به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، ارگانوئیدهای مغزی مشتق شده از سلول‌های بنیادی پرتوان (PSC) امکان مطالعه رشد مغز انسان را در شرایط آزمایشگاهی فراهم می‌کند. به طور معمول، سرنوشت PSCها از طریق سوئیچ‌های القا شده به مراحل بعدی مشخص می‌شود. در داخل بدن نیز، گرادیان‌های مورفوژن برای رشد مناسب مغز و تعیین مشخصات سلولی حیاتی هستند و نقص‌های مرتبط با این گرادیان، منجر به اختلالات رشد عصبی می‌شود. در مطالعه‌ای که اخیراً در Nature Communications منتشر شده است، محققان تأثیر گرادیان مورفوژن زمانی را در طول القای عصبی (NI) بر تشکیل ارگانوئیدهای مغزی بررسی کردند.

رشد مغز چگونه مورد مطالعه قرار می‌گیرد؟

رشد مغز انسان در مقایسه با سایر پستانداران منحصر به فرد است و به دلیل عدم وجود سیستم‌های مدل مناسب، مطالعه آن دشوار است. با این وجود، مدل‌های آزمایشگاهی مغز انسان، از جمله کروی‌ها یا ارگانوئیدها، به عنوان ابزار قدرتمندی برای مطالعه رشد مغز ظاهر شده‌اند. در همین راستا تاکنون ارگانوئیدهای مغز مشتق شده از سلول های بنیادی پرتوان  برای آشکار کردن جنبه‌های اساسی رشد مغز حیاتی بوده‌اند. PSC ها را می‌توان با استفاده از پروتوکلی از مولکول‌های کوچک و فاکتورهای رشد در طول فرآیند تمایز به سرنوشت عصبی القا کرد و نواحی مختلف مغز را منعکس کرد، در نتیجه تلاش برای تقلید از فعالیت‌های مسیر سیگنالینگ در طول تکوین ارگانوئیدهای مغزی برای آشکار کردن جنبه‌های مهم رشد مغز انسان حیاتی هستند. با این وجود، برخی از ویژگی‌های بیولوژیکی فقط به طور محدود در ارگانوئیدهای مغزی خلاصه می‌شوند، مانند گسترش عظیم پیش‌سازهای عصبی که نمونه‌ای از مغز انسان در حال رشد و سازماندهی کلی آن است. در واقع، در درون هر ارگانوئید مغز، یک ویژگی مورفولوژیکی متمایز، رشد کنترل نشده و خود به خودی چند روزت است که نمایانگر ساختارهای عصبی اپیتلیوم فردی است. به همین سبب هر ارگانوئید واحدهای نوروپیتلیوم مستقلی را نشان می‌دهد که منجر به ناهمگنی بین و درون ارگانوئیدی می‌شود. علاوه بر این، رشد ارگانوئید در آزمایشگاه به موازات اندام زایی مغز در داخل بدن نیست، جایی که تکوین آن به طور بحرانی از یک لوله عصبی منشا می‌گیرد. در واقع، تلاش‌های اخیر با هدف کاهش شکل‌گیری چند روزت از طریق تولید ارگانوئیدهای تک روزت، با استفاده از جداسازی دستی ساختارهای تک روزت یا استفاده از روش‌های الگوبرداری ریز انجام شده است. علاوه بر این، استفاده از مواد زیستی یا ریزدستگاه‌ها نیز برای هدایت تشکیل ساختارهای نوروپیتلیوم بزرگ شده یا تا شده در شرایط آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گرفته است. به همین ترتیب، رویکردهای ژنتیکی از طریق حذف PTEN می‌توانند از طریق افزایش گسترش پیش‌سازهای عصبی، چین‌خوردگی سطحی ارگانوئیدهای مغزی را القا کنند.

ایجاد نوروپیتلیوم گسترش  با محیط القایی عصبی(NI)

پس از جداسازی سلول‌های بنیادی جنینی انسان و تجمع مجدد آنها به شکل اجسام جنینی در محیط سلول‌های بنیادی، مهار دوگانه SMAD برای NI قشر مغز به کار گرفته شد و به طور ناگهانی یا تدریجی به محیط NI تبدیل شد. در پروتکل تدریجی و گام به گام، سلول‌ها در معرض شیب طولانی و کاهشی محیط سلول‌های بنیادی قرار گرفتند و همزمان، محیط NI به تدریج افزایش یافت. به همین سبب، ارگانوئیدهای قشری کروی شکل (COs) با روزت‌های متعدد تحت NI ناگهانی تشکیل شده‌اند. در مقابل، یک شکل پیچیده در زیر NI گام به گام مشهود بود که با گذشت زمان مشخص‌تر شد. یک مرز روشن‌تر متمایز با چین‌ها و برجستگی‌ها در راس در روز 14 قابل مشاهده بود که در روز 24 طولانی‌تر و برجسته‌تر شد، بنابراین این ساختارهای نوروپیتلیوم گسترش یافته با NI گام به گام را نشان می‌دهد. دایره به طور قابل توجهی تحت NI تدریجی کاهش یافت و مناطق ارگانوئیدی به طور قابل توجهی در روزهای 20 و 25 افزایش یافت. ارگانوئیدهای تولید شده با استفاده از یک پروتکل تجاری نیز مورفولوژی کروی را نشان دادند. سازمان سلولی درون این ارگانوئیدهای تولید شده با رنگ آمیزی ایمنی با N-cadherin (NCAD) آنالیز شد. CO ها حاوی سلول‌های NCAD+ به عنوان مجموعه ای از روزت‌های عصبی با اشکال و اندازه‌های مختلف در روزهای 16 و 24 بودند. در مقابل، ارگانوئیدهای تولید شده تحت NI تدریجی یک نوروپیتلیوم NCAD+ پیوسته، کشیده، سازمان‌یافته و چین‌خورده را تشکیل می‌دهند که شبیه ساختاری شبیه منطقه بطنی (VZ) است. ارگانوئیدهای تشکیل شده با گرادیان NI، ارگانوئیدهای نوروپیتلیوم منبسط شده (ENOs) نامیده شدند.

