل شیمیایی مهم در پس این فرایند را شناسایی کرد و دریافت که عامل نخست به «اسید رتینوئیک» مربوط است؛ مولکولی که از ویتامین آ تولید می‌شود و به تنظیم رشد و تخصص‌ یافتن سلول‌ها در سراسر بدن کمک می‌کند. در شبکیه در حال رشد، تجزیه این مولکول تشکیل مخروط‌های آبی را در ناحیه مرکزی محدود می‌کند.

عامل دوم، هورمون‌های تیروئید است که بیشتر به نقششان در تنظیم سوخت‌وساز بدن شناخته می‌شوند، اما در رشد و تکامل نیز نقشی حیاتی دارند. در این مورد، به نظر می‌رسد این هورمون‌ها مخروط‌های آبی باقی‌مانده را به تبدیل‌ شدن به مخروط‌های قرمز و سبز سوق می‌دهند.

جانستون گفت: «ابتدا اسید رتینوئیک به تعیین الگو کمک می‌کند. سپس هورمون تیروئید در تبدیل سلول‌های باقی‌مانده نقش دارد. این موضوع بسیار مهم است، چون اگر مخروط‌های آبی در آن ناحیه وجود داشته باشند، کیفیت دید پایین‌تر می‌آید.»

نکتهٔ مهم این است که این کشف به نقش پیام‌رسانی ویتامین آ در هدایت رشد و تکامل چشم پیش از تولد مربوط می‌شود و ثابت نمی‌کند که مصرف مکمل ویتامین آ می‌تواند دید دقیق را در افراد بهبود بخشد.

کشفی که نظریه‌ای ۳۰ساله را به چالش می‌کشد

این نتایج با دیدگاهی که دهه‌ها بر پژوهش‌های بینایی تأثیر گذاشت، به‌طور چشمگیری متفاوت است. بر اساس الگوی دیرینه، تصور می‌شد مخروط‌های آبی که ابتدا در فووه‌ولا ظاهر می‌شوند، با رشد شبکیه، از این ناحیه دور می‌شوند. دانشمندان عموماً فرض می‌کردند وقتی این سلول‌ها به نوع مشخصی از سلول مخروطی تبدیل شدند، هویتشان ثابت می‌ماند. حالا یافته‌های تازه احتمال دیگری را مطرح می‌کنند: مخروط‌های آبی به‌ جای آنکه صرفاً جابه‌جا شوند، ممکن است‌ــ دست‌کم برخی از آنها‌ــ هنگام رشد چشم تغییر هویت دهند و به مخروط‌های قرمز یا سبز تبدیل شوند.

جانستون گفت: «الگوی اصلی در این حوزه، از حدود ۳۰ سال پیش، این بود که آن چند مخروط آبی موجود در این ناحیه به‌نوعی از آنجا کنار می‌روند؛ اینکه این سلول‌ها تعیین می‌کنند قرار است چه نوع سلولی باشند و برای همیشه همان نوع باقی می‌مانند. هنوز واقعاً نمی‌توانیم این احتمال را رد کنیم، اما داده‌های ما از الگوی متفاوتی حمایت می‌کنند: این سلول‌ها در واقع با گذشت زمان تغییر نوع می‌دهند که واقعاً شگفت‌انگیز است.»

پژوهشگران احتمال مهاجرت برخی سلول‌ها را کاملاً رد نکرده‌اند. با این‌ حال مشاهدات آنان از این دیدگاه حمایت می‌کند که سلول‌های مخروطی در حال رشد، از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، انعطاف‌پذیری بیشتری دارند.

این احتمال می‌تواند شیوهٔ مطالعه دانشمندان را دربارهٔ شکل‌گیری دید رنگی انسان و رشد تخصص‌یافته‌ترین نواحی شبکیه را به‌طور بنیادی تغییر دهد.

آیا این کشف می‌تواند به بازگرداندن بینایی ازدست‌رفته کمک کند؟

این یافته‌ها افزون بر توضیح چگونگی رشد چشم سالم، می‌توانند برای درمان بیماری‌های آسیب‌رسان به شبکیه هم پیامدهای مهمی داشته باشند. یکی از کاربردهای بالقوه و به‌ویژه امیدبخش آن به دژنراسیون ماکولا مربوط است؛ یکی از علل اصلی از دست‌ رفتن دید مرکزی، به‌خصوص در سالمندان.

این بیماری به ماکولا، ناحیه‌ای از شبکیه که مسئول دید مرکزیِ دقیق است، آسیب می‌زند و می‌تواند خواندن، رانندگی و تشخیص چهره‌ها را به‌شدت مختل کند. اگرچه درمان‌ها می‌توانند روند برخی انواع این بیماری را کُند یا آن‌ها را کنترل کنند، در حال حاضر درمان قطعی برای آن وجود ندارد.

شناخت چگونگی تولید سلول‌های تخصص‌یافته حساس به نور در شبکیه می‌تواند در نهایت به دانشمندان کمک کند جایگزین‌های سالم این سلول‌ها را در آزمایشگاه تولید کنند.

گروه جانستون اکنون در تلاش است ارگانوئیدهای شبکیهٔ خود را بهبود دهد تا ساختار و عملکرد چشم انسان را دقیق‌تر بازآفرینی کنند. هدف بلندمدت تولید مجموعه‌هایی از سلول‌های گیرنده نور با ترکیبی دقیقاً کنترل‌شده است تا در آینده، امکان پیوند آن‌ها به شبکیه‌های آسیب‌دیده بررسی شود. گیرنده‌های نور سلول‌هایی‌‌اند که نور را تشخیص می‌دهند.

کاتاژینا هاسی، از نویسندگان پژوهش، معتقد است این رویکرد می‌تواند مسیری تازه و مهم برای بازگرداندن بینایی بگشاید. به گفتهٔ هاسی، هدف از استفاده از این فناوری ارگانوئیدی این است که در نهایت مجموعه‌ای از گیرنده‌های نور بسازیم که تقریباً مطابق نیاز تولید شده باشند. یکی از مسیرهای بسیار امیدبخش درمان از طریق جایگزینی سلول‌ها است؛ یعنی وارد کردن سلول‌های سالمی که بتوانند با بافت چشم یکپارچه شوند و بینایی ازدست‌رفته را بازگردانند.

رسیدن به این هدف مستلزم آن است که پژوهشگران نشان دهند سلول‌های پیوندی می‌توانند زنده بمانند، به‌درستی با شبکه عصبی موجود چشم ارتباط برقرار کنند و عملکردی ایمن داشته باشند. هاسی تأکید کرد که این فناوری هنوز تا استفاده معمول در درمان بیماران فاصله زیادی دارد و به توسعه و آزمایش‌های گسترده نیاز است.

او گفت: «این‌ها آزمایش‌هایی بسیار بلندمدت‌اند و البته پیش از ورود به مرحله بالینی، باید بهینه‌سازی‌های لازم را انجام دهیم و ایمنی و اثربخشی را بررسی کنیم. اما این مسیری شدنی است.»

در حال حاضر، این کشف دستاوردی بنیادی دارد: توضیح روشن‌تر این موضوع که چشم انسان چگونه توانایی چشمگیر خود را برای دیدن جزئیات ظریف به دست می‌آورد. دانشمندان با آشکار کردن نقش پیام‌رسانی ویتامین آ و هورمون‌های تیروئید در شکل‌گیری شبکیه، برای شناخت بینایی در نخستین مراحل رشد و احتمالاً یافتن راه‌هایی برای بازگرداندن آن هنگام بروز بیماری، گامی دیگر برداشته‌اند.