به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان دانشگاه جان هاپکینز یک ارگانوئید جدید «تمام‌مغزی» رشد داده‌اند که شامل بافت‌های عصبی و رگ‌های خونی ابتدایی است و پیشرفتی است که می‌تواند عصر جدیدی را در تحقیقات مربوط به اختلالات روان‌عصبی مانند اوتیسم رقم بزند.

بیماری‌های عصبی

بیماری‌های عصبی از بزرگ‌ترین چالش‌های جهان کنونی هستند، زیرا بیش از یک میلیارد نفر در سراسر جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهند. به ویژه در اختلالات نورودولپمنتال (عصبی-تکاملی)، برآورد شده است که در سال ۲۰۱۹، حدود ۳۱۷ میلیون کودک در سراسر جهان از ناتوانی‌های رشد رنج می‌بردند، که این مسئله بار اجتماعی و اقتصادی سنگینی بر خانواده‌ها و سیستم‌های مراقبت سلامت وارد می‌کند. پلتفرم‌های جدید ارگانوئیدهای مغزی (brain assembloids) به گونه‌ای توسعه یافته‌اند که امکان ترکیب ارگانوئیدهای قشر مغز، مغز میانی و مغز خلفی را فراهم می‌کنند و این موضوع آنها را یک قدم به ساخت مدل کاملی از توسعه مغز انسان نزدیک‌تر می‌کند. با این حال، دو مشکل اساسی هنوز باقی است  مشکل اول:) اگرچه پژوهشگران سلول‌های اندوتلیال ایزوله را با ارگانوئیدهای قشر مغز ترکیب کرده‌اند، اما ترکیب سیستم اندوتلیال با چندین منطقه مغزی به طور همزمان هنوز بررسی نشده است. مشکل دوم) در حال حاضر، از سلول‌های اندوتلیال ورید نافی انسان (HUVECs) استفاده می‌شود، در حالی که ارگانوئیدهای اندوتلیال که شامل چندین نوع سلول مانند پیش‌سازهای عروقی، اندوتلیال‌های بالغ، پری‌سیت‌ها، سلول‌های در حال تکثیر و سلول‌های استرومال هستند، می‌توانند محیط طبیعی عروق عصبی را بهتر شبیه‌سازی کنند.

ارگانوئیدهای مغزی چندمنطقه‌ای (MRBOs)

مطالعات اخیر نشان داده‌اند که سلول‌های اندوتلیال‌مانند CD31⁺ می‌توانند در ارگانوئیدهای مغزی با استفاده از پلتفرم‌های مهندسی شده مانند بیوراکتورها و سیستم‌های میکروفلوئیدیک که فشار برشی کم اعمال می‌کنند، ظاهر شوند. در حالی که این روش‌ها نقش عوامل بیومکانیکی در تمایز عروقی را نشان می‌دهند، اما محدود به مدل‌های تک‌منطقه‌ای بوده و سیستم‌های اندوتلیال چندسلولی نمایانگر محیط عروقی-عصبی واقعی را در بر نمی‌گیرند. در توسعه جنینی انسان، سیستم‌های اندوتلیال و عصبی به طور همزمان رشد می‌کنند و این دو سیستم توسط چندین حلقه بازخورد به هم متصل هستند که الگوی‌بندی منطقه‌ای را تنظیم می‌کنند. توجه به این تعاملات برای ساخت مدل‌های اختلالات نورودولپمنتال در مناطق مختلف مغز اهمیت دارد. با این حال، مطالعات قبلی که شامل سلول‌های اندوتلیال بودند عمدتاً بر عروقی شدن ارگانوئیدهای قشر مغز تمرکز داشتند و نقش عوامل تولیدشده توسط اندوتلیوم در توسعه سایر مناطق مغز را به طور همزمان نادیده گرفتند. برای پاسخ به این خلأهای اساسی، ما ارگانوئیدهای مغزی چندمنطقه‌ای (MRBOs) را توسعه داده‌ایم؛ پلتفرمی که جنبه‌های کلیدی توسعه مغز جنینی انسان را با ترکیب ارگانوئیدهای قشر مغز، مغز میانی-خلفی و ارگانوئیدهای اندوتلیال در یک ساختار یکپارچه بازسازی می‌کند. داده‌های ما نشان می‌دهد که این ارگانوئیدهای منطقه‌ای پروفایل‌های رونویسی متمایزی دارند که به شدت با هویت منطقه‌ای مغز جنین انسان همخوانی دارند.

مدل‌سازی تکوین مغز و آسیب‌شناسی مغز جنینی

این نسل جدید ارگانوئیدهای مغزی است که پیشرفت بزرگی در مدل‌سازی تکوین مغز و آسیب‌شناسی مغز جنینی محسوب می‌شود. با داشتن سه منطقه اصلی مغز و سیستم اندوتلیال، MRBOها امکان تحلیل عملکرد پیچیده مغز انسان در طول زمان را فراهم می‌کنند. این پلتفرم به ویژه برای بررسی تأثیر عوامل محیطی، ژنتیکی و درمان‌ها بر فرآیندهای نورودولپمنتال در مناطق مختلف مغز اهمیت دارد. چنین تحلیل‌هایی برای درک مکانیزم‌های زیربنایی اختلالات نورودولپمنتال مانند اختلال طیف اوتیسم، اختلال دوقطبی و اسکیزوفرنی حیاتی هستند، جایی که قطع ارتباط منطقه‌ای ویژگی کلیدی است که در طول زندگی افراد تأثیر منفی می‌گذارد.