بررسی اثر فاکتور‌های رشد TGF-β ، 2 FGF2 و BMP

فاکتور رشد تبدیل کننده (TGF)-β و فاکتور رشد فیبروبلاست 2 (FGF2) مورفوژن‌های اصلی در محیط سلول‌های بنیادی بودند. در مقایسه، محیط NI حاوی مهارکننده‌های TGF-β (SB-431542) و پروتئین مورفوژنتیک استخوان (BMP) (دوسومورفین) بود. سپس محققان ارزیابی کردند که آیا گرادیان کنترل شده TGF-β کاهش سطوح TGF-β و افزایش سطوح SB-431542 مسئول فنوتیپ ENO است یا خیر. برای این منظور، ارگانوئیدها تحت سطوح مختلف مدولاسیون سیگنالینگ TGF-β در طول NI تولید شدند. ارگانوئیدهای تولید شده با کاهش تدریجی سطوح TGF-β بدون مقابله با آن با SB-431542 از نظر فنوتیپی با ENOs یکسان بودند. هنگامی که TGF-β در محیط به طور ناگهانی حذف شد و با SB-431542 جایگزین شد، ارگانوئیدها از نظر مورفولوژیکی بیشتر شبیه COs بودند. آزمایش‌های اضافی نشان می‌دهد که ENOs تمایز عصبی را پس از یک مرحله طولانی مدت گسترش سلول‌های بنیادی تجربه می‌کنند. اگرچه هر دو CO و ENO برای نشانگرهای اجداد قشر مغز، هوموباکس 2 (EMX2) و (PAX6) مثبت بودند، ENOها نسبت بالاتری از سلول‌های PAX6+ را در VZ در مقاطع زمانی مختلف نشان دادند. علاوه بر این، بیان PAX2 همگن بود و در نواحی ژرمینال اپیتلیوم عصبی گسترش یافته در ENOs وجود داشت. در مقایسه، سلول‌های +PAX2 در ساختارهای روزت در COs پراکنده شدند.

بروز مشخصات قشر مغزی در  ساختار روزتی ارگانوئید

این داده‌ها مشخصات قشر مغزی ENOs را افزایش داده است. اپیتلیوم عصبی در ENOs به طور قابل توجهی ضخیم تر از روزت COs بود. محیط آپیکال ساختارهای روزت بین روزهای 16 و 24 کاهش یافت، در حالی که ENO ها این کاهش را نشان ندادند. سلول‌های در امتداد سمت آپیکال ساختارهای VZ مانند در ENOها سطح آپیکالی قابل توجهی نسبت به سلول‌های ساختارهای روزت داشتند. همینطور مشاهده شد که بزرگ‌شده سطح آپیکال سلولی با انتقال تاخیری به طور قابل‌توجهی به گلیای شعاعی نوروژنیک، مشخصه رشد مغز انسان،مرتبط است. از سویی دیگر مشاهده شد که سلول‌های پیش‌ساز آپیکال در ENOها فرآیندهای آپیکال-پایه‌ای طولانی‌تر و هسته‌های فشرده با شکل کشیده در VZ نسبت به هسته‌های COs نشان دادند.

نتیجه گیری

یافته‌های مطالعه نشان می‌دهد که یک NI مبتنی بر گرادیان مورفوژن زمانی می‌تواند بر رشد ارگانوئید تأثیر بگذارد. به طور خاص، گرادیان زمانی در طول NI، تشکیل ارگانوئیدهای متشکل از یک نوروپیتلیوم منبسط شده از آپیکال را تعیین می‌کند، نه ظاهر کنترل‌نشده روزت‌ها را. از طرفی  افزایش ضخامت VZ، هسته‌های کشیده و سطح سلول آپیکال بزرگتر در ENOها مشاهده شد که همگی از ویژگی‌های مغز انسان در حال تکوین هستند. به طور کلی، ENOs یک پلت فرم برای مطالعه رشد مغز قشر اولیه انسان و رابطه پیچیده بین حالت‌های سلولی و معماری بافت در مغز انسان در حال تکوین است.

پایان مطلب/.