به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، رشد جنین یک مرحله حیاتی و جذاب در چرخه زندگی بسیاری از موجودات است. علیرغم دهه‌ها تحقیق، مراحل اولیه جنین‌زایی پستانداران هنوز به خوبی درک نشده است، که ناشی از کمبود داده‌های مکانی و زمانی با وضوح بالا، استفاده از تنها چند موجودات مدل، و کمبود رویکردهای واقعا چند رشته‌ای است که تحقیقات بیولوژیکی را با هم ترکیب می‌کند. مدل سازی بیوفیزیکی و شبیه سازی محاسباتی در اینجا، چهارچوب‌های نظری و فرآیندهای بیوفیزیکی را که برای مدل‌سازی جنین پستانداران اولیه مناسب‌تر هستند، توضیح می‌دهد.
مروری بر رشد اولیه جنین
اگرچه بسیاری از جنبه‌های رشد بلاستوسیست به طور گسترده در بین پستانداران حفظ می‌شود، تفاوت‌های مهمی بین گونه‌ها وجود دارد. تا کنون مدل‌های موشی در توسعه این ناحیه بسیار مؤثر بوده‌اند و تا کنون رایج‌ترین مدل مورد استفاده در تحقیقات بلاستوسیست هستند. بلاستوسیست از یک لایه تروفکتودرم خارجی (که بعداً به جفت تبدیل می‌شود)، توده سلولی داخلی (ICM) و یک حفره پر از مایع به نام بلاستوکول تشکیل شده است. خود ICM به دو اصل تقسیم می‌شود: اپی بلاست که جنین مناسب را ایجاد می‌کند و اندودرم اولیه که کیسه زرده را تشکیل می‌دهد. اندودرم ابتدایی هیپوبلاست نیز نامیده می‌شود. در همان زمان، تروفوبلاست بالغ می‌شود تا واسطه لانه گزینی در رحم شود.
جنین زایی با ادغام تخمک و اسپرم آغاز می‌شود. تخمک بارور شده ابتدا چندین دور شکافته به سلول‌هایی به نام بلاستومر می‌شود. بر خلاف تقسیم سلولی معمولی، برش با رشد بعدی سلول همراه نیست، به طوری که هر رخداد برشی سلول‌های کوچک‌تر و کوچک‌تری با جرم و حجم کل سلول تقریباً برابر با تخمک اصلی تولید می‌کند. توده سلول‌ها، که در این مرحله به عنوان مورولا شناخته می‌شوند، توسط زونا شفاف (ZP) احاطه شده‌اند، یک لایه قندی که محدودیت‌هایی را برای موقعیت بلاستومری ایجاد می‌کند.
رویکردهای مدل سازی ممکن
این بخش چارچوب‌های احتمالی برای مدل‌سازی توسعه بلاستوسیست پستانداران را مورد بحث قرار می‌دهد، مدل‌های موجود و سایر چارچوب‌هایی را که ما معتقدیم در آینده مفید خواهند بود را پوشش می‌دهد. 
تفاوت بین گونه‌ها به این معنی است که بعید است یک مدل واحد برای همه پستانداران کار کند. با این حال، ما انتظار داریم که نیروهای بیوفیزیکی زیربنایی مرتبط باقی بمانند، حتی اگر منشا و بزرگی آن‌ها متفاوت باشد. این بدان معناست که یک چارچوب مدل‌سازی مشخص ممکن است در بین پستانداران اعمال شود، اما با پارامترهای مختلف برای هر موجود زنده.
مدل‌های تراکم سلولی
مدل‌های چگالی سلولی سلول‌های منفرد را توصیف نمی‌کنند، اما بر روی چگالی سلولی ρ(x,t) در موقعیت x و زمان t تمرکز می‌کنند. انواع سلول‌های مختلف را می‌توان از طریق زمینه‌های مختلف شامل شد، به‌عنوان مثال، سلول‌های اپی بلاست و آندودرم اولیه که هر کدام چگالی خاص خود را دارند. این رویکرد به طور طبیعی خود را به سیستمی از معادلات دیفرانسیل (معمولا معادلات دیفرانسیل جزئی)، با