درباره مطالعه

«ما نسل بعدی ارگانوئیدهای مغزی را ساخته‌ایم»، گفت آنی کاتوری، استاد کمک‌یار دپارتمان مهندسی زیستی دانشگاه جان هاپکینز و نویسنده ارشد این مطالعه که به توسعه مغز و اختلالات روان‌عصبی می‌پردازد. «اکثر ارگانوئیدهای مغزی که در مقالات می‌بینید مربوط به یک ناحیه خاص مغز مثل قشر مغز یا مغز میانی هستند. ما یک ارگانوئید ابتدایی تمام‌مغزی رشد داده‌ایم که آن را ارگانوئید مغزی چندمنطقه‌ای (MRBO) می‌نامیم.» این تحقیق که در مجله Advanced Science منتشر شده است، یکی از نخستین نمونه‌هایی است که دانشمندان توانسته‌اند ارگانوئیدی شامل بافت‌های همه مناطق مغز را که به هم متصل و به صورت شبکه‌ای عمل می‌کنند، ایجاد کنند. داشتن مدلی انسانی بر اساس سلول‌های مغزی، امکان مطالعه بیماری‌های عصبی مانند اسکیزوفرنی، اوتیسم و سایر بیماری‌های مغزی که کل مغز را تحت تاثیر قرار می‌دهند، فراهم می‌آورد. کاری که معمولاً روی مدل‌های حیوانی انجام می‌شود.

شیوه تحقیقاتی و نتایج کسب شده از مطالعه

برای ساخت این ارگانوئید تمام‌مغزی، کاتوری و تیمش ابتدا سلول‌های عصبی مربوط به مناطق مختلف مغز و رگ‌های خونی ابتدایی را به صورت جداگانه رشد دادند. سپس با استفاده از پروتئین‌های چسبناک که حکم چسب زیستی را دارند، این بخش‌ها را به هم متصل کردند و اجازه دادند بافت‌ها به هم پیوند خورده و ارتباط برقرار کنند. وقتی بافت‌ها به هم متصل شدند، شروع به تولید فعالیت الکتریکی کرده و به صورت شبکه‌ای پاسخ دادند. ارگانوئید مغزی چندمنطقه‌ای دارای انواع گسترده‌ای از سلول‌های عصبی بود که شبیه مغز جنین 40 روزه انسان بود. تقریباً 80٪ از انواع سلول‌هایی که در مراحل اولیه رشد مغز انسان دیده می‌شود، در این ارگانوئیدها نیز بیان شده بود. این ارگانوئیدها بسیار کوچک‌تر از مغز واقعی هستند، با حدود 6 تا 7 میلیون نورون در مقابل ده‌ها میلیارد نورون در مغز بزرگسالان، اما پلتفرمی منحصربه‌فرد برای مطالعه رشد کامل مغز فراهم می‌کنند. محققان همچنین تشکیل اولیه سد خونی-مغزی را مشاهده کردند؛ لایه‌ای از سلول‌ها که مغز را احاطه کرده و کنترل می‌کند چه مولکول‌هایی می‌توانند عبور کنند.

کاربردهای ارگانوئیدهای تمام‌مغزی

کاتوری گفت: «برای درک اختلالات نورودولپمنتال یا روان‌عصبی باید مدل‌هایی با سلول‌های انسانی داشته باشیم، اما من نمی‌توانم از یک فرد بخواهم که اجازه دهد مغزش را برای مطالعه اوتیسم بررسی کنم. ارگانوئیدهای تمام‌مغزی به ما اجازه می‌دهند بیماری‌ها را در زمان واقعی مشاهده کنیم، ببینیم آیا درمان‌ها کار می‌کنند یا نه و حتی درمان‌ها را متناسب با هر بیمار تنظیم کنیم.» استفاده از این ارگانوئیدهای تمام‌مغزی برای آزمایش داروهای آزمایشی ممکن است موفقیت آزمایش‌های بالینی را بهبود بخشد. حدود 85 تا 90 درصد داروها در مرحله اول آزمایش‌های بالینی شکست می‌خورند و برای داروهای روان‌عصبی این میزان به 96 درصد می‌رسد، زیرا در مراحل اولیه توسعه دارو عمدتاً از مدل‌های حیوانی استفاده می‌شود. ارگانوئیدهای تمام‌مغزی به شکل طبیعی‌تری رشد مغز انسان را شبیه‌سازی می‌کنند و احتمالاً مدل‌های بهتری برای آزمایش هستند. کاتوری افزود: «بیماری‌هایی مانند اسکیزوفرنی، اوتیسم و آلزایمر کل مغز را تحت تأثیر قرار می‌دهند، نه فقط یک بخش از مغز. اگر بتوانیم بفهمیم در مراحل اولیه رشد چه اتفاقی می‌افتد، شاید بتوانیم اهداف جدیدی برای آزمایش دارویی پیدا کنیم. می‌توانیم داروها یا درمان‌های جدید را روی ارگانوئیدها آزمایش کنیم و ببینیم آیا تأثیری دارند یا نه.»

پایان مطلب/.