به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در مطالعه‌ای جدید، تیمی از پژوهشگران به رهبری دانشیار ماکوتو ایکیا از دپارتمان کاربردهای بالینی دانشگاه کیوتو، موفق شدند روشی برای تولید ارگانوئیدهایی مشابه استخوان فک (اندامک‌های کوچک آزمایشگاهی) از سلول‌های بنیادی پرتوان القاشده (iPS) توسعه دهند. این تحقیق در نشریه Nature Biomedical Engineering منتشر شده است.

استخوان‌های ماگزیلا و ماندیبول

استخوان‌های ماگزیلا (فک بالا) و ماندیبول (فک پایین) که به‌طور جمعی به آن‌ها «استخوان‌های فک» گفته می‌شود، بزرگ‌ترین اندام‌های بیومینرالیزه در ناحیه دهان هستند. این ساختارها در کنار دندان‌ها نقش اساسی در جویدن دارند و همچنین برای حفظ تنفس، تلفظ و زیبایی چهره بسیار حیاتی‌اند. استخوان‌های فک به شدت در معرض آسیب‌های غیرقابل برگشت ناشی از عوامل پاتولوژیک مختلفی قرار دارند، از جمله عفونت‌های باکتریایی دهان، جویدن بیش از حد، تروما، تومورها و ناهنجاری‌های مادرزادی. چنین آسیب‌هایی تأثیر قابل توجهی بر کیفیت زندگی افراد می‌گذارند. با وجود این، تاکنون هیچ مطالعه‌ای مدل‌های انسانی دقیقی از استخوان فک ارائه نکرده است که بتواند مبنایی برای بررسی آسیب‌شناسی فک و توسعه درمان‌های مؤثر باشد. بازآفرینی مراحل رشد جنینی با استفاده از سلول‌های بنیادی پرتوان (PSCs) رویکردی امیدوارکننده برای تولید جمعیت‌های سلولی جنینی مورد نظر به شمار می‌آید. در حالی که اسکلت محوری و اندام‌ها از مزودرم منشأ می‌گیرند، استخوان‌های فک از اکتومزانشیم مشتق از سلول‌های تاج عصبی جمجمه‌ای (NCCs) که در قوس اول حلقی (PA1) مستقر می‌شوند، به وجود می‌آیند.

نقش سلول‌های تاج عصبی جمجمه در استخوان سازی‌  

 در طی رشد جنینی مهره‌داران، NCCها به‌صورت پویا در نواحی جمجمه‌ای مهاجرت می‌کنند و به انواع مختلفی از سلول‌ها از جمله اکتومزانشیم تمایز می‌یابند. این سلول‌ها به‌طور ناحیه‌ای مشخص می‌شوند و این مشخصه‌ها توسط هویت قدامی–خلفی (A–P) آن‌ها تعیین می‌شود که از طریق ژن‌های Hox تنظیم می‌گردد. برخلاف سایر قوس‌های خلفی که ترکیب خاصی از ژن‌های Hox را بیان می‌کنند، NCCهای ناحیه مغز میانی و پس‌مغز قدامی (رومبومرهای 1 و 2) که منشأ اکتومزانشیم قوس اول هستند، هیچ ژن Hox را بیان نمی‌کنند. در مرحله درون‌قوسی، PA1 به برجستگی‌های ماگزیلاری و ماندیبولار تقسیم می‌شود و اکتومزانشیم قوس اول در برجستگی فک پایین (mdEM) الگوگیری خاصی را در محورهای نزدیک–دور و دهانی–دور از دهان نشان می‌دهد. مهاجرت NCCها و الگوگیری mdEM توسط سیگنال‌های اپی‌تلیالی قوس حلقی هدایت می‌شود. در نهایت، mdEM منشأ ساختارهای مختلفی در فک پایین می‌شود، از جمله استخوان فک. اگرچه مطالعات قبلی موفق به القای NCCها و مشتقات آن‌ها از PSCهای انسانی و موشی شده‌اند، اما تمایز هدفمند NCCهای مشتق از PSC به mdEM با اطلاعات مکانی–رشد دقیق هنوز محقق نشده است، و این موضوع مانعی در مسیر ایجاد مدل‌های قابل اعتماد از استخوان فک محسوب می‌شود.

