به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، مغز انسان‌های مدرن توانایی‌های محاسباتی شگفت‌انگیزی را تکامل داده است که عملکردهای شناختی سطح بالا را امکان‌پذیر می‌سازد. این توانایی‌ها ارتباط نزدیکی با افزایش اندازه و اتصال‌پذیری قشر مغز دارند؛ عاملی که تصور می‌شود در نتیجه تغییرات تکاملی در سازوکارهای رشد قشر مغز به وجود آمده باشد. پیشرفت‌های هم‌زمان در زمینه‌های ژنومیک تکاملی، زیست‌شناسی رشد و علوم اعصاب اخیراً شناسایی تغییرات ژنومی‌ای را ممکن ساخته‌اند که به‌عنوان اصلاح‌کننده‌های ویژه انسانی در رشد قشر مغز عمل می‌کنند. این اصلاح‌کننده‌ها بر بیشتر جنبه‌های قشرزایی (corticogenesis) تأثیر می‌گذارند؛ از زمان‌بندی و پیچیدگی تولید نورون‌های قشری گرفته تا سیناپتوژنز (شکل‌گیری سیناپس‌ها) و سامان‌دهی مدارهای قشری. جهش‌های ایجاد شده در این اصلاح‌کننده‌های ژنتیکی ویژه انسان که در قشرزایی نقش دارند، اخیراً با اختلالات رشد عصبی مرتبط شناخته شده‌اند؛ موضوعی که نشان‌دهنده اهمیت فیزیولوژیکی آن‌هاست و همچنین احتمال وجود رابطه‌ای میان تکامل مغز انسان و حساسیت آن به برخی بیماری‌های خاص را مطرح می‌کند.

تولید ارگانوئیدهای مغزی انسانی از سلول‌های بنیادی

تولید ارگانوئیدهای مغزی انسانی از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPSCs) به‌عنوان یک دستاورد علمی برجسته، افق‌های جدیدی را در مطالعات عصبی و پزشکی باز کرده است. این ساختارهای مینیاتوری مغزی، با تقلید از ویژگی‌های ساختاری و عملکردی مغز انسان، امکان مطالعه دقیق‌تر فرآیندهای رشد مغزی، اختلالات عصبی و آزمایش داروها را بدون نیاز به مدل‌های حیوانی فراهم می‌کنند. محققان دانشگاه میشیگان، دانشگاه ویزمن و دانشگاه پنسیلوانیا موفق به توسعه مدلی شده‌اند که تمامی بخش‌های جنینی مغز و نخاع را به‌صورت هم‌زمان شبیه‌سازی می‌کند. این مدل سه‌بعدی، امکان بررسی دقیق‌تر توسعه سیستم عصبی مرکزی انسان را فراهم می‌آورد. محققان بیمارستان کودکان سینسیناتی، کلینیک مایو و دانشگاه کالیفرنیای سن‌دیگو اولین ارگانوئید مغزی انسانی را تولید کرده‌اند که شامل سد خونی مغز عملکردی است. این پیشرفت، درک و درمان اختلالات مغزی مانند سکته، سرطان مغز، آلزایمر و پارکینسون را تسهیل می‌کند. مدل‌های ارگانوئیدی برای مطالعه اختلالات عصبی: مطالعات نشان داده‌اند که ارگانوئیدهای مغزی می‌توانند در شبیه‌سازی اختلالاتی مانند ام‌اس، اوتیسم و آتاکسی مغزی مؤثر باشند. این مدل‌ها به‌ویژه در مطالعه تأثیرات ژنتیکی و پروتئینی مانند p21 بر رفتار سلول‌های عصبی کاربرد دارند.

