به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان به سرپرستی مایک ساندر، مدیر علمی مرکز ماکس دل‌بروک، برای اولین بار مدل ارگانوئیدی عروقی شده از جزایر پانکراسی مشتق شده از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی  را توسعه داده‌اند. جزایر، خوشه‌های سلولی در پانکراس هستند که چندین نوع سلول ترشح‌کننده هورمون از جمله سلول‌های بتا تولیدکننده انسولین را در خود جای داده‌اند. پژوهشگران در آزمایشگاه ساندر در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، دریافتند که ارگانوئیدهای SC-islet با رگ‌های خونی، تعداد بیشتری سلول بتای بالغ دارند و انسولین بیشتری نسبت به نمونه‌های فاقد عروق ترشح می‌کنند. ارگانوئیدهای عروقی شده به طور نزدیک‌تری سلول‌های جزیره‌ای بدن را شبیه‌سازی می‌کنند. این مطالعه در نشریه «Developmental Cell» منتشر شده است. ساندر می‌گوید: «نتایج ما اهمیت شبکه عروقی در حمایت از عملکرد سلول‌های جزیره پانکراس را نشان می‌دهد. این مدل ما را به بازسازی محیط طبیعی پانکراس نزدیک‌تر می‌کند که برای مطالعه دیابت و توسعه درمان‌های جدید ضروری است.»

مهندسی جزایر سلولی عروقی شده

ارگانوئیدهای SC-islet ارگان‌های کوچکی که خوشه‌های سلول‌های تولیدکننده انسولین را خارج از بدن شبیه‌سازی می‌کنند — به طور گسترده برای مطالعه دیابت و بیماری‌های غدد درون‌ریز پانکراس استفاده می‌شوند. اما سلول‌های بتا در این ارگانوئیدها معمولاً نابالغ هستند و بنابراین مدل‌های ایده‌آلی برای محیط زنده نیستند، به گفته ساندر. اگرچه روش‌های مختلفی برای بهبود بلوغ سلول‌های بتا توسعه یافته است، تأثیرات آنها معمولاً محدود بوده است. برای شبیه‌سازی بهتر محیط زنده، محققان سلول‌های اندوتلیال انسانی (که پوشش داخلی رگ‌های خونی را تشکیل می‌دهند) و فیبروبلاست‌ها (سلول‌هایی که به شکل‌گیری بافت پیوندی کمک می‌کنند) را به ارگانوئیدهای جزیره‌ای رشد یافته از سلول‌های بنیادی اضافه کردند. تیم تحقیقاتی با ترکیب‌های مختلف محیط کشت آزمایش کردند تا مخلوطی را یافتند که عملکرد داشت. سلول‌ها نه تنها زنده ماندند، بلکه رشد کردند و شبکه‌ای از رگ‌های خونی لوله‌ای شکل ساختند که درون و اطراف SC-islets نفوذ کرد. ساندر می‌گوید: «دستاورد ما تهیه این فرمول بود. پنج سال تلاش با تیمی متعهد از زیست‌شناسان سلول‌های بنیادی و مهندسین زیستی صرف این کار شد.»