ساخت استخوان فک

استخوان فک، شامل فک بالا (ماگزیلا) و فک پایین (ماندیبل)، بزرگ‌ترین اندام بیومینرالیزه در ناحیه دهان است و به شدت در معرض آسیب‌های برگشت‌ناپذیر ناشی از عوامل پاتولوژیک گوناگون مانند نقص‌های ژنتیکی، عفونت‌ها و تروما قرار دارد. با این حال، تاکنون مدلی برای بازسازی رشد و فیزیولوژی آسیب‌دیده فک توسعه نیافته بود. تیم پژوهشی به رهبری ایکیا موفق به تحقق این هدف شد و با این دستاورد، بستر جدیدی برای مطالعات آینده در زمینه فک و درمان بیماری‌های مرتبط با آن فراهم کرد. این محققان پیش‌تر موفق شده بودند در کشت سلولی دو‌بعدی، نوع خاصی از سلول‌های تاج عصبی جمجمه‌ای (NCCs) را تولید کنند که قادرند به سلول‌های تشکیل‌دهنده استخوان فک تمایز یابند. بر اساس این دانش، آن‌ها تصمیم گرفتند پروتکل خود را برای ایجاد ارگانوئیدهای سه‌بعدی (3D) از فک اصلاح کنند. پس از بهینه‌سازی شرایط مختلف از جمله مسیرهای سیگنال‌دهی سلولی و دستگاه‌های کشت، آن‌ها توانستند به‌طور مؤثری نوع مورد نظر از سلول‌های NCC را القا کرده و آن‌ها را به‌صورت توده‌های سلولی رشد دهند. این کار با استفاده از چندین رده سلول iPS، از جمله سلول‌های گرفته‌شده از بیماران مبتلا به استئوژنز ایمپرفکتا (OI) یا همان بیماری استخوان‌های شکننده، انجام شد. با الهام از فرآیند رشد جنینی، محققان ترکیبی از مولکول‌ها را شناسایی کردند که باعث تبدیل توده‌های سلول NCC به نوعی سلول میانی به نام مزانشیم برجستگی فک پایین (mdEM) می‌شود. تحلیل‌های دقیق و تیمارهای بعدی نشان داد که این سلول‌ها از لحاظ ویژگی‌های جنینی، مشابه mdEM‌های طبیعی هستند و قابلیت تمایز به بافت‌های پیشرفته‌تر را دارند.

شیوه مطالعاتی

در گام بعدی، پژوهشگران این سلول‌های mdEM مشتق‌شده از iPS را در شرایط القاکننده استخوان قرار دادند و توده‌های سفید و معدنی‌شده‌ای به دست آوردند که دارای نشانگرها و ویژگی‌های بافت استخوانی بودند. این یافته حاکی از تولید موفق ارگانوئیدهایی مشابه استخوان فک بود. با فرض اینکه این ارگانوئیدها نمایانگر مراحل اولیه رشد فک پیش از تشکیل رگ‌های خونی هستند، آن‌ها را در زیر کپسول‌های کلیه موش‌های فاقد سیستم ایمنی (برای جلوگیری از رد پیوند) کاشتند. در نتیجه، بافت‌های استخوانی معدنی‌شده و عروقی‌شده به‌خوبی شکل گرفتند. برای بررسی توان بازسازی این ارگانوئیدها، آن‌ها در نقص‌های ساختگی استخوان فک پایین در همان نوع موش‌ها پیوند زده شدند.

نتایج کسب شده از مطالعه

اگرچه تراکم بافت معدنی به اندازه پیوند مستقیم استخوان نبود، حیواناتی که ارگانوئید دریافت کرده بودند، افزایش مشابهی در بافت استخوانی معدنی‌شده نشان دادند. این بافت‌ها شباهت زیادی به استخوان بالغ داشته و دارای رگ‌های خونی بودند. این نتایج نشان می‌دهد که ارگانوئیدهای شبیه فک می‌توانند در بازسازی استخوان پس از پیوند مؤثر باشند. از آنجا که تیم تحقیقاتی NCCها را با استفاده از سلول‌های iPS بیماران مبتلا به OI که دارای جهش غالب در ژن COL1A1 بودند نیز تولید کرده بود، تصمیم گرفتند با استفاده از این سلول‌ها و نسخه‌های اصلاح ژنتیکی‌شده آن‌ها، مدل بیماری OI را نیز بررسی کنند. پس از چند روز القای تشکیل استخوان از سلول‌های mdEM دارای جهش COL1A1، ترشح کلاژن غیرطبیعی مشاهده شد. تحلیل بیان ژن نشان داد که ژن COL1A1 و چندین نشانگر سلول‌های استخوان‌ساز به‌طور قابل توجهی در ارگانوئیدهای فک مشتق‌شده از iPS بیماران OI کاهش یافته است. بررسی‌های بافت‌شناسی و ریخت‌شناسی نیز نشان دادند که ماتریس‌های استخوانی نابالغ و سلول‌های غیرطبیعی استخوان‌ساز در این ارگانوئیدها وجود دارند.

تولید ارگانوئیدهایی شبیه به استخوان فک

در مقابل، تمام این ویژگی‌های پاتولوژیک در ارگانوئیدهای اصلاح‌شده ژنتیکی‌شده بهبود یافته بودند. در نهایت، برای بررسی پتانسیل تشکیل استخوان در محیط درون‌زنده، ارگانوئیدهای جهش‌یافته و اصلاح‌شده در زیر کپسول کلیوی موش‌ها کاشته شدند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، ارگانوئیدهای دارای جهش منجر به تشکیل استخوان کمتر و با ویژگی‌های مشابه استخوان بیماران OI شدند. همچنین، سلول‌های استخوان‌ساز جهش‌یافته افزایش مرگ سلولی و ساختار نامنظم استخوان را نشان دادند. با این تلاش، تیم تحقیقاتی موفق به تولید ارگانوئیدهایی شبیه به استخوان فک شد که پیشرفت بنیادی در زمینه تحقیقاتی مربوط به رشد جنینی فک انسان، فیزیولوژی بیماری و توسعه درمان‌ها محسوب می‌شود.

پایان مطلب/.