دکتر علی خادمحسینی؛ استاد مهندسی شیمی، مهندسی زیستی و رادیولوژی در دانشگاه کالیفرنیا، آمریکا و دارنده نشان عالی علم و فناوری جهان اسلام
برای یک پژوهشگر رشته مهندسی زیستی، بهشتی خوشایندتر از آزمایشگاهی روی «پل» میان یک دانشکده پزشکی و یک دانشکده مهندسی در یکی از پیشروترین دانشگاههای جهان نمیتوان متصور شد. درست اینجا، روی این پل استراتژیک، آزمایشگاه خادمحسینی در دانشگاه UCLA قرار دارد. علی خادمحسینی، استاد کرسی لوی نایت در رشتههای مهندسی زیستی، مهندسی شیمی و رادیولوژی در دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس، میگوید «پژوهشهای ما واقعا میان این دو پل میزنند و این یکی از چیزهایی است که مرا بسیار هیجانزده میکند.»
علی خادمحسینی 8 آبان 1354 در تهران به دنیا آمد. میگوید «به یاد دارم که من و برادرم در خانوادهای صمیمی بزرگ شدیم. پدر و مادر همیشه تشویقمان میکردند که نهایت تلاشمان را انجام دهیم و پیشرفت کنیم. به گمانم هم پدر و هم مادرم به من کمک کردهاند که در زندگی به ارزشهای مهمی پایبند باشم.»
سپس با آغاز جنگ میان ایران و عراق در سال 1359 در زمانی که او تنها پنج سال داشت، همه چیز تغییر کرد. میگوید «به روشنی به یاد میآورم که یک بار نشسته بودیم که ناگهان از چند خانه آنطرفتر ابری به شکل قارچ بالا رفت، خانهای که یکی از موشکها به آن خورده بود. بدیهی است تجربههایی هستند که هرگز نمیتوان فراموششان کرد اما در عین حال، سبب میشود قدر فرصتهایی که اکنون دارید را بدانید.»
وقتی علی 12 ساله بود، سرگرمیاش در خانه بازیهای ویدئویی و مطالعه بود و از ورزشهای بیرون از خانه نیز لذت میبرد. درسهای مورد علاقهاش در مدسه ریاضی و علوم بود. در دورههای گوناگون شغلهای مختلفی را برای آیندهاش انتخاب میکرد، از ورزشکار حرفهای و شطرنجباز گرفته تا معلم دبیرستان. اما بعدها که به دانشگاه رفت و به اشتیاقش به پژوهش پی برد، دلش خواست که دانشمند شود.
او میگوید «همیشه علاقه داشتم بدانم جهان چگونه کار میکند و چه قانونهای بنیادی بر آن حاکماند. فیلمهای مستند درباره طبیعت، علم و فناوری زیاد تماشا میکردم. اما با وجود همه اینها به گمانم تا پیش از سال سوم دانشگاه که نخستین بار پژوهش را تجربه کردم علاقه واقعیام برانگیخته نشد.»
در تابستان سومین سالی که در دانشگاه تورنتو مهندسی شیمی میخواند، این فرصت برایش فراهم شد که تحت نظر دکتر مایکل سفتون در پژوهشی در حوزه زیستماده برای دانشجویان دوره کارشناسی مشارکت داشته باشد. برایش بسیار جذاب بود که ببیند دانش مهندسی که در دانشگاه سرگرم تحصیلش بود به کار حل مشکلات مهم پزشکی میآید.
پس از گرفتن مدرک کارشناسی ارشد از دانشگاه تورنتو (1380)، به عنوان دانشجوی دوره دکتری در دانشگاه امآیتی پذیرفته شد. در آنجا با دکتر رابرت لنگر، یکی از دوازده استاد ممتاز امآیتی و چهرهای با شهرت جهانی در زمینه مهندسی زیستپزشکی، آشنا شد و از او الهام گرفت. میگوید «پروفسور رابرت لنگر نشانم داد که در آنچه یک فرد میتواند به دست آورد هیچ حد و مرزی وجود ندارد. او در پیشرفت حرفهای من نقش واقعا مهمی داشت. شاهد فروتنی و مهربانی آن شخص با مردمی که با آنها سروکار دارد هستید. و این ذهنیت شما را تغییر میدهد. هنوز به من انگیزه میدهد و مرا به جلو میراند.» خادمحسینی مدرک دکتریاش در مهندسی زیستی را در سال 2005 از امآیتی گرفت و دکتر لنگر استاد راهنمایش بود.
