به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، قشر مغز یکی از پیچیده‌ترین ساختارهای مغز است که در فرایندهایی مانند پردازش اطلاعات حسی، کنترل حرکات، یادگیری و عملکردهای شناختی نقش دارد. شکل‌گیری این بخش از مغز در دوران جنینی طی یک برنامه دقیق و مرحله‌به‌مرحله انجام می‌شود. سلول‌های بنیادی عصبی ابتدا تکثیر می‌شوند و سپس در زمان مشخصی به انواع مختلف نورون‌ها و سلول‌های گلیال تبدیل می‌شوند. پژوهشگران سال‌ها تلاش کرده‌اند این فرایند را در آزمایشگاه بازسازی کنند. ارگانوئیدهای مغزی یکی از موفق‌ترین ابزارهایی هستند که برای این هدف توسعه یافته‌اند. این ساختارهای سه‌بعدی از سلول‌های بنیادی ساخته می‌شوند و می‌توانند برخی ویژگی‌های مغز در حال رشد را تقلید کنند. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، هنوز مشخص نبود که آیا سلول‌های موجود در ارگانوئید دقیقاً همان برنامه زمانی مغز واقعی را دنبال می‌کنند یا خیر. مطالعه جدید به این سؤال پاسخ داده است. پژوهشگران با ساخت ارگانوئیدهای قشری از سلول‌های بنیادی جنینی موش و مقایسه آنها با مغز واقعی موش، دریافتند که هر دو سیستم بسیاری از انواع سلولی و برنامه‌های مولکولی مشابهی ایجاد می‌کنند، اما زمان‌بندی پیشرفت سلول‌های پیش‌ساز در ارگانوئید با مغز طبیعی یکسان نیست. این یافته نه‌تنها محدودیت ارگانوئیدها را نشان می‌دهد، بلکه یک ابزار جدید برای بهبود مدل‌های آزمایشگاهی مغز فراهم می‌کند.

تاریخچه

مطالعه ارگانوئیدهای مغزی با پیشرفت فناوری سلول‌های بنیادی پرتوان آغاز شد. پژوهشگران دریافتند که سلول‌های بنیادی می‌توانند در شرایط مناسب به سلول‌های عصبی تبدیل شوند و حتی در محیط سه‌بعدی ساختارهایی مشابه بخش‌هایی از مغز ایجاد کنند. یکی از نقاط عطف این حوزه، توسعه ارگانوئیدهای مغزی انسانی بود که توانستند برخی مراحل رشد قشر مغز را در خارج از بدن بازسازی کنند. این مدل‌ها بعداً برای مطالعه بیماری‌هایی مانند میکروسفالی، اختلالات رشد عصبی و بیماری‌های نورودژنراتیو مورد استفاده قرار گرفتند.با افزایش استفاده از ارگانوئیدها، یک سؤال اساسی مطرح شد: این مدل‌ها تا چه اندازه واقعاً شبیه مغز طبیعی هستند؟ مقایسه دقیق ارگانوئید با بافت واقعی به دلیل پیچیدگی رشد مغز دشوار است. بسیاری از مطالعات فقط تعداد انواع سلولی یا فعالیت برخی ژن‌ها را بررسی می‌کردند. اما مطالعه جدید رویکرد متفاوتی در پیش گرفته است. در این پژوهش، نه‌تنها سلول‌های موجود در ارگانوئید بررسی شدند، بلکه مسیر رشد و زمان‌بندی تغییرات سلولی نیز با مغز واقعی مقایسه شد.

