به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، در پژوهشی تازه تیمی از محققان یک مدل سه‌بعدی از بافت مزودرم (لایه میانی جنینی) را با استفاده از سلول‌های بنیادی موش ساختند. مدلی که نه‌تنها به سلول‌ها امکان تمایز به افراد مختلف را می‌دهد، بلکه نشان می‌دهد چگونه مراکز سیگنال‌دهی خاص می‌توانند سرنوشت سلولی و آرایش فضایی بافت را به‌طور همزمان هدایت کنند.

ساخت مدلی برای بازسازی مراحل اولیه تشکیل اندام

در این کار پژوهشی، سلول‌های بنیادی جنینی موش ابتدا در شرایط کشت و در محیط دو بعدی (۲D) قرار گرفتند و به شکل خوشه‌های ناهمگن خود-سازمان‌دهنده درآمدند. سپس این خوشه‌ها جمع شدند تا ساختار سه‌بعدی تشکیل دهند. ساختاری که با برخی ویژگی‌های جوانه اندامی شباهت دارد. محققان این ساختار را budoids  نامیده‌اند. در این budoids، ترکیبی از انواع سلول‌ها از جمله سلول‌هایی با ویژگی‌های مرکز سیگنال‌دهی (مشابه ridge اپیکال–اپیدرمیک یا AER)، سلول‌های اپیتلیال سطحی و سلول‌های مزودرم وجود دارد. آنچه این مدل را ویژه می‌سازد، توانایی آن در بازسازی روند طبیعی تمایز و سازماندهی بافت است. فرایندی که در جنین زنده رخ می‌دهد و تا پیش از این در آزمایشگاه به‌سادگی قابل درک نبود.   budoids   در آزمایش‌ها به شکلی خودبه‌خود شروع به شکستن تقارن کردند و طولانی شدن و شکل‌گیری ساختارهایی شبیه غضروف را نشان دادند.

نقش مراکز سیگنال‌دهی در سرنوشت سلول و نقشه فضایی بافت

مهم‌ترین یافته این پژوهش آن است که سلول‌های شبیه AER یعنی همان مراکز سیگنال‌دهی اپیتلیال  قادرند به‌طور همزمان سرنوشت مزودرم را تعیین کنند و روند سازماندهی فضایی بافت را شکل دهند. به بیانی دیگر، این سلول‌ها نه فقط سیگنال دهنده، بلکه معمار بافت‌اند. آن‌ها با ترشح مولکول‌های پیام‌رسان (مرفوژن‌ها) تنظیم می‌کنند کدام سلول‌ها مزودرم یا فیبروبلاست شوند، و در عین حال الگوی قطبش بافتی را به‌گونه‌ای تنظیم می‌کنند که ساختارهای دورتر  مثل غضروف  در جای مناسب شکل بگیرند. به عبارت دیگر، این مطالعه نشان می‌دهد که مراکز سیگنال‌دهی چنان نقش مهمی دارند که می‌توانند هم هویت سلولی و هم توپولوژی بافت را طراحی کنند.

نوآوری‌

• -budoids  بر پایه سلول‌های بنیادی ساخته شده‌اند  یعنی برخلاف بافت طبیعی جنینی، می‌توان آن‌ها را تحت کنترل بسیار بالا تولید و دستکاری کرد. این یعنی امکان مطالعه دقیق فرایندهای تشکیل اندام در محیط آزمایشگاهی.
• -با استفاده از تکنیک‌های تجزیه و تحلیل فضایی + تک‌سلولی (spatial + single-cell profiling) محققان توانستند هویت سلولی و چیدمان فضایی را با دقت بالا رصد کنند.
• -نتیجه این است که مشخص شد مراکز سیگنال‌دهی (مثل AER) نه تنها برنامه سلولی را تعیین می‌کنند، بلکه سازمان سه‌بعدی بافت را نیز به شکلی فعال شکل می‌دهند؛ چیزی که تا پیش از این بیشتر به‌صورت نظری مطرح بود.
•  

زیست‌شناسی سازمان‌یافته

این یافته در چارچوب گسترده‌تر پیشرفت‌های فناوری (organoid) قابل درک است. حوزه‌ای که مدل‌های سه‌بعدی از بافت یا ارگان‌ها را با سلول‌های بنیادی بازسازی می‌کند. این فناوری اجازه می‌دهد پژوهشگران روند تکوین اندام، بازسازی بافت یا حتی بیماری‌های ژنتیکی را در محیط کنترل‌شده مطالعه کنند.

 در گذشته پژوهشی نشان داده بود که با ایجاد مراکز سیگنال‌دهی مصنوعی  مثلاً با انتشار مرفوژن در الگوهای کنترل‌شده می‌توان تمایز فضایی و قطعی‌سازی سرنوشت سلولی را در کشت سلول‌های بنیادی انسانی شکل داد.
اما مدلی مثل budoids مزیت عمده دارد: ترکیب طبیعی‌تر انواع سلول‌ها + خود-سازمان‌دهی + ساختار سه‌بعدی.  یعنی شبیه‌ترین چیز به جنین واقعی در محیط آزمایشگاهی. نتیجه این ترکیب، درک عمیق‌تر و واقعی‌تر از چگونگی تشکیل اندام است.