استاد دیگری که تاثیر زیادی بر خادمحسینی گذاشت نیکلاس پپاس از دانشگاه تگزاس در آستین است که کمکش کرد تا مهارتهایش را در زمینه «تفکر انتقادی و مدیریت زندگی دانشگاهی» بهبود دهد.
خادمحسینی مدتی استاد دانشکده پزشکی هاروارد و مدیر «پژوهشگاه نوآوری زیستمواد» بود که طرحی پیشگام در ساخت مواد مهندسیشده برای کاربردهای زیستپزشکی است. پس از آن به «برنامه علوم سلامت و فناوری» پیوست که یکی از بزرگترین همکاریهای دانشگاهی میان هاروارد و امآیتی در نیم قرن گذشته است. از آبان 1396 به دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس پیوست و مدیر بنیانگذار «مرکز درمانهای کمتهاجمی» در این دانشگاه است.
خادمحسینی تلاش میکند با ادغام مهندسی و پزشکی انواع گوناگونی از راهکارهای تشخیصی و درمانی را ابداع کند. برای مثال، گروه او با بهرهگیری از پیشرفتهایی که در زمینه زیستشناسی سلولهای بنیادی، چاپ سهبعدی و علم مواد صورت گرفته، راههایی برای مهندسی بافتهای مصنوعی ابداع میکند. او میگوید «پژوهشهای ما میتوانند با ساخت درمانهای ماندگاری که میتوانند در بسیاری از انواع مختلف بیماریها، از سرطان گرفته تا زخمها و نارسایی اندامها در نتیجه پیری، به بیماران کمک کنند، تاثیر چشمگری در پزشکی داشته باشند. کار ما از توانایی تغییر شیوه درمان برخوردار است.»
خادمحسینی نویسنده بیش از 600 مقاله علمی و فصل در کتابها است که تاکنون بیش از 55 هزار بار (که 75 درصد آنها در پنج سال گذشته بوده) به آنها ارجاع داده شده و شاخص اچ او در علمسنجی را به 123 رساندهاند. او در چند سال گذشته همواره از سوی موسسه تامسون رویترز به عنوان یکی از «تاثیرگذارترین اندیشمندان جهان» انتخاب شده و نامش در فهرست «پرارجاعترین پژوهشگران» موسسه وب آو ساینس آمده است. این فهرست اختصاص به پژوهشگرانی دارد که آثارشان در رتبه یک درصد نخست پرارجاعترین آثار هر رشته در سال جای میگیرد. او ضمنا عضو هیات دبیران ژورنالهای بسیاری با ضریب اثرگذاری بالا مانند ایسیاس نانو، اسمال، بایوفابریکشن، لب آنِ چیپ، و بایوماکرومولکولز است.
خادمحسینی برنده بیش از 40 جایزه ملی و بینالمللی مهم، ازجمله جایزه سال 2011 ریاستجمهوری آمریکا برای دانشمندان و مهندسان تازهکار، است و در بسیاری از انجمنهای علمی، چه در آمریکا و چه در کشورهای دیگر، ازجمله «انجمن پیشبرد علوم آمریکا» و «انجمن سلطنتی شیمی»، عضویت دارد.
خادمحسینی مرد خانواده است. میگوید «وقتی خانه هستم دوست دارم با پسرم بازی کنم و چیزهایی یادش بدهم. عاشق اینم که با پسرم وقت بگذرانم! گذشته از این، دوست دارم با دوستانم هم وقت بگذرانم. همسرم نیز همیشه حامی من بود و سعی میکنیم در روزهای آفتابی لسآنجلس با هم بیرون برویم و در جادههای کالیفرنیا رانندگی کنیم.»
