به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، شبکه عصبی عضلانی پیچیده‌ای که حرکات بدن را کنترل می‌کنند، هدف بیماری‌های شدید است که منجر به فلج و مرگ می‌شود. دانشمندان تاکنون حدود 800 بیماری عصبی عضلانی مختلف را شناسایی کرده‌اند. این شرایط به دلیل مشکلاتی در نحوه تعامل سلول‌های عضلانی، نورون‌های حرکتی و سلول‌های محیطی ایجاد می‌شود. این اختلالات از جمله اسکلروز جانبی آمیوتروفیک و آتروفی عضلانی نخاعی منجر به ضعف عضلانی، فلج و در برخی موارد مرگ می‌شوند. دکتر مینا گوتی، رئیس آزمایشگاه مدل‌سازی سلول‌های بنیادی تکوینی و بیماری در مرکز ماکس دلبروک، می‌گوید: «این بیماری‌ها بسیار پیچیده هستند و علل این اختلال می‌تواند بسیار متفاوت باشد». مشکل ممکن است مربوط به نورون‌ها، سلول‌های ماهیچه‌ای یا اتصالات بین این دو باشد. برای درک بهتر علل و یافتن درمان‌های مؤثر، ما به مدل‌های کشت سلولی خاص انسان نیاز داریم تا بتوانیم نحوه تعامل نورون‌های حرکتی نخاع با سلول‌های عضلانی را مطالعه کنیم.»

بیماری آتروفی عضلانی نخاعی (SMA)

آتروفی عضلانی نخاعی (SMA) یک بیماری عصبی عضلانی ژنتیکی (ارثی) است که باعث ضعیف شدن و تحلیل رفتن عضلات می‌شود. افراد مبتلا به SMA نوع خاصی از سلول‌های عصبی را در نخاع از دست می‌دهند(به نام نورون‌های حرکتی) که حرکت ماهیچه‌ها را کنترل می‌کنند. بدون این نورون‌های حرکتی، ماهیچه‌ها سیگنال‌های عصبی را دریافت نمی‌کنند که باعث حرکت عضلات می‌شود. کلمه آتروفی یک اصطلاح پزشکی است که به معنای کوچکتر است. با SMA، برخی از عضلات به دلیل عدم استفاده کوچکتر و ضعیف تر می‌شوند.

مطالعات سلولی برای بررسی پاتولوژی‌های اتصال عصبی عضلانی (NMJ)

سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (hPSCs) به‌طور گسترده برای تولید مدل‌های کاهش‌دهنده نورون‌های حرکتی طناب نخاعی (MNs) یا عضلات اسکلتی برای مطالعه اختلالات سیستم عصبی-عضلانی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در حالی که این مدل‌ها برای مطالعه اثرات سلولی بسیار مفید هستند، اما تعاملات پیچیده انواع مختلف سلول مانند نورون‌های نخاع، ماهیچه‌های اسکلتی، گلیا و سلول‌های شوان انتهایی مورد نیاز برای مطالعه پاتولوژی‌های اتصال عصبی عضلانی (NMJ) را منعکس نمی‌کنند. روش‌های مهندسی زیستی و هم‌کشتی پیچیدگی را افزایش داده و با موفقیت به عنوان جایگزینی برای مدل‌های تقلیل‌گرایانه مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، رویکردهای کشت مشترک به دلیل ضرورت استخراج انواع سلول‌های مورد نیاز به طور جداگانه قبل از ترکیب آنها در یک کشت محدود شده است. این روش محدودیت‌های عملی را تحمیل می‌کند، اما همچنین منجر به سازش در انتخاب شرایط محیط کشت مشترک می‌شود که به نوبه خود نگهداری طولانی‌مدت کشت‌های مشترک را محدود می‌کند. نکته مهمتر اینکه ایجاد یک مدل پیشرفته NMJ 2 بعدی، نگهداری طولانی مدت کشت‌های عصبی-عضلانی را تسهیل می‌کند، چیزی که  تاکنون از مدل‌های قبلی ایجاد شده در کشت مشترک، حتی زمانی که از تراشه‌ها، داربست‌ها یا ماتریس‌های پروتئینی استفاده می‌شد، دوری می‌کرد. بنابراین پتانسیل سلول‌های پیش ساز نورومزودرمال (NMP) برای تولید انواع سلول‌های مختلف مورد نیاز برای NMJ های عملکردی، فرصت‌های جدیدی را برای بررسی اختلالات NMJ باز کرده است. زیرا تولید همزمان نخاع و بافت‌های عضلانی اسکلتی از NMPها می‌تواند ایجاد زودهنگام تعاملات عملکردی حیاتی را تضمین کند که بلوغ مشارکتی آنها را تحریک می‌کند. به عنوان اثبات مفهوم، ما قبلا نشان داده‌ایم که NMPهای مشتق از hPSC برای تولید NMJهای عملکردی در ارگانوئیدهای عصبی عضلانی سه بعدی (NMOs) کافی هستند.