ارگانوئیدهای عروقی شده بالغ‌تر هستند

وقتی محققان ارگانوئیدهای عروقی شده را با ارگانوئیدهای فاقد عروق مقایسه کردند، مشاهده کردند که ارگانوئیدهای عروقی شده هنگام مواجهه با سطوح بالای گلوکز انسولین بیشتری ترشح می‌کنند. ساندر می‌گوید: «سلول‌های بتای نابالغ به خوبی به گلوکز پاسخ نمی‌دهند. این نشان می‌داد که مدل عروقی شده سلول‌های بالغ بیشتری دارد.» محققان سپس خواستند بررسی کنند که عروق چگونه به بلوغ ارگانوئیدها کمک می‌کند. آنها دو مکانیزم کلیدی را یافتند: سلول‌های اندوتلیال و فیبروبلاست‌ها به ساخت ماتریکس خارج‌سلولی کمک می‌کنند — شبکه‌ای از پروتئین‌ها و کربوهیدرات‌ها در سطح سلول. تشکیل این ماتریکس خود سیگنالی برای بلوغ سلول‌ها است. دوم، سلول‌های اندوتلیال پروتئینی به نام «پروتئین استخوان‌ساز» (BMP) ترشح می‌کنند که موجب تحریک بلوغ سلول‌های بتا می‌شود. مدل‌های ارگانوئیدی برای مطالعه رشد اندام‌های انسانی و بیماری‌ها حیاتی هستند، زیرا نسبت به مدل‌های کشت دوبعدی (2D)، عملکرد بافت‌های طبیعی را دقیق‌تر شبیه‌سازی می‌کنند. در محیط طبیعی اندام، سلول‌های بافت پیوندی و سلول‌های اندوتلیال عروقی (ECs) سیگنال‌های پاراکرین کلیدی برای بلوغ و عملکرد سلول‌ها فراهم می‌کنند. برای ایجاد مدلی که محیط درون‌بدنی (in vivo) را تقلید کند، ارگانوئیدها باید پیچیدگی سلولی و ریزمحیط فیزیولوژیکی زیستگاه اندام را بازسازی کنند. بافت‌های طبیعی سلول‌ها را در معرض جریان مایع و خون قرار می‌دهند که نیروهای مکانیکی ایجاد می‌کند و وضعیت سلول‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. این نیروها را می‌توان خارج از بدن (ex vivo) با استفاده از سیستم‌های میکروفیزیولوژیکی، که به عنوان فناوری ارگان روی تراشه (organ-on-a-chip) شناخته می‌شوند، بازتولید کرد. جریان مایع در سیستم‌های میکروفیزیولوژیکی، بلوغ سلول‌ها را در ارگانوئیدهای مشتق شده از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی تقویت می‌کند. روش‌های فعلی خوشه‌های سه‌بعدی (3D) شبیه به جزایر پانکراس را از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی تولید می‌کنند. این جزایر مشتق شده از سلول‌های بنیادی (SC-islets) شامل سلول‌های بتای تولیدکننده انسولین (INS)، سلول‌های آلفای تولیدکننده گلوکاگون و سلول‌های دلتا تولیدکننده سوماتوستاتین هستند. اما سلول‌های بتای مشتق شده از سلول‌های بنیادی (SC-β) از نظر عملکردی نابالغ باقی می‌مانند و پاسخ کامل به انسولین را نسبت به سلول‌های بتای اولیه ندارند. سلول‌های SC-β پس از پیوند درون‌بدنی به حالت بالغ‌تری دست می‌یابند، که نشان می‌دهد مدل کشت خارج از بدن فاقد سیگنال‌های محیطی مهم برای بلوغ سلول‌های بتا است. مدل‌های SC-islet هنوز فاقد انواع سلول‌های غیر درون‌ریز هستند که در محیط بافت طبیعی یافت می‌شوند.

شیوه تحقیقاتی

شناخت اینکه نیروهای مکانیکی نیز ترشح انسولین را تحریک می‌کنند، تیم تحقیقاتی ارگانوئیدها را در دستگاه‌های میکروفلوئیدیک قرار داد تا محیط کشت مستقیماً از طریق شبکه‌های عروقی آنها پمپ شود. آنها دریافتند که نسبت سلول‌های بتای بالغ باز هم افزایش می‌یابد. ساندر می‌گوید: «یک گرادیان مشاهده کردیم. ارگانوئیدهای فاقد عروق بیشترین تعداد سلول‌های نابالغ را داشتند، با عروق‌دار شدن درصد سلول‌های بالغ بیشتر شد و با افزودن جریان مواد مغذی از طریق رگ‌ها، بلوغ حتی بیشتر افزایش یافت. مدل انسانی سلول‌های جزایر پانکراس که به طور نزدیکی فیزیولوژی درون‌بدنی را شبیه‌سازی می‌کند، مسیرهای جدیدی را برای بررسی مکانیزم‌های زمینه‌ای دیابت باز می‌کند.» در گام نهایی، محققان نشان دادند که SC-islets عروقی شده در بدن نیز انسولین بیشتری ترشح می‌کنند. موش‌های دیابتی که با SC-islets فاقد عروق پیوند زده شدند، وضعیت بدتری داشتند نسبت به موش‌هایی که با سلول‌های عروقی شده پیوند شدند، به طوری که برخی از موش‌ها ۱۹ هفته پس از پیوند هیچ نشانه‌ای از بیماری نداشتند. این تحقیق از مطالعات دیگری حمایت می‌کند که نشان داده‌اند پیش‌عروقی شدن عملکرد سلول‌های SC-islets پیوندی را بهبود می‌بخشد.

