به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، از گذشته تا کنون برای پیوند سنتی اعضای بدن تلاش‌های پیچیده‌ای در حال انجام است. ولی در این راه برای ارزیابی شباهت‌های ایمنی بیماران و اهداکنندگان زمان‌های انتظار طولانی است زیرا ممکن است سال‌ها طول بکشد تا مطابقت بین دو فرد پیدا شود. به گفته اداره منابع و خدمات بهداشتی، هر روز هفده آمریکایی در انتظار پیوند عضو، جان خود را از دست می‌دهند.

بررسی جایگزین‌هایی برای پیوند

دانشمندان در حال بررسی جایگزین‌هایی برای پیوند هستند، از جمله استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (hPSCs) به عنوان درمان‌های جایگزین hPSC‌ها سلول‌های پیش ساز هستند که توانایی تمایز به هر نوع سلولی از بدن با شرایط محیطی یا کشت مناسب را دارند. در شرایط آزمایشگاهی، سلول‌های بنیادی گرفته شده از بیماران می‌توانند بافت‌ها و اندام‌هایی تولید کنند که در مقایسه با مواد اهداکننده، خطر رد کمتری دارند. به این ترتیب، افزایش تولید آنها برای پاسخگویی به تقاضاها ضروری است. روش‌های فعلی برای افزایش تولید hPSC به ایجاد شرایط کشت پیچیده برای تقلید از محیط سلولی متکی است. بنابراین، محققان در حال بررسی روش‌های جایگزین برای کاهش سطح ورودی انسانی مورد نیاز برای تولید مقادیر فراوان سلول‌های بنیادی هستند.

Peter Zandstra، دانشمند و محقق در دانشگاه بریتیش کلمبیا گفت: «در دنیای ایده‌آل، ما می‌توانیم سلول‌های کاربردی را از سلول‌های بنیادی با استفاده از مدارهای ژنی مصنوعی برای افزایش بازده [سلول‌های بنیادی] یا انواع سلول‌ها تولید کنیم تا در نهایت در درمان‌های سلولی و ژنی مورد استفاده قرار گیرند.» برای تحقق این امر، Zandstra و همکارانش، از جمله نویسنده اول، Laura Prochazka، به طور استراتژیک یک مدار ژن مصنوعی برای تشخیص و کنترل وضعیت متمایز یک سلول طراحی کردند. این کار اخیراً در Molecular Systems Biology منتشر شده است. در مجموع هدف ما در این مطالعه ارزیابی این بود که آیا مدار عمومی ما می‌تواند با موفقیت بین حالات سلولی بر اساس سطوح بیان miRNA درون‌زا تمایز قائل شود و یا خیر.

کنترل سرنوشت سلولی در سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی

با هدف کنترل عملکرد سلول‌های انسانی، تلاش قابل توجهی به سمت مهندسی مدار ژن مصنوعی در سلول‌های انسانی انجام شده است. زیرا برنامه‌های قوی تنظیم کننده ژن، سلول‌های بنیادی را قادر می‌سازد تا با حس کردن و پاسخ به محرک‌ها به شیوه‌ای تعریف‌شده، تکثیر و تمایز پیدا کنند. مهمتر از همه، این مدارهای تنظیمی قادر به ادغام چندین سیگنال ورودی داخلی و خارجی برای دستیابی به درجه بالایی از ویژگی هستند، که منجر به فعال‌سازی مولکول‌های عامل به‌خصوص در ایجاد وضعیت سلولی می‌شود . در همین راستا تولید مولکول‌های موثر اغلب درجه بندی می‌شود، زیرا دوزهای تعریف شده می‌تواند منجر به ایجاد نسبت‌های مطلوب دودمان‌های سلولی پایین دست شود. بنابراین توانایی مهندسی چنین مدارهای تنظیم کننده ژنی در سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (hPSC) به صورت de novo تولید کارآمد انواع سلول‌ها یا بافت‌های مورد نظر را برای کاربردهای تحقیقاتی و پزشکی بازساختی ممکن می‌کند. در همی راستا نیز با هدف کنترل عملکرد سلول‌های انسانی، تلاش قابل توجهی به سمت مهندسی مدار ژن مصنوعی در سلول‌های انسانی انجام شده است..