شیوه مطالعاتی

پژوهشگران از سلول‌های بنیادی جنینی موش برای تولید ارگانوئیدهای قشری استفاده کردند. این سلول‌ها در شرایط کنترل‌شده قرار گرفتند تا به سلول‌های پیش‌ساز عصبی و سپس سلول‌های تشکیل‌دهنده قشر مغز تبدیل شوند. ارگانوئیدهای حاصل در مراحل مختلف رشد بررسی شدند. هم‌زمان، مغز موش در مراحل مشابه رشد جنینی نیز مورد مطالعه قرار گرفت. یکی از مهم‌ترین فناوری‌های استفاده‌شده، توالی‌یابی تک‌سلولی بود. در این روش، ویژگی‌های مولکولی هر سلول به‌صورت جداگانه بررسی می‌شود. این فناوری به پژوهشگران اجازه می‌دهد مجموعه سلول‌های موجود در یک بافت را شناسایی کنند و مشخص کنند هر سلول در چه مرحله‌ای از رشد قرار دارد. با استفاده از این روش، پژوهشگران توانستند مشخص کنند که آیا سلول‌های موجود در ارگانوئید همان جمعیت‌های سلولی موجود در قشر مغز واقعی را تشکیل می‌دهند یا خیر. روش دیگری که در مطالعه مورد استفاده قرار گرفت، ردیابی سرنوشت سلول‌ها بود. پژوهشگران توانستند سلول‌های پیش‌ساز را در طول تقسیم و تمایز دنبال کنند و بررسی کنند که هر جمعیت سلولی در نهایت به چه نوع سلول‌هایی تبدیل می‌شود. این موضوع اهمیت زیادی داشت، زیرا ممکن است دو بافت در یک زمان مشخص تعداد مشابهی از نورون‌ها داشته باشند، اما مسیر رسیدن آنها به آن نقطه کاملاً متفاوت باشد.

نتایج

نتایج نشان داد که ارگانوئیدهای قشری توانایی قابل توجهی در بازسازی برنامه کلی رشد قشر مغز دارند. در ارگانوئیدها جمعیت‌هایی از سلول‌های پیش‌ساز عصبی، نورون‌ها و سلول‌های گلیال ایجاد شدند. بسیاری از برنامه‌های مولکولی فعال در این سلول‌ها با برنامه‌های مشاهده‌شده در مغز طبیعی شباهت داشتند. این یافته نشان می‌دهد که سلول‌های بنیادی می‌توانند بدون قرار گرفتن در بدن یک موجود زنده، بخش قابل توجهی از برنامه رشد عصبی را اجرا کنند. اما تفاوت مهمی نیز مشاهده شد. زمان‌بندی پیشرفت سلول‌های پیش‌ساز در ارگانوئید دقیقاً مانند مغز واقعی نبود. در مغز طبیعی، سلول‌های پیش‌ساز شعاعی مسیر مشخصی را طی می‌کنند. آنها ابتدا به تکثیر جمعیت سلولی کمک می‌کنند و سپس به تدریج وارد مسیر تولید نورون و دیگر سلول‌های عصبی می‌شوند. در ارگانوئید، این برنامه زمانی انعطاف‌پذیرتر بود. در نتیجه، برخی از دودمان‌های سلولی نسبت به مغز طبیعی مسیر متفاوتی را طی کردند. این یافته می‌تواند توضیح دهد که چرا برخی ارگانوئیدها، با وجود داشتن سلول‌های مشابه مغز، از نظر سازمان و بلوغ کامل با بافت طبیعی تفاوت دارند. یکی از احتمال‌های مطرح‌شده این است که سلول‌های موجود در مغز طبیعی سیگنال‌های بسیار زیادی از محیط اطراف خود دریافت می‌کنند. سلول‌های دیگر، ماتریکس خارج سلولی، عوامل رشد و سایر اجزای ریزمحیط می‌توانند بر زمان‌بندی تکثیر و تمایز سلول‌ها تأثیر بگذارند.