نتایج کسب شده از مطالعه

رگ‌های خونی نقش حیاتی در عملکرد جزایر پانکراسی دارند، اما روش‌های فعلی برای تولید ارگانوئیدهای جزیره‌ای از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (SC-islets) فاقد عروق خونی هستند. ما ارگانوئیدهای سه‌بعدی (3D) عروقی شده SC-islet را با ترکیب سلول‌های SC-islet، سلول‌های اندوتلیال اولیه انسانی (ECs) و فیبروبلاست‌ها در یک مدل بدون جریان و همچنین در دستگاه میکروفلوئیدیک با رگ‌های خونی دارای جریان، مهندسی کردیم. عروقی شدن باعث بهبود ورود کلسیم وابسته به محرک به سلول‌های بتا SC شد، که یک شاخص عملکرد سلول بتا است و در SC-islets فاقد عروق کاهش یافته است. علاوه بر این، عروقی شدن روند بازگشت دیابت پس از پیوند دوز زیردرمانی SC-islet به موش‌ها را تسریع کرد. ما نشان دادیم که عروق خونی منجر به تشکیل غشای پایه شبیه به جزیره می‌شود که به بهبود عملکرد سلول‌های بتا SC کمک می‌کند. همچنین، داده‌های توالی‌یابی RNA تک‌سلولی (scRNA-seq) سیگنال‌دهی BMP2/4-BMPR2 از سلول‌های اندوتلیال به سلول‌های بتا SC را پیش‌بینی کردند و به طور متناظر، BMP4 پاسخ کلسیم سلول‌های بتا SC و ترشح انسولین را افزایش داد. ارگانوئیدهای SC-islet عروقی شده امکان مطالعات بیشتر در زمینه ارتباط متقابل بین سلول‌های بتا و سلول‌های اندوتلیال را فراهم می‌کنند و به عنوان یک پلتفرم آزمایشگاهی برای مدل‌سازی بیماری و تست درمان‌ها مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

مدل بهتر برای مطالعه دیابت نوع ۱

ساندر اکنون قصد دارد از مدل ارگانوئیدهای عروقی شده SC-islet برای مطالعه دیابت نوع ۱ استفاده کند، بیماری‌ای که در آن سلول‌های ایمنی به سلول‌های بتا حمله و آنها را تخریب می‌کنند — بر خلاف دیابت نوع ۲ که در آن پانکراس انسولین کمتری تولید می‌کند و سلول‌های بدن نسبت به انسولین مقاوم می‌شوند. او و تیمش در مرکز ماکس دل‌بروک ارگانوئیدهای عروقی شده را از سلول‌های بیماران مبتلا به دیابت نوع ۱ رشد می‌دهند. آنها ارگانوئیدها را روی تراشه‌های میکروفلوئیدیک قرار می‌دهند و سلول‌های ایمنی بیماران را اضافه می‌کنند. ساندر توضیح می‌دهد: «می‌خواهیم بفهمیم چگونه سلول‌های ایمنی سلول‌های بتا را تخریب می‌کنند. رویکرد ما مدلی واقعی‌تر از عملکرد سلول‌های جزیره‌ای فراهم می‌کند و می‌تواند به توسعه درمان‌های بهتر در آینده کمک کند.»

پایان مطلب/.