دوست دارد به عنوان یک استاد راهنمای خوب نیز شناخته و به یاد آورده شود. میگوید «به تمام کسانی که با من در تماس هستند اهمیت میدهم و تمام تلاشم را انجام میدهم تا مطمئن شوم که زندگی خوبی داشته باشند.» بسیاری از دانشجویان سابقش و پژوهشگران پسادکتری که در آزمایشگاه او بودهاند اکنون به عنوان پژوهشگرانی موفق در معتبرترین دانشگاههای جهان کار میکنند. به همین دلیل است که از امآیتی عنوان استاد راهنمای برجسته دانشجویان کارشناسی را دریافت کرده است.
بسیاری از دانشجویانی که علاقهمند هستند با خادمحسینی کار کنند، بهویژه از ایران و کشورهای دیگر خاورمیانه، تلاش میکنند به آزمایشگاه او راه پیدا کنند. میگوید «همیشه خودم را جای یکی از کسانی میگذارم که برای پیوستن به آزمایشگاه من درخواست میدهند. مهمترین توصیهام به همه دانشجویان این است که نخست چیزهای مختلف را امتحان و علاقه خود را پیدا کنند.» به عقیده خادمحسینی یک پژوهشگر باید باور داشته باشد که دارد مساله مهمی را حل میکند. به نظر او «کاری که انجام میدهیم فقط برای سرگرمی نیست، مثل حل جدولی که در نهایت برای کسی اهمیتی ندارد. اگر کارتان را درست انجام بدهید، میتوانید اثرگذار باشید، میتوانید جهان را تغییر دهید.»
چاپ حیات یدکی
زیستسازی شاید متعلق به آینده نسبتا دور باشد، اما با این حال آینده پزشکی به نظر میرسد
زیستسازی شبیه واژهای است که تمام رویاهای خوب یک بیمار نیازمند پیوند و یک مهندس زیستی را یکجا در خود مجسم میکند. اگر کلیههایتان از کار افتاده باشند، دوست دارید یک جفت کلیه نو برایتان چاپ شود؟ اگر هیچ ریهای با سازگاری بافتی برای بیمار در آستانه مرگ شما در دست نباشد، دوست دارید با استفاده از سلولهای خودش یک جفت ریه نو برایش چاپ کنید؟ آیا این به نظرتان شبیه نمونهای افراطی از تبدیل علم به جادو است؟
بافتها و اندامهای موجودات زنده نتیجه فرایندهای تکوینی با برنامهریزی ژنتیکی هستند که طی مدتی دراز تکامل یافتهاند. اکنون به نظر میرسد که زیستسازی به جایگزینی مصنوعی برای ساخت بافتها و حتا اندامهای کامل تبدیل شده است: حیات نسخه دوم. و نیاز به حیات نسخه دوم زمانی از همه مبرمتر است که حیات نسخه نخست از کار افتاده باشد؛ نوعی زندگی پس از زندگی.
***
جمعیت جهان در دهههای آینده پیرتر خواهد شد و برآورد میشود که تعداد افراد بالای 65 سال تا 2050 دو برابر شود و یک ششم از کل جمعیت جهان را تشکیل دهد. شیوههای کنونی درمان، ازجمله مفصل مصنوعی و پیوند عضو، با مشکلات بسیاری همچون عفونت، تومورهای بدخیم، ضرورت سرکوب دستگاه ایمنی و کمبود اندام برای پیوند روبهرو هستند. سازههای سهبُعدی و سایر درمانهای بازساختی یا ترمیمی گزینه مطمئنی برای مقابله با فرسودگی طبیعی اندامهای این جمعیت پیر از طریق جراحیهای کمتهاجمی فراهم میکنند.
چاپ کُن یا بمیر
اصل پایه چاپ زیستی ساخت افزایشی یا معجونی از سلولها، الیاف و ژل است که لایه به لایه روی هم چاپ میشود. به این ترتیب فناوری چاپ سهبعدی به عنوان ابزاری نیرومند برای قرار دادن دقیق سلولها در یک ماتریس نقشی محوری در زیستسازی دارد.
