ปอดจิ๋ว เพาะเลี้ยงสำเร็จครั้งแรก พร้อมระบบหลอดเลือดทำงานได้จริง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส หรือ UCLA ประสบความสำเร็จในการเพาะเลี้ยง "ปอดจิ๋ว" จากสเต็มเซลล์ ที่มีระบบหลอดเลือดของตัวเองซึ่งสามารถทำงานได้จริง หวังช่วยต่อยอดการรักษาและทดลองเกี่ยวกับโรคปอดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

งานวิจัยนี้ ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Cell ถือเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างอวัยวะแบบจำลองของปอด ที่มีระบบหลอดเลือดในตัวเองได้อย่างสมบูรณ์ สามารถเลียนแบบกระบวนการพัฒนาของปอดได้ใกล้เคียงที่สุด ความก้าวหน้านี้เปิดประตูสู่การสร้างแบบจำลองของอวัยวะอื่นที่มีหลอดเลือด เช่น ลำไส้เล็กและลำไส้ใหญ่ เพื่อใช้เป็นเครื่องมือใหม่ในการศึกษาความเจ็บป่วย ทดสอบยา และพัฒนาการรักษาเฉพาะบุคคลในอนาคต

ดร.หมิงเซี่ย กู้ หัวหน้านักวิจัยจากศูนย์วิจัยเวชศาสตร์ฟื้นฟูและสเต็มเซลล์ ของ UCLA กล่าวว่า ช่วงเริ่มต้นของการพัฒนามนุษย์ยังคงเป็นเหมือนกล่องดำในหลายแง่มุม วิธีการใหม่นี้ที่ทำให้ปอดจำลองมีหลอดเลือด จึงเป็นการช่วยเปิดกล่องดำนั้น ด้วยการจำลองกระบวนการสร้างอวัยวะตามธรรมชาติได้สมจริงมากขึ้น

ทีมวิจัยซึ่งร่วมมือกับผู้เชี่ยวชาญจากศูนย์การแพทย์เด็กซินซินเนติ  ได้นำโมเดลปอดจำลองนี้มาใช้ศึกษาความผิดปกติของปอดแต่กำเนิดชนิดหายากและอันตรายถึงชีวิตในทารกแรกเกิด

ค้นพบที่เกิดจากความบังเอิญ 

ดร.กู้ เริ่มต้นงานวิจัยนี้ในช่วงเริ่มระบาดของโควิด-19 ซึ่งเป็นช่วงที่งานวิจัยเกี่ยวกับปอดได้รับความสนใจอย่างมาก ซึ่งจากประสบการณ์ในสาขาความดันโลหิตสูงในปอดและระบบหลอดเลือด ทำให้เธอสังเกตเห็นช่องว่างสำคัญในแบบจำลองปอดจำลองทั่วไป 

นั่นคือ ไม่มีเครือข่ายหลอดเลือด ซึ่งเป็นหัวใจหลักของการทำงานของปอด

ทีมวิจัย เริ่มต้นด้วยวิธีดั้งเดิม คือ เพาะส่วนประกอบของอวัยวะแยกกัน แล้วใช้สารเรืองแสงติดตามแต่ละชนิดของเซลล์ ก่อนจะรวมเข้าด้วยกันภายหลัง โดยเซลล์สีแดงตั้งใจให้กลายเป็นหลอดเลือด ส่วนเซลล์สีเขียวตั้งใจให้กลายเป็นเนื้อเยื่อปอด 

แต่ผลไม่เป็นตามที่คาก ปรากฎว่า ส่วนประกอบทั้งสองล้วนกลายเป็นสีแดง ซึ่งหมายความคว่า เซลล์ทั้งสองชนิดพัฒนาไปพร้อมกันจากจุดเริ่มต้นเดียวกัน 

นี่เป็น การค้นพบโดยบังเอิญ นักวิจัยเริ่มเห็นว่าแนวทางการเพาะเลี้ยงแบบแยกส่วนอาจไม่ใช่การจำลองกระบวนการสร้างปอดจริงๆ ของมนุษย์ แต่แนวทางใหม่สามารถพัฒนาทุกส่วน ซึ่งใกล้เคียงกับการเจริญของปอดจริงๆ 

เมื่อให้เซลล์ของเนื้อเยื่อปอดและหลอดเลือดเติบโตไปพร้อมกันตั้งแต่ต้น ปอดจำลองที่ได้มีความหลากหลายของชนิดเซลล์มากขึ้น โครงสร้างสามมิติสมบูรณ์กว่า เซลล์อยู่รอดได้ดีกว่า และมีความพัฒนาสมบูรณ์มากกว่าแบบจำลองปอดในห้องแล็บแบบเดิม

แบบจำลองโครงสร้างหลอดเลือดในปอดของหนูทดลอง / Credit: Hill Chang and Yifei Miao

ความหวังศึกษาโรคที่ยากต่อการวิจัยมานาน

ทีมวิจัยได้นำปอดจำลองรุ่นใหม่นี้มาศึกษาโรคปอดแต่กำเนิดชนิดหนึ่งที่ชื่อว่า alveolar capillary dysplasia with misalignment of pulmonary veins (ACDMPV) ซึ่งเป็นโรคร้ายแรงในทารกแรกเกิดที่เกิดจากการกลายพันธุ์ของยีน FOXF1 และยังไม่มีวิธีรักษา

ที่ผ่านมา การศึกษาการกลายพันธุ์ของยีนนี้ไม่ประสบผลสำเร็จ เพราะมันส่งผลโดยตรงต่อหลอดเลือดและเซลล์ค้ำจุน ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ไม่ปรากฏในแบบจำลองปอดทั่วไป

ด้วยวิธีใหม่ นักวิทยาศาสตร์สามารถนำสเต็มเซลล์จากผู้ป่วยที่มียีน FOXF1 กลายพันธุ์ มาสร้างปอดจำลองที่มีหลอดเลือดในตัวเอง ซึ่งสามารถจำลองได้ทั้งความผิดปกติของหลอดเลือดและความผิดปกติของเนื้อเยื่อปอดที่ตามมา

"ปอดเพาะเลี้ยงใหม่นี้เป็นเครื่องมือทรงพลังสำหรับนักวิจัยในการทำความเข้าใจว่า หลอดเลือดพัฒนาและปรับตัวเฉพาะกับแต่ละอวัยวะได้อย่างไร และเซลล์แต่ละชนิดสื่อสารกันอย่างไร ทั้งในช่วงการพัฒนาปกติและเมื่อเกิดโรค” ดร.กู้กล่าว 

ก้าวต่อไปของการศึกษาโรคปอด

แม้ปอดจำลองรุ่นใหม่นี้จะมีระบบหลอดเลือดแล้ว แต่ในปัจจุบันมันยังอยู่ในระยะที่คล้ายกับปอดของทารกในครรภ์ เพื่อให้มีความสมจริงมากขึ้น ทีมวิจัยมีแผนจะเพิ่มแรงยืดและการสัมผัสกับอากาศ เพื่อเลียนแบบแรงกลของการหายใจ ซึ่งจะช่วยให้โครงสร้างของปอดจำลองใกล้เคียงกับปอดของมนุษย์ที่โตเต็มที่มากขึ้น

นักวิจัยยังตั้งเป้าที่จะขยายการผลิต เพื่อสร้างปอดจำลองรุ่นนี้ในปริมาณมากสำหรับใช้ในการพัฒนาและทดสอบยาในอนาคต