یادداشت
تولید ارگانوئیدهای کبدی چند ناحیهای از سلولهای بنیادی
محققان موفق به مهندسی آرگانوئید کبدی چند ناحیهای از سلولهای بنیادی پرتوان انسانی شدهاند که به معماری پیچیده فضایی کبد شباهت دارد.
امتیاز:
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در یک دستاورد انقلابی که نوید بازتعریف درک ما از بیولوژی کبد و مدلسازی بیماریها را میدهد، محققان موفق به مهندسی آرگانوئید کبدی چند ناحیهای از سلولهای بنیادی پرتوان انسانی شدهاند که بهطور نزدیک به معماری پیچیده فضایی کبد شباهت دارد. این نوآوری به یک چالش قدیمی در بیولوژی کبد پاسخ میدهد: بازتولید ناهمگنی ناحیهای کبد در محیط آزمایشگاهی. برای دههها، دانشمندان این را تشخیص دادهاند که هپاتوسیتها، سلولهای اصلی عملکردی کبد، در زیرجمعیتهای متمایزی سازماندهی شدهاند که در امتداد محور پورتر-مرکزی قرار دارند و هرکدام نقشهای متابولیکی منحصر به فردی دارند. با این حال، بازتولید این الگوی پیچیده ناحیهای، که برای عملکرد صحیح کبد و هموستاز متابولیک حیاتی است، در کشت سلولی در آزمایشگاه همچنان دشوار بود.
ساختار اندام کبد
معماری کبد بهطور ناحیهای مشخص شده است، با نواحی پِریپورتر نزدیک به ورید پورتر، نواحی بینناحیهای، و نواحی پِریمرکزی نزدیک به ورید مرکزی، که هرکدام هپاتوسیتهایی دارند که ویژگیهای بیان ژنی و توانمندیهای متابولیکی منحصر به فردی از خود نشان میدهند. این ناحیهبندی مسیرهای حیاتی مانند چرخه اوره، سنتز گلوتاتیون و متابولیسم گلوکز را تنظیم میکند و تأثیر عمیقی بر چگونگی واکنش کبد به آسیب دارد. رزا و همکارانش وظیفه دشوار بازتولید این تنوع فضایی را با استفاده از یک سیستم ارگانوئید خودتنظیم که از سلولهای بنیادی پرتوان انسانی القا شده (hiPSCs) مشتق شده است، بر عهده گرفتند. از طریق استراتژیهای پیششرطی دقیق که شامل مولکولهای بیواکتیو شناختهشده بهویژه آسکوربات و بیلیروبین بود، آنها توانستند پیشسازهای هپاتیک را به فنوتایپهای خاص ناحیهای سوق دهند که بهطور خودبخود در میکروتیشوهایی فضایی منظم سازمان یافتند.
توضیح مدل کشت ارگانوئید انسانی
این روش بر این مفهوم استوار است که آسکوربات و بیلیروبین، که پیشتر در جهتدهی سرنوشتهای ناحیهای هپاتیک در بدن زنده دخالت داشتند، میتوانند برای هدایت تمایز و ترتیب فضایی سلولهای مشابه هپاتوسیت در کشت سلولی بهکار روند. با غنیسازی جمعیتهای خاص پیشساز هپاتیک با این مولکولها پیش از کشت مشترک، ارگانوئیدهای سهبعدی حاصل، شیبها و جداسازیهای فضایی واضحی را نشان دادند که شباهت زیادی به محور پورتر-مرکزی کبد داشتند. این مدل درونکشتگاهی انسانی اولین مدلی است که بهطور معتبر معماری چند ناحیهای هپاتیک را بازتولید میکند و راه را برای مطالعات مربوط به بیولوژی کبد، تست سمیت و پزشکی بازساختی باز میکند.
شیوه مطالعاتی
برای شناسایی دقیق هویتهای سلولی در این آرگانوئیدها، محققان از توالییابی تکهستهای RNA (snRNA-seq) استفاده کردند که امکان تجزیه و تحلیل دقیق منظرهای بیان ژنی در سطح هستههای فردی را فراهم میآورد. این رویکرد، مسیر تمایز هپاتوبلاست را که با جمعیتهای هپاتوسیتی پِریپورتر، بینناحیهای و پِریمرکزی در کبد انسان همراستا است، روشن ساخت. دادههای ترنسکریپتومیک نشان داد که نهتنها این سلولها امضاهای ژنی شاخص مربوط به هویت ناحیهای خود را نشان میدهند، بلکه بهطور منسجم درون آرگانوئید سازمان مییابند، که اصالت فضایی و عملکردی مدل را تأکید میکند. برای تکمیل بینشهای ترنسکریپتومیک، تحلیلهای اپیژنتیک مکانیسمهای تنظیمی پیچیدهای را فاش کردند که پایهگذار ایجاد و نگهداری هویت ناحیهای هستند. این مطالعه کشف کرد که آسکوربات و بیلیروبین بر پیوستگی استیلکلاتاز هیستون EP300 به شرکای خاصTET1 یا HIF1αتأثیر میگذارند، که دسترسی به کروماتین و الگوهای بیان ژنی خاص هر فنوتایپ ناحیهای را تنظیم میکند. این کشف نشاندهنده تعامل پیچیدهای است که در آن مولکولهای بیواکتیو بهطور پویا منظره اپیژنتیکی را شکل میدهند تا ناحیهبندی هپاتیک را هدایت کنند.
