به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، دانشمندان ژاپنی به طور ابتکاری از هیدروژل‌ها در ساختارهای مکعب مانند برای ایجاد ارگانوئیدهای سه بعدی پیچیده استفاده کرده اند که روش‌های چالش برانگیز قبلی را ساده می‌کند. این پیشرفت در ایجاد ارگانوئیدهای سه بعدی، پتانسیل ایجاد انقلابی در آزمایش دارو و رشد اندام مصنوعی را دارد و دری را به روی تحقیقات در دسترس و متنوع در مورد سیستم‌های مختلف اندام را باز می‌کند. در همین راستا تیمی از دانشمندان به سرپرستی ماسایا هاگیوارا از موسسه ملی علوم RIKEN در ژاپن، دستگاهی مبتکرانه با استفاده از لایه‌های هیدروژل در ساختاری مکعبی ابداع کرده‌اند که به محققان اجازه می‌دهد تا ارگانوئیدهای سه بعدی پیچیده را بدون استفاده از تکنیک‌های دقیق بسازند. این گروه همچنین اخیراً توانایی استفاده از این دستگاه را برای ساخت ارگانوئیدهایی که به طور صادقانه بیان ژنتیکی نامتقارن را که مشخص کننده رشد واقعی موجودات است، بازتولید کردند. این دستگاه این پتانسیل را دارد که روش آزمایش داروها را متحول کند و همچنین می‌تواند بینشی در مورد چگونگی رشد بافت‌ها و منجر به تکنیک‌های بهتر برای رشد اندام‌های مصنوعی ارائه دهد.

اهمیت برهمکنش‌های مختلف سلول-سلول و سلول-ماتریکس در تولید اندام

در طول رشد پیش از تولد، سلول‌های انسانی دچار تحولات ساختاری گسترده‌ای در بافت‌ها و اندام‌های مختلف با معماری‌های پیچیده و در عین حال خاص می‌شوند. برای مثال، یک جوانه لوله‌ای از سلول‌های اندودرمی می‌تواند رشد کند و از طریق برهمکنش‌های مختلف سلول-سلول و سلول-ماتریکس به یک ساختار ریه بسیار خاص منشعب شود. چنین پیشرفت فیزیولوژیکی محققان را برانگیخته است تا ساختار و عملکرد اندام‌های انسان را از طریق مدل‌سازی بافت سه‌بعدی (3D) بررسی کنند. در واقع، بسیاری از پیشرفت‌ها در دهه گذشته از تمایز موفقیت‌آمیز بافت‌های چند سلولی و اختصاصی اندام‌های مختلف به نام ارگانوئید به دست آمده است. با این حال، در داخل بدن، بخش‌های مختلف جنین، مولکول‌های زیستی و پروتئین‌های ماتریکس متفاوتی را از ماتریس‌های خارج سلولی اطراف (ECMs) تجربه می‌کنند. در واقع این این سازمان فضایی ECM ها است که جهت و حرکت سلول‎ها را در قسمت‌های مختلف بافت هدایت می‌کند تا با سرعت‌های مختلف رشد کنند و الگوهای مختلف را در مکان‌های ویژه ایجاد کنند.

مدل‌سازی و مطالعه شکل‌گیری بافت‌ها و اندام‌ها

سلول‌های بنیادی پرتوان (PSCs) و ارگانوئیدهای مشتق شده از آنها روشی عمل‌گرایانه برای مدل‌سازی و مطالعه شکل‌گیری بافت‌ها و اندام‌ها در طول مراحل تکوینی اولیه انسان ارائه می‌کنند، زیرا نمونه‌های واقعی مسائل اخلاقی چالش‌برانگیزی را مطرح می‌کنند. پروتکل‌های تولید ارگانوئیدهای مختلف که بافت‌های طبیعی را تقلید می‌کنند، عموماً متکی به دستکاری متوالی فعال‌سازی یا مهار مسیرهای سیگنالینگ مانند Nodal، Hedgehog، Notch، Wnt یا BMP در مقاطع زمانی مختلف برای القای تمایز به سمت دودمان‌های خاص هستند. با این وجود، کنترل رشد و تمایز سلول‌ها در امتداد یک محور بدن همچنان یک چالش درکشت‌های ارگانوئیدی سه بعدی است. بنابراین در شرایط آزمایشگاهی، الگوبرداری قدامی- خلفی و پشتی- شکمی در ارگانوئیدها می‌تواند با خودسازماندهی سلولی یا با ترکیب ارگانوئیدهای متمایز شده جداگانه بسیارمهم است.