ارگانوئیدها برای مطالعات با توان بالا بسیار بزرگ هستند

محققانی که با گوتی کار می‌کردند قبلاً یک سیستم ارگانوئید عصبی عضلانی سه بعدی (NMO) ایجاد کرده بودند. گوتی می‌گوید: «یکی از اهداف ما استفاده از کشت‌هایمان برای آزمایش مواد مخدر در مقیاس بزرگ است. ارگانوئیدهای سه بعدی بسیار بزرگ هستند و نمی‌توان آنها را برای مدت طولانی در ظرف کشت 96 چاهی که ما برای انجام مطالعات غربالگری دارویی با کارایی بالا استفاده می‌کنیم، پرورش داد. برای این نوع غربالگری، یک تیم بین المللی به رهبری گوتی اکنون یک مدل اتصال عصبی عضلانی خودسازمانده با استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان ایجاد کرده است. این مدل شامل نورون‌ها، سلول‌های ماهیچه‌ای و سیناپس شیمیایی به نام اتصال عصبی عضلانی است که برای تعامل دو نوع سلول مورد نیاز است. محققان اکنون یافته‌های خود را در Nature Communications منتشر کرده اند. گوتی می‌گوید: «مدل اتصال عصبی-عضلانی خودسازمانده دوبعدی به ما این امکان را می‌دهد که غربالگری دارویی با توان بالا را برای بیماری‌های عصبی-عضلانی مختلف انجام دهیم و سپس امیدبخش‌ترین نامزدها را در ارگانوئیدهای خاص بیمار مطالعه کنیم.»

شیوه مطالعاتی

برای ایجاد مدل اتصال عصبی عضلانی خودسازمان یافته دوبعدی، محققان ابتدا باید چگونگی رشد نورون‌های حرکتی و سلول‌های عضلانی در جنین را درک می‌کردند. تیم میناس خودشان تحقیقات جنینی انجام نمی‌دهند، اما از رده‌های مختلف سلول‌های بنیادی انسانی استفاده می‌کنند که برای اهداف تحقیقاتی تحت دستورالعمل‌های سخت‌گیرانه مجاز هستند، و همچنین از یک رده سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPSC)نیز استفاده کردند. اورزی درادامه ترکیب مناسبی از مولکول‌های سیگنال‌دهنده را پیدا کرد که باعث می‌شود سلول‌های بنیادی انسان به نورون‌های حرکتی و سلول‌های عضلانی عملکردی با ارتباطات لازم بین این دو بالغ شوند. اورزی می‌گوید: دیدن انقباض سلول‌های ماهیچه ای در زیر میکروسکوپ هیجان انگیز بود. این نشانه واضحی بود که ما در مسیر درستی هستیم.» مشاهدات دیگر این بود که سلول‌ها پس از تمایز، خود را در مناطقی با سلول‌های ماهیچه‌ای و سلول‌های عصبی، بیشتر شبیه به موزاییک، سازماندهی کردند.