بسیاری از بافتها از چندین نوع سلول تشکیل میشوند. بنابراین بهترین حالت این است که به جای استفاده از سلولهای بنیادی و ماندن در انتظار تمایزیابی آنها تمام انواع این سلولها با هم چاپ شوند. پژوهشگران امیدوارند که این بافتهای چاپشده در ادامه خود را از نو سازماندهی کنند و شکل ساختاری کاملا بالغ و بههمپیوسته را به خود بگیرند.
در حال حاضر فهرست سازهها، یا چیزهایی که میتوان با این جوهر زیستی چاپ کرد، طولانی است و طیفی از بافتها نظیر پوست، زردپی، غضروف، استخوان، رگ خونی، عصب، سلولهای جزیرهای لوزالمعده، نای، و همچنین اندامهای کاملی مانند کلیه، مثانه، کبد، ریه، قلب و غیره را در بر میگیرد.
این بافتها و اندامها را میتوان هم در درمان و هم در پژوهش به کار برد: آنها میتوان به عنوان جانشینی در افراد نیازمند پیوند به کار گرفت و با بافت یا اندام آسیبدیده تعویض کرد. و از سوی دیگر میتوان از آنها به عنوان مدلی واقعگرا برای آزمودن داروهای جدید و کشف سازوکارهای زیستشناسی سلول استفاده کرد و کاربرد جانوران در پژوهش را کاهش داد.
استخوانهای بحثانگیز
جوهر زیستی مورد استفاده در چاپ سهبعدی در واقع یک زیستماده آکنده از سلول است که به خورد دستگاه چاپگر داده میشود. برای مثال، جوهری که برای چاپ زیستی استخوان به کار میرود آبژل حاوی سلول، سرامیکهای زیستفعال و عوامل رشد است که باید در دمای عادی بدن پایدار باشند. آبژلها در واقع شبکههایی از پلیمرهای آبدوست مانند کلاژن یا پلیساکاریدها هستند که وقتی آب دریافت کنند به شکل ژل درمیآیند (بیش از 90 درصدشان آب است). در اصل آبژل مانند یک بافت طبیعی است که از تمام سلولهایش خالی شده باشد. پژوهشگران برای آنکه به آبژلها شکل سهبعدی استواری بدهند به تقلید از داربست یک بافت طبیعی از نانوالیاف برای پیوندهای تقاطعی استفاده میکنند. و به عنوان واسطهای عمل میکنند که میتوان با افزودن مولکولهای پیامرسان زیستی به آنها سلولها را مدیریت کرد.
رایجترین آبژل در چاپ زیستی آلژینات، یا نمکهای اسید آلژینیک است، پلیساکاریدی که از جلبک قهوهای به دست میآید. آلژینات در تماس با آب به صمغی چسبناک و پرروزن تبدیل میشود و به دلیل ارزانی و طبیعت زیستسازگارش بیش از همه مواد زیستی به کار میرود. یک ماده زیستی دیگر که درباره کاربردش به عنوان جوهر زیستی دارد تحقیق میشود فیبروین ابریشم است که هم از کرم ابریشم و هم از تار عنکبوت به دست میآید.
آنچه هماکنون با تکنولوژی سهبعدی چاپ میشود داربستهایی است که در مرحله بعد میتوان آنها را با سلولهای بافت مورد نظر بذرافشانی کرد. اما اکنون پرینت زیستی سهبعدی یک گام دیگر به جلو برداشته و از جوهر زیستی حاوی سلولها و مواد زیستفعال استفاده میکند و مزیتهای بسیاری نسبت به چاپ دومرحلهای «سنتی» دارد.