کاربردهای پزشکی و پژوهشی ارگانوئیدهای مغزی

آزمایش داروها و درمان‌های شخصی‌سازی‌شده: با استفاده از سلول‌های بنیادی بیمار، می‌توان داروهای مؤثر را شناسایی کرد و درمان‌های اختصاصی برای اختلالات عصبی طراحی نمود. مدل‌سازی اختلالات عصبی و روانی: ارگانوئیدهای مغزی به‌عنوان ابزارهایی برای مطالعه اختلالاتی مانند اوتیسم، آلزایمر و پارکینسون مورد استفاده قرار می‌گیرند. تحقیقات بنیادی در تکوین مغز: این مدل‌ها به درک بهتر فرآیندهای تکاملی مغز و شبیه‌سازی شرایط بیماری کمک می‌کنند. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، تولید ارگانوئیدهای مغزی هنوز با چالش‌هایی مانند تکامل کامل ساختارهای مغزی، تکثیر سلول‌های عصبی بالغ و شبیه‌سازی دقیق‌تر عملکرد مغز روبه‌رو است. با این حال، این مدل‌ها به‌عنوان ابزارهای حیاتی در تحقیقات عصبی و پزشکی، مسیر را برای درمان‌های نوین و شخصی‌سازی‌شده هموار می‌سازند. در نهایت، ارگانوئیدهای مغزی انسانی نمایانگر گام‌های مهمی در درک و درمان اختلالات عصبی هستند و می‌توانند به‌عنوان مدل‌های پیشرفته‌ای برای مطالعه مغز انسان در آینده مورد استفاده قرار گیرند.

شیوه مطالعه

در اینجا، پروتکل‌های ما برای تولید سلول‌های بنیادی انسانی مهندسی‌شده با CRISPR–Cas9 با حذف همی‌زیگوت SHANK3، پیش سازهای عصبی منفرد مشتق شده از سلول‌های بنیادی و ارگانوئیدهای مغزی تلنسفالی را توصیف می‌کنیم. همچنین نکاتی درباره نحوه انجام توالی‌یابی RNA تک سلولی، ایمونوهیستوشیمی و الکتروفیزیولوژی پچ-کلمب برش‌خورده روی این ارگانوئیدها ارائه می‌دهیم. تکمیل این پروتکل‌ها ۵ تا ۶ ماه طول می‌کشد و نیازمند تجربه کار با سلول‌های کشت شده است. انتظار داریم این پروتکل برای مطالعات رشد و بیماری‌های مغز انسان و همچنین پیشبرد توسعه رایانه‌های زیستی مبتنی بر ارگانوئید مفید باشد.

نتایج کسب شده از مطالعه

ما روشی برای تولید ارگانوئیدهای تلنسفالی مغز انسان از پیش سازهای عصبی منفرد ایزوله شده مشتق شده از سلول‌های بنیادی توسعه داده‌ایم. استفاده از پیش سازهای عصبی منفرد برای تولید ارگانوئیدها چندین مزیت مهم دارد. اول، این روش رشد بافت عصبی را از یک لوله عصبی منفرد در بدن زنده شبیه‌سازی می‌کند. دوم، ارگانوئیدهای مشتق شده از پیش سازهای عصبی منفرد ترکیب سلولی نسبتاً یکنواخت و قابل تکراری از سلول‌های عصبی تلنسفالی را نشان می‌دهند. سوم، این ارگانوئیدها سازماندهی پیش‌بینی‌شده‌ای از سلول‌های عصبی شناسایی شده در اطراف یک لومن مشتق شده از روست عصبی منفرد دارند و شامل نسبت زیادی از نورون‌های عملکردی بالغ هستند که پتانسیل‌های عمل تولید می‌کنند و ورودی‌های سیناپسی تحریکی و مهاری را دریافت می‌کنند. این ویژگی‌های منحصر به فرد پروتکل ما امکان مطالعه تمایز و سازماندهی سلول‌های عصبی مختلف در مغز تلنسفالی در حال توسعه انسان را فراهم می‌کند و همچنین برای مدل‌سازی اختلالات نوروساختاری مرتبط با شبکه‌های عصبی مختل شده کاربرد دارد.

پایان مطلب/.