تولید مدل soNMJ از iPSCهای آتروفی عضلانی نخاعی خاص بیمار

در اینجا، ما توسعه یک مدل اتصال عصبی عضلانی خودسازمان‌دهنده (soNMJ) قوی و کارآمد را از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی گزارش کردیم که می‌تواند در درازمدت در شرایط کشت چسبنده ساده نگهداری شود. استفاده به موقع از سیگنال‌های الگوی خاص، تکوین و تمایز همزمان نورون‌های نخاعی بازویی، عضلات اسکلتی و سلول‌های انتهایی شوان را آموزش دهد. تصویربرداری با محتوای بالا دسته‌های خود سازماندهی شده از فیبرهای عضلانی هم‌تراز را نشان می‌دهد که توسط نورون‌های حرکتی عصب‌دهنده احاطه شده‌اند که اتصالات عصبی عضلانی عملکردی را تشکیل می‌دهند. فعال سازی اپتوژنتیک و مداخلات دارویی نشان می‌دهد که نورون‌های نخاعی به طور فعال انقباض عضلات اسکلتی همزمان را آموزش می‌دهند. تولید یک مدل soNMJ از iPSCهای آتروفی عضلانی نخاعی خاص بیمار نشان می‌دهد که تعداد NMJ و انقباض عضلانی به شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرند و این مدل شبیه آسیب‌شناسی بیمار است. در آینده، مدل soNMJ می‌تواند برای مطالعات با کارایی بالا در مدل‌سازی بیماری و توسعه دارو استفاده شود. بنابراین، این مدل به ما این امکان را می‌دهد تا نیازهای برآورده نشده در زمینه بیماری‌های عصبی عضلانی را برطرف کنیم.

یک سوئیچ اپتوژنتیک برای نورون‌های حرکتی

سلول‌های ماهیچه‌ای که در ظرف کشت رشد می‌کنند به‌طور خودبه‌خودی در نتیجه اتصالشان به نورون‌ها منقبض می‌شدند – اما آنها این کار را بدون هیچ ریتم معنی‌داری انجام دادند. اورزی و گوتی  درادامه می‌خواستند این مشکل را نیز برطرف کنند. در همین راستا آنها با همکاری محققان در Charité – Universitätsmedizin Berlin، از اپتوژنتیک برای فعال کردن نورون‌های حرکتی استفاده کردند. نورون‌ها که توسط فلاش نور فعال می‌شوند، شلیک می‌شوند و باعث می‌شوند سلول‌های ماهیچه‌ای به طور هماهنگ منقبض شوند و آنها را به تقلید از وضعیت فیزیولوژیکی موجود در یک ارگانیسم نزدیک‌تر کند.

مدل سازی آتروفی عضلانی نخاعی در ظرف

برای آزمایش اعتبار مدل، Urzi از iPSCهای انسانی بیماران مبتلا به آتروفی عضلانی نخاعی استفاده کرد، یک بیماری عصبی عضلانی شدید که کودکان را در سال اول زندگی آنها تحت تاثیر قرار می‌دهد. کشت‌های عصبی عضلانی تولید شده از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی خاص بیمار، مشکلات شدیدی را در انقباض عضله مشابه آسیب‌شناسی بیمار نشان داد. برای گوتی، کشت‌های دوبعدی و سه بعدی ابزارهای کلیدی برای تحقیق در مورد بیماری‌های عصبی عضلانی با جزئیات بیشتر و آزمایش گزینه‌های درمانی کارآمدتر و فردی هستند. به عنوان گام بعدی، گوتی و تیم او می‌خواهند غربالگری دارویی با توان بالا را برای شناسایی درمان‌های جدید برای بیماران مبتلا به آتروفی عضلانی نخاعی و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک انجام دهند. گوتی می‌گوید: «ما می‌خواهیم با دیدن اینکه آیا می‌توانیم با استفاده از ترکیبات جدید داروها برای بهبود زندگی بیماران مبتلا به بیماری‌های عصبی عضلانی پیچیده به نتایج موفقیت‌آمیزتری دست یابیم، شروع کنیم».

پایان مطلب/.