استخوانها ازجمله پرتقاضاترین بافتها در جراحیهای پیوند هستند. استخوان در نتیجه عوامل بسیاری همچون ناهنجاریهای مادرزادی، ضربه، بیماری یا جراحی ممکن است آسیب ببیند. پیوند استخوان برای ترمیم ساختار و کارکرد معمولا از بدن همان شخص تامین میشود یا از سوی شخص دیگری اهدا میشود، و از آنجا که این پیوند حتما باید سالم باشد، باید آن را منبعی محدود به شمار آورد. و زیستمواد مصنوعی نیز این خلاء را به درستی پر نمیکنند. هرچه باشد، استخوان بافت زنده پیچیدهای با رگهای خونی است و استفاده از این فناوری در درمان میتواند با مشکلاتی همچون واکنش ایمنی یا نداشتن ویژگیهای مکانیکی مناسب یا توان جوش خوردن با محل پیوند در بدن گیرنده همراه شود.
در آینده نسبتا نزدیک
با در نظر گرفتن تمام این چالشهای هولناک، تعجبی ندارد که چاپ سهبعدی به یکی از مرزهای حوزه پژوهشی پزشکی بازساختی تبدیل شد که با سرعت رو به پیشرفت است. ساخت سازههای سفارشی پیچیده برای درمان بازساختی شخصی در این اواخر توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است.
بیشتر آنچه در بالا گفته شد و خیلی بیش از این در قلمرو پژوهشی علی خادمحسینی، استاد مهندسی زیستی و مدیر «مرکز درمانهای کمتهاجمی» دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس قرار میگیرد. او که یکی از پیشروترین متخصصان مهندسی بافت در سطح جهانی است، تصدیق میکند که در حال حاضر هدف اصلی چاپ زیستی کاربرد آزمایشگاهی آن برای کاهش تعداد داروهای بیاثر است. به این روش آزمودن داروهای مختلف روی بافت بیهمتای هر بیمار به لحاظ ژنتیکی در خارج از بدنش پیش از تجویز آن دارو برای او امکانپذیر میشود.
خادمحسینی، برگزیده جایزه مصطفی(ص) 2019 برای «آبژلهای نانو و میکروساخت برای کاربردهای زیستپزشکی»، میپذیرد که بیشتر آنچه در رویاپردازیهای رشته چاپ زیستی دیده میشود، بهویژه به شکل پیوند از طریق قرار دادن سلولها در سازهای چاپشده و تبدیل آن به یک بافت زنده کارکردی، «هنوز متعلق به آینده نسبتا دور است.» در آینده، حتما میتوانیم با استفاده از دادههای ژنومی هر شخص برای او بافتها و اندامهای سفارشی بسازیم.
این نوع آزمایشها هماکنون در جریان است و نتایج آنها برای بهبود قابلیت پیشبینی وارد الگوریتمهای یادگیری ماشینی میشود. اگرچه چالشها بیکران و بیشمارند، اما آنطور که خادمحسینی در گفتوگویی با رسانه دانشکده مهندسی ساموئلی در دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس میگوید، «مطمئم که با گذشت زمان خواهیم توانست همه آنها را حل کنیم.» هماکنون انبوهی از پژوهشگران خاورمیانهای دارند در معتبرترین دانشگاههای جهان، ازجمله دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس و دانشکده پزشکی هاروارد، روی موضوعات مشابه کار میکنند.
تمام این بحثهای مربوط به چاپ زیستی بسیاری از افراد را به یاد سریال تلویزیونی «دنیای غرب» میاندازد که بر اساس اثری از مایکل کرایتون که در سال 1973 نوشته شده ساخته شده است. تیتراژ ابتدایی سریال دو چاپگر سهبعدی را نشان میدهد که همزمان کار میکنند و از دهانههایشان آخرین مراحل دستگاههای اسکلتی-ماهیچهای، گردش خون و سرانجام پوست میزبانهای روباتی یک شهر بازی همراه با اسبها و تفنگهایشان بیرون میآید. اما در سرتاسر جهان آزمایشگاههای بسیاری هستند که با تمام توان سرگرم پژوهش و ساخت تکتک ابعاد این ایده هستند. بسیاری از این تخیلات به زودی تبدیل به علم واقعی خواهند شد.
منبع: دبیرخانه جایزه مصطفی (ص)