دستاورد

دستاورد اصلی این پژوهش، ایجاد یک چارچوب دقیق برای ارزیابی کیفیت ارگانوئیدهای قشری است. تا پیش از این، وقتی پژوهشگران می‌گفتند یک ارگانوئید شبیه قشر مغز است، معمولاً به وجود انواع مشخصی از نورون‌ها یا الگوهای ژنتیکی مشابه اشاره می‌کردند.اما مطالعه جدید نشان می‌دهد که باید عامل دیگری نیز بررسی شود: این موضوع برای تحقیقات بیماری‌های مغزی اهمیت زیادی دارد. بسیاری از اختلالات عصبی در دوران جنینی یا اوایل رشد ایجاد می‌شوند. اگر پژوهشگر بخواهد این بیماری‌ها را در آزمایشگاه مطالعه کند، باید مدلی داشته باشد که نه‌تنها سلول‌های مشابه، بلکه روند رشد مشابهی نیز داشته باشد.ارگانوئیدهای جدید می‌توانند چنین امکانی را فراهم کنند.برای مثال، اگر یک جهش ژنتیکی باعث شود سلول‌های پیش‌ساز عصبی زودتر از زمان طبیعی تمایز پیدا کنند، پژوهشگر می‌تواند این تغییر را در ارگانوئید مشاهده کند و آن را با نمونه سالم مقایسه کند.همچنین می‌توان داروها یا عوامل رشد را در مراحل مشخص به ارگانوئید اضافه کرد و بررسی کرد که آیا می‌توان زمان‌بندی طبیعی رشد را اصلاح کرد یا خیر.

گام بعدی مطالعه

یکی از مهم‌ترین مسیرهای آینده، بهبود محیط رشد ارگانوئید است. اگر نبودن برخی سیگنال‌های طبیعی باعث تفاوت در زمان‌بندی رشد می‌شود، می‌توان تلاش کرد این سیگنال‌ها را به شکل کنترل‌شده به مدل اضافه کرد.افزودن سلول‌های گلیال، سلول‌های عروقی و سایر اجزای ریزمحیط مغز می‌تواند یکی از راه‌های نزدیک‌تر کردن ارگانوئید به بافت واقعی باشد.همچنین استفاده از سلول‌های بنیادی انسانی اهمیت زیادی دارد. مغز انسان از نظر رشد، اندازه، سازمان‌دهی و زمان‌بندی با مغز موش تفاوت‌های قابل توجهی دارد. بنابراین مرحله بعدی باید بررسی این باشد که آیا همین تفاوت زمانی در ارگانوئیدهای انسانی نیز وجود دارد یا خیر.پژوهشگران می‌توانند در آینده از سلول‌های افراد مبتلا به بیماری‌های مختلف استفاده کنند و ارگانوئیدهای سالم و بیمار را در مراحل مختلف رشد با یکدیگر مقایسه کنند.این کار می‌تواند برای مطالعه اختلالاتی مانند میکروسفالی، ماکروسفالی، اوتیسم و سایر اختلالات تکاملی عصبی اهمیت داشته باشد.ارزش واقعی این فناوری در فراهم کردن یک مدل قابل کنترل و قابل مشاهده برای مطالعه فرایندهایی است که در مغز زنده دسترسی به آنها بسیار دشوار است.مطالعه جدید در نهایت یک پیام مهم برای آینده علوم سلول بنیادی دارد: ساخت ارگانوئید بهتر فقط به معنای افزایش اندازه یا پیچیدگی آن نیست. یک ارگانوئید خوب باید بتواند روند رشد بافت طبیعی را نیز با دقت بیشتری بازسازی کند.اگر پژوهشگران بتوانند زمان‌بندی رشد سلول‌های بنیادی عصبی را کنترل کنند و محیط اطراف آنها را به شرایط طبیعی نزدیک‌تر سازند، نسل آینده ارگانوئیدهای مغزی می‌تواند به مدل‌های بسیار قدرتمندتری برای مطالعه بیماری و آزمایش درمان تبدیل شود.به این ترتیب، ساخت قشر مغز در آزمایشگاه را نباید صرفاً یک موفقیت در تولید یک ساختار سه‌بعدی دانست. اهمیت واقعی این دستاورد در آن است که دانشمندان اکنون ابزار دقیق‌تری برای مشاهده لحظه‌به‌لحظه تصمیم‌گیری سلول‌های بنیادی در مسیر ساخت مغز در اختیار دارند؛ دانشی که می‌تواند در سال‌های آینده به درک بهتر بیماری‌های عصبی و توسعه درمان‌های هدفمند کمک کند.

پایان مطالب/.