นักวิจัยจาก UCLA สร้าง "ปอดจิ๋ว" พร้อมหลอดเลือดได้สำเร็จ หนทางต่อยอดไปสู่การสร้างอวัยวะจิ๋วอื่นๆ

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (UCLA) ได้ประสบความสำเร็จในการสร้าง "ปอดขนาดจิ๋ว" หรือออร์แกนอยด์ (Organoid) จากสเต็มเซลล์ ที่ไม่เพียงจำลองโครงสร้างของปอดมนุษย์ แต่ยังมาพร้อมกับเครือข่ายหลอดเลือดที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ในตัวเองเป็นครั้งแรกของโลก การค้นพบนี้ไม่เพียงแค่แก้ปัญหาคอขวดที่มีมานานในการสร้างอวัยวะจำลอง แต่ยังเปิดประตูสู่ความเข้าใจใหม่ๆ ในการต่อสู้กับโรคปอดที่ซับซ้อนและเคยยากเกินกว่าจะศึกษา

ผลงานวิจัยชิ้นเอกนี้ ซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสารระดับโลกอย่าง Cell ถือเป็นการก้าวกระโดดจากการสร้างออร์แกนอยด์แบบเดิมๆ ที่มักจะขาดระบบหลอดเลือด ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญที่ทำหน้าที่ลำเลียงออกซิเจนและสารอาหาร เปรียบเสมือนการสร้างเมืองจำลองที่สวยงามแต่ไม่มีถนนและระบบสาธารณูปโภค ความสำเร็จของทีม UCLA คือการสร้าง "เมือง" ที่มีระบบขนส่งครบวงจร ทำให้มันมีชีวิตและทำงานได้ใกล้เคียงกับอวัยวะจริงมากที่สุด

"ช่วงเวลาแรกสุดของการพัฒนามนุษย์ยังคงเป็นเหมือนกล่องดำที่เรามองไม่เห็น" Dr. Mingxia Gu ผู้นำการวิจัยและผู้เชี่ยวชาญจาก Broad Center for Regenerative Medicine and Stem Cell Research ของ UCLA กล่าว "วิธีการใหม่ของเราในการสร้างหลอดเลือดให้กับออร์แกนอยด์ปอด เปรียบเหมือนการเจาะช่องเข้าไปในกล่องดำใบนั้น ช่วยให้เราเข้าใจกระบวนการก่อร่างสร้างตัวของอวัยวะตามธรรมชาติได้ลึกซึ้งกว่าที่เคย"

จุดเปลี่ยนที่มาจากการค้นพบโดยบังเอิญ

เบื้องหลังความสำเร็จนี้คือเรื่องราวของการค้นพบที่ไม่ได้คาดฝัน Dr. Mingxia Gu ซึ่งมีความเชี่ยวชาญด้านภาวะความดันหลอดเลือดปอดสูง เริ่มต้นโครงการนี้ในช่วงที่การระบาดของ COVID-19 ทำให้การวิจัยปอดกลายเป็นจุดสนใจของโลก เธอเล็งเห็นว่าอุปสรรคใหญ่หลวงของโมเดลปอดจำลองคือการไม่มีหลอดเลือด

ในตอนแรก ทีมวิจัยได้เดินตามแนวทางมาตรฐาน นั่นคือการเพาะเลี้ยงเซลล์ที่จะกลายเป็นเนื้อเยื่อปอด (ติดฉลากสีเขียว) และเซลล์ที่จะกลายเป็นหลอดเลือด (ติดฉลากสีแดง) แยกจากกัน แล้วจึงนำมาประกอบร่างในภายหลัง

"เราคาดว่าจะได้โครงสร้างปอดสีเขียวที่มีเครือข่ายหลอดเลือดสีแดงพันอยู่รอบๆ" Dr. Mingxia Gu อธิบาย "แต่ผลลัพธ์ที่ได้กลับน่าประหลาดใจอย่างยิ่ง เราพบว่าทั้งเนื้อเยื่อปอดและหลอดเลือดต่างก็กลายเป็นสีแดง นั่นหมายความว่าเซลล์ตั้งต้นชนิดเดียวกันกลับพัฒนาไปเป็นเซลล์ทั้งสองประเภทพร้อมๆ กัน"