پیچیدگی سیستم‌های سیگنالی و چالش در بازسازی دقیق

با این حال، بازسازی دقیق ماده زنده به این سادگی نیست. سیستم‌های سیگنال‌دهی در بافت زنده بسیار پیچیده‌اند: مولفه‌های بیوشیمیایی (مرفوژن‌ها)، نیروهای مکانیکی، تغییرات ژنتیکی و اپی‌ژنتیکی  همه با هم هم‌افزا عمل می‌کنند. مثلاً پژوهشی دیگر نشان داده است که اثرات مکانیکی و نیروهای سلولی (mechanotransduction) نقش مهمی در تعیین سرنوشت سلولی دارند: نیروی مکانیکی، ساختار سیتواسکلتون و تماس سلولی می‌توانند روی مسیرهای سیگنال‌دهی (مانند YAP/TAZ) تأثیر بگذارند و نتیجه نهایی را تغییر دهند.  از این رو، حتی مدل‌هایی مثلbudoids هم نمی‌توانند تمام پیچیدگی تکوین واقعی را شبیه‌سازی کنند. تفاوت‌ها در ترکیب ماتریکس محیط کشت، تراکم سلولی، هندسه بافت و سیگنال‌های جانبی می‌توانند به نتایج متفاوتی منجر شوند. این یعنی دستکاری دقیق شرایط کشت، نوع و غلظت سیگنال و محیط فیزیکی اهمیتی حیاتی دارد.

کاربردهای تجربی تازه در مدل‌سازی ناهنجاری‌های رشدی

یکی از ظرفیت‌های کمتر اشاره‌شده اما بسیار کلیدی این مدل‌ها، امکان استفاده از آن‌ها برای بررسی ناهنجاری‌های رشدی و بیماری‌های مادرزادی است. به‌ویژه مواردی که منشأ آن‌ها مرتبط با اختلال در سیگنال‌دهی و تفکیک لایه‌های جنینی است. در ارگانوئید‌های مزودرمی می‌توان مسیرهای مولکولی خاص را مهار یا تقویت کرد و مشاهده نمود که چگونه تغییرات کوچک در بیان ژن یا شدت مرفوژن‌ها باعث انحراف بافت از مسیر طبیعی تکوین می‌شود. این ویژگی به پژوهشگران اجازه می‌دهد مکانیسم‌های پشت نقص‌های اسکلتی‌عضلانی، اختلال در تشکیل غضروف، یا بی‌نظمی در الگوهای مورفوژنتیک را به شکلی تجربی مدل کنند، بدون نیاز به نمونه‌برداری خطرناک از جنین واقعی. از سوی دیگر، امکان غربالگری دارویی یا ژن‌درمانی در همین مدل‌های آزمایشگاهی وجود دارد؛ یعنی می‌توان پیش از رسیدن به مرحله حیوانی یا بالینی، اثر ترکیبات مختلف را بر رشد ساختار سه‌بعدی ارزیابی کرد. این روش، هم سرعت توسعه روش‌های درمانی را افزایش می‌دهد و هم هزینه و مخاطرات اخلاقی تحقیقات زنده را کاهش می‌دهد. به‌علاوه، قابلیت تکرارپذیری بالا و کنترل‌پذیری شرایط محیطی به این ارگانوئیدها جایگاهی ویژه می‌دهد تا به عنوان پلتفرمی برای کشف رویدادهای ناشناخته زیستی مورد استفاده قرار گیرند. با این حال، پتانسیلbudoids برای پزشکی بازساختی و مطالعات بنیادی بسیار بالا است. این مدل می‌تواند به عنوان پلتفرمی برای بررسی چگونگی تشکیل غضروف، بافت استخوان یا اندام در شرایط طبیعی یا بیماری مورد استفاده قرار گیرد؛ مثلاً برای مطالعه نقص‌های تکوینی، بازسازی بافت پس از آسیب، یا حتی تولید بافت برای پیوند. همچنین این مدل می‌تواند به ما کمک کند ارتباط میان سیگنال‌دهی اپیتلیال و مزودرم را بفهمیم — مسأله‌ای که در بازسازی بافت و رشد اندام مصنوعی یا شبه‌طبیعی حیاتی است. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که برای درک واقعی شکل‌گیری اندام، لازم است فراتر از بررسی سلول منفرد برویم و سازمان و تعامل‌های فضایی سلول‌ها را مد نظر قرار دهیم. بافت، نتیجه تعامل چند بعدی بین سرنوشت سلولی، سیگنال‌دهی، و چیدمان فضایی است — چیزی که مدل‌هایی مثلbudoids به ما امکان می‌دهند آن را به‌صورت قابل مشاهده تحلیل کنیم. در نتیجه این مدل‌ها می‌توانند به سنگ بنای نسل بعدی تحقیقات در زمینه رشد اندام، بازسازی بافت و حتی پزشکی ترمیمی تبدیل شوند.

پایان مطلب./