مدار ژن مصنوعی

مدار ژن مصنوعی یک شبکه ژنی مهندسی شده است که از طریق مقررات رونویسی یا پس از رونویسی کنترل می‌شود تا خروجی مورد نظر را هماهنگ کند. برای کنترل انتقال حالت سلولی hPSC، تیم Zandstra از یک مکانیسم تنظیمی پس از رونویسی از طریق مدارهای منطقی مبتنی بر microRNA مهندسی شده (miRNA) استفاده کردند. مدارها بیان ژن را با به کارگیری توانایی miRNAها برای اتصال و تسهیل تخریب RNA حاوی عناصر پاسخ miRNA (MRE) تنظیم می‌کنند. در این مطالعه، مدارها برای تشخیص وضعیت یک سلول   hPSC در مقابل غیر hPSC یا تعدیل بیان ژن‌های مشخص شده توسط کاربر برای کنترل حالت تمایز طراحی شدند.  در دنیای ایده‌آل، ما می‌توانیم سلول‌های کاربردی را از سلول‌های بنیادی با استفاده از مدارهای ژن مصنوعی برای افزایش بازده [سلول‌های بنیادی] یا انواع سلول‌ها تولید کنیم تا در نهایت در درمان‌های سلولی و ژنی مورد استفاده قرار گیرند. Gábor Balázsi، زیست شناس در دانشگاه استونی بروک در نیویورک که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «کنترل سلول هدف مهمی بوده است. "این یک راه جالب برای جفت کردن این دو تلاش [تشخیص وضعیت سلولی و تمایز] است، که اساسا ورود و دخالت انسان را حذف می‌کند."

روش انجام مطالعه

به عنوان اثبات مفهوم، محققان مدارهای خود را در hPSCها بیان کردند و تأیید کردند که آیا آنها می‌توانند تمایز سلولی را کنترل کنند یا خیر. آنها از بیان BMP4 به عنوان خروجی استفاده کردند که برای تمایز hPSCها به انواع مختلف سلول مورد نیاز است. هنگامی که محققان بیان BMP4 را با استفاده از انواع مختلف MRE، به نام miRNA silencing-mediated-fine-tuners (misFITs) تعدیل کردند، یک پاسخ وابسته به دوز را در تمایز مشاهده کردند. به عنوان مثال، سلول‌های گونه‌ای که BMP4 را در سطوح پایین بیان می‌کنند، در حالت پرتوان تمایز نیافته باقی می‌مانند. در مقابل، سلول‌هایی که سطوح متوسط تا بالای BMP4 را بیان می‌کنند، الگوهای گاسترولاسیون، مشابه سلول‌هایی که در معرض BMP4 برون‌زا قرار دارند، را تشکیل می‌دهند. این نشان داد که مدارها می‌توانند انتقال حالت سلولی را به شیوه ای وابسته به دوز هماهنگ کنند.

دستاورد نهایی مطالعه درخصوص مهندسی منطقی مدارهای مصنوعی

سلول‌ها دائماً ورودی‌های سیگنال را در حالت سلولی و شرایط خاص پردازش می‌کنند. علیرغم دستاوردهای چشمگیر در زمینه زیست شناسی مصنوعی، مهندسی منطقی مدارهای مصنوعی که توانایی‌ها و پیچیدگی‌های سیستم‌های محاسباتی بیولوژیکی طبیعی را بهتر نشان می‌دهند، همچنان چالش برانگیز است. در اینجا ما مدارهای ژنی را نشان دادیم که قادر به اعمال کنترل دقیق وضعیت سلولی پروتئین‌های مورد نظر در hPSC هستند. به طور خاص، ما مدارهای ژنی را پیاده‌سازی کرده‌ایم که پروفایل miRNA مخصوص hPSC را شناسایی می‌کنند و می‌توانند حداکثر دو خروجی پروتئین تولید کنند که می‌توانند به صورت جداگانه در سطوح دلخواه تنظیم شوند. مدارهای ما دو ویژگی حیاتی را ادغام می‌کنند: اول اینکه، آنها اجازه می‌دهند عمل مدار را به حالت‌های سلولی مورد نظر محدود کنند، که برای کاربردهایی که در آن کنترل شرطی مولکول‌های زیستی مورد نیاز است، بسیار مهم است. و دوم، آنها می‌توانند بیومولکول مورد نظر را در دوزهای مشخص تولید کنند، که در بسیاری از سیستم‌هایی که در آن مولکول زیستی عملکرد خود را در محدوده‌های فیزیولوژیکی دقیق اعمال می‌کند، مهم است. این قابلیت‌ها می‌توانند برای کاربردهای مختلف مفید باشند، اما به‌خوبی با چالش‌های کنترل فرآیندهای تکوینی تناسب دارند.

با اثبات موفقیت آمیز این مفهوم، Zandstra در مورد آنچه در آینده خواهد آمد هیجان زده است. او گفت: «من فکر می‌کنم که ما واقعاً در ابتدای شروع معرفی مدارهای پیچیده‌تر به سلول‌های بنیادی پرتوان هستیم و این مقاله نشان می‌دهد که این امکان وجود دارد. در حرکت رو به جلو بعدی، محققان می‌خواهند این مدارهای پیچیده را مهندسی کنند تا سلول‌های تمایز یافته ناخواسته را از بین ببرند یا وضعیت سلولی را برای نظارت بر تولید hPSC برای کاربرد در پزشکی احیاکننده و پیوند ردیابی کنند.

پایان مطلب/.