การค้นพบนี้กลายเป็นจุดเปลี่ยนที่ทำให้ทีมละทิ้งวิธี "ประกอบร่าง" แบบเดิมๆ ซึ่งพลาดหน้าต่างเวลาทองที่เซลล์ทั้งสองชนิดต้องพัฒนาร่วมกัน และหันมาใช้กลยุทธ์ใหม่ที่เลียนแบบธรรมชาติอย่างแท้จริง นั่นคือการปล่อยให้เซลล์ต้นกำเนิดพัฒนาเป็นเนื้อเยื่อปอดและหลอดเลือดไปพร้อมกันตั้งแต่จุดเริ่มต้น ผลลัพธ์คือ "ปอดจิ๋ว" ที่มีโครงสร้างสามมิติซับซ้อนกว่า มีความหลากหลายของเซลล์มากกว่า และมีอัตราการรอดชีวิตสูงกว่าโมเดลใดๆ ที่เคยมีมา

พิสูจน์คุณค่าด้วยการไขปริศนาโรคร้ายในทารก

เพื่อทดสอบศักยภาพของโมเดลใหม่นี้ ทีมวิจัยได้นำไปใช้ศึกษากับโรคทางพันธุกรรมที่หายากและอันตรายถึงชีวิตในทารกแรกเกิดที่ชื่อว่า ACDMPV (Alveolar Capillary Dysplasia with Misalignment of Pulmonary Veins) ซึ่งเกิดจากความผิดปกติของยีน FOXF1 โรคนี้ทำให้ระบบหลอดเลือดในปอดเจริญผิดปกติ นำไปสู่ภาวะหายใจล้มเหลวและยังไม่มีวิธีรักษา

ในอดีต การศึกษาโรคนี้แทบจะเป็นไปไม่ได้ในห้องปฏิบัติการ เพราะโมเดลออร์แกนอยด์ทั่วไปไม่มีหลอดเลือดซึ่งเป็นจุดที่ยีน FOXF1 เข้าไปสร้างความเสียหาย แต่ด้วยเทคนิคใหม่นี้ นักวิจัยสามารถนำสเต็มเซลล์จากผู้ป่วย ACDMPV มาสร้างเป็นปอดจิ๋วที่มีหลอดเลือด และมันก็สามารถจำลองความผิดปกติได้ทั้งในระดับหลอดเลือดและเนื้อเยื่อปอดที่เสียหายตามมาได้อย่างแม่นยำ

"เราอยากแสดงให้เห็นว่าระบบออร์แกนอยด์ใหม่นี้เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังเพียงใด มันช่วยให้เราเข้าใจว่าหลอดเลือดปรับตัวให้เข้ากับอวัยวะแต่ละชนิดได้อย่างไร และเซลล์สื่อสารกันอย่างไรทั้งในภาวะปกติและภาวะเจ็บป่วย" Dr. Mingxia Gu กล่าวเสริม

จากปอดทารกสู่ปอดผู้ใหญ่ และการผลิตเชิงอุตสาหกรรม

แม้จะเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ แต่ปอดจิ๋วในปัจจุบันยังมีลักษณะคล้ายกับปอดของทารกในครรภ์ ก้าวต่อไปของทีมคือการทำให้มัน "เติบโต" ขึ้น โดยการนำปัจจัยทางกายภาพเข้ามาเกี่ยวข้อง เช่น การยืดหดเชิงกลและการสัมผัสกับอากาศ เพื่อจำลองการหายใจจริง ซึ่งจะกระตุ้นให้มันพัฒนาโครงสร้างที่ซับซ้อนเหมือนปอดของผู้ใหญ่

พร้อมกันนั้น ทีมงานยังตั้งเป้าที่จะพัฒนากระบวนการผลิตให้สามารถสร้างออร์แกนอยด์คุณภาพสูงเหล่านี้ได้ในปริมาณมาก (Scale-up) เพื่อรองรับการนำไปใช้ในการคัดกรองและทดสอบยาชนิดใหม่ๆ ซึ่งจะช่วยเร่งกระบวนการพัฒนายาและลดการพึ่งพาสัตว์ทดลองได้อย่างมหาศาล

"นี่คือการเปิดหน้าต่างบานใหม่สู่การสื่อสารระหว่างเซลล์ในระยะแรกสุดของการพัฒนามนุษย์ ซึ่งเป็นสิ่งที่เราเคยรู้จำกัดมาก" Dr. Mingxia Gu ทิ้งท้าย "วันนี้นักวิทยาศาสตร์มีเครื่องมือที่ดีกว่าเดิมในการใช้เนื้อเยื่อมนุษย์จำลองเพื่อศึกษาโรค และนั่นคือหนทางสู่การพัฒนายาแห่งอนาคต"

ที่มา: universityofcalifornia.edu