اهمیت ارگانوئیدهای کبدی تولید شده
اعتبار عملکردی ارگانوئیدهای کبدی با الگوی ناحیهای نیز قابلتوجه بود. سلولها فعالیتهای متابولیکی خاص ناحیهای مانند آنهایی که مربوط به چرخه اوره و متابولیسم گلوتاتیون هستندرا نشان دادند که با پروفایلهای مولکولی ناحیهای آنها تطابق داشت. این سطح از اصالت عملکردی در مدلهای ارگانوئیدی انسانی بیسابقه است و راه را برای مدلسازی دقیقتر متابولیسم کبد و وضعیتهای بیماری که بهطور سنتی به آسیب ناحیهای وابسته هستند، هموار میکند. بهطور خاص، پتانسیل ترجمهای این فناوری از طریق آزمایشهای پیوند در رتهای فاقد ایمنی که تحت عمل بستن مجرای صفرا قرار گرفتند، که مدلی از آسیب کبدی و کولستاز است، نشان داده شد. آرگانوئیدهای انسانی چند ناحیهای نتایج بقای بهتری در این حیوانات ایجاد کردند و هایپرآمونمی و هایپر بیلیروبینمی—دو نشانه بیماری کبدی—را کاهش دادند. این آزمایش اثبات مفهوم نشان میدهد که آرگانوئیدهای خاص ناحیهای میتوانند مبنای درمانهای سلولی نوین یا پیوندهای بیومهندسی باشند که هدف آنها احیای عملکرد کبد در بیماران مبتلا به بیماریهای کبدی مزمن است.
مکانیسمهای مولکولی حاکم بر تکوین کبد
پیامدهای این کار فراتر از برنامههای پزشکی بازساختی است. این مطالعه یک بستر بیسابقه برای بررسی مکانیسمهای مولکولی حاکم بر تکوین کبد، مشخصسازی ناحیهای و پاتوژنز بیماریها فراهم میکند. محققان اکنون میتوانند بررسی کنند که چگونه زیرجمعیتهای مختلف هپاتوسیت در برابر سموم، عفونتها یا استرسهای متابولیکی بهطور متفاوت واکنش نشان میدهند، در حالی که در یک سیستم انسانی کنترلشده قرار دارند، چیزی که تا پیش از این با تفاوتهای گونهای و محدودیتهای سیستمهای کشت سلولی سنتی محدود بود. علاوه بر این، ایجاد یک مدل آرگانوئید انسانی چند ناحیهای قوی، امکانات تحولی را در کشف دارو فراهم میآورد. ترکیبات دارویی اغلب دارای پروفایلهای سمی وابسته به ناحیه در کبد هستند که پیشبینی آنها در محیط آزمایشگاهی دشوار بوده است. این آرگانوئیدها یک بستر آزمایشی پیچیده برای غربالگری چنین خطراتی در مراحل اولیه خط لوله توسعه دارو فراهم میآورند، که ممکن است منجر به کاهش شکستهای دارویی در مراحل نهایی و بهبود ارزیابی ایمنی شود.
تعامل کشفشده بین مولکولهای کوچک مانند آسکوربات و بیلیروبین
از نظر بیولوژی تکوینی، تعامل کشفشده بین مولکولهای کوچک مانند آسکوربات و بیلیروبین با تنظیمکنندههای اپیژنتیکی کلیدی، ابعاد جدیدی از کنترل ناحیهبندی هپاتیک را آشکار میکند. نقش دوگانه EP300 که با TET1 یا HIF1α در بستر محیطهای متابولیکی مختلف همکاری میکند، لایهای نو از ارتباط متابولیک-اپیژنتیکی برای تخصص سلولی در امتداد شیبهای فیزیولوژیکی منعطف است. نگاه به جلو، توانایی مهندسی بافتهای کبدی پیچیده فضایی انسانی، چشماندازهای هیجانانگیزی را برای مطالعه بیماریهای کبدی که با اختلالات ناحیهای مشخص میشوند—مانند بیماری کبد چرب غیرالکلی، فیبروز و هپاتیت ویروسی باز میکند. درک چگونگی وقوع آسیب و ترمیم خاص ناحیهای امیدوارکننده است که درمانهای هدفمند برای مدولاسیون دقیق زیرمجموعههای هپاتوسیتی معیوب توسعه یابد.
مزایا و اهمیت مطالعه انجام شده
این مطالعه علاوه بر پیشرفت در درک علمی، قدرت ادغام بیولوژی سلولهای بنیادی، ژنومیک تکسلولی و اپیژنتیک برای بازتولید پیچیدگیهای اندام انسانی در محیط آزمایشگاهی را به نمایش میگذارد. ارگانوئید کبدی چند ناحیهای خودتنظیم گامی مهم به سوی کبدهای بیوآرتیفیشی کاملاً کاربردی است، با مقیاسپذیری و ارتباط انسانی که از مدلهای موجود فراتر میرود. با ارائه سیستمی درونکشتگاهی که بهطور معتبر تقسیم کار و ناهمگنی فضایی کبد را شبیهسازی میکند، رزا و همکارانش یک بستر چندمنظوره ایجاد کردهاند که تأثیر عمیقی در رشتههای مختلف زیستپزشکی دارد. این دستاورد نهتنها بینش ما را به بیولوژی کبد عمیقتر میکند بلکه پتانسیل ترجمهای آرگانوئیدهای مشتقشده از سلولهای بنیادی پرتوان در مقابله با پدیدههای پیچیده در سطح اندام را نشان میدهد. بهطور کلی، این نوآوریها به یک آینده اشاره دارند که در آن بیماریهای کبدی انسانی با دقت بیسابقهای مدلسازی میشوند و استراتژیهای پزشکی شخصی ممکن است با بهرهگیری از بافتهای کبدی منظم بهطور ناحیهای برای مداخله درمانی شخصیشده توسعه یابند.
پایان مطلب/.