چالش‌های تکوین ارگانوئید

دانشمندان مدت‌هاست که برای ایجاد ارگانوئیدها - بافت‌های اندام‌مانندی که در آزمایشگاه رشد می‌کنند - تلاش کرده‌اند تا تکوین بیولوژیکی واقعی را تکرار کنند. ایجاد ارگانوئیدهایی که عملکردی مشابه بافت‌های واقعی دارند، برای تولید داروها حیاتی است، زیرا درک چگونگی حرکت داروها در بافت‌های مختلف ضروری است. ارگانوئیدها همچنین به ما کمک می‌کنند تا اطلاعات جدیدی را در مورد فرآیندهای تکوینی و رشد کل اندام‌ها به دست آوریم تا بتوانیم به بیماران کمک کنیم. با این حال، ایجاد ارگانوئیدهای شبه اندام واقعی دشوار است. در طبیعت، بافت‌ها از طریق یک فرایند پیچیده که شامل شیب‌های شیمیایی و داربست‌های فیزیکی است که سلول‌ها را به الگوهای سه‌بعدی خاصی هدایت می‌کند، رشد می‌کنند. در مقابل، ارگانوئیدهای رشد یافته در آزمایشگاه معمولاً یا با اجازه دادن به سلول‌ها در شرایط همگن رشد می‌کنند – از طرفی ایجاد توپ‌های ساده از سلول‌های مشابه - یا با استفاده از چاپ سه بعدی یا فناوری‌های میکروسیال، هر دو به تجهیزات پیچیده و مهارت‌های فنی نیاز دارند.

پیشرفتی جدید در ایجاد ارگانوئید

اما اکنون، در مقاله اولیه منتشر شده در Advanced Materials Technologies، گروهی از RIKEN Cluster for Pioneering Research توسعه یک تکنیک جدید و ابتکاری را اعلام کردند که به آنها اجازه می‌دهد تا محیط اطراف گروه‌هایی از سلول‌ها را بر اساس مکعب‌ها به صورت فضایی کنترل کنند و از هیچ چیز دیگری استفاده نکنند. این روش شامل محدود کردن لایه‌هایی از هیدروژل‌ها - موادی که بیشتر از آب تشکیل شده‌اند - با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت در داخل یک ظرف کشت مکعبی شکل است. در این مطالعه، هیدروژل‌های مختلف با استفاده از پیپت وارد داربست شدند و بر اساس کشش سطحی در جای خود قرار گرفتند. سلول‌ها را می‌توان در داخل مکعب‌ها یا در داخل هیدروژل‌های منفرد یا به صورت گلوله‌هایی که می‌توانند به لایه‌های مختلف حرکت کنند، وارد کرد، بنابراین این روش جدید، ایجاد طیف وسیعی از انواع بافت‌ها را ممکن می‌سازد.

تشکیل الگوی محوری بدن و چشم اندازهای آینده

در مقاله دومی که در Communications Biology منتشر شد، این گروه همچنین توانایی بازآفرینی چیزی را که به عنوان الگوبرداری محور بدن شناخته می‌شود را نشان دادند. اساساً، وقتی مهره‌داران رشد می‌کنند، الگوی تمایز سلولی سر/ عقب و پشت و معده وجود دارد. اگرچه برای ایجاد ارگانوئیدهایی که صادقانه آنچه را که در موجودات واقعی اتفاق می‌افتد بازآفرینی می‌کنند، مهم است، اما دستیابی به این امر در آزمایشگاه بسیار دشوار بوده است. در این کار، با استفاده از سیستم مبتنی بر مکعب، این گروه توانست این الگو را بازسازی کند، با استفاده از یک کلاهک قالب برای کاشت دقیق گروهی از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPSCs) در یک مکعب، و سپس اجازه دادن به سلول‌ها برای قرار گرفتن در معرض شیب دو عامل رشد متفاوت آنها حتی تا آنجا پیش رفتند که یک دستیار آزمایشگاه و یک دانش آموز دبیرستانی را برای انجام موفقیت آمیز کار به کار گرفتند و نشان دادند که کاشت سلول‌ها به سطح بالایی از تخصص نیاز ندارد. این تیم همچنین نشان داد که بافت‌های به دست آمده را می‌توان برای تصویربرداری برش داد و همچنان اطلاعات مربوط به جهت گرادیان را حفظ کرد.

کنترل کشت سلولی با سیستم مکعب ارگانوئید

به گفته Hagiwara، «ما از این دستاوردها بسیار هیجان‌زده هستیم، زیرا سیستم جدید این امکان را برای محققان فراهم می‌کند که به سرعت و بدون موانع فنی دشوار، ارگانوئیدهایی را بازسازی کنند که شباهت بیشتری به روش تکوین و رشد اندام‌ها در موجودات واقعی دارند. ما امیدواریم که طیف وسیعی از محققان از روش ما برای ایجاد ارگانوئیدهای جدید مختلف استفاده کنند و در تحقیقات بر روی سیستم‌های اندام مختلف مشارکت کنند. در نهایت، ما امیدواریم که به درک اینکه چگونه می‌توانیم اندام‌های مصنوعی واقعی بسازیم که بتواند به بیماران کمک کند، دست یابیم.

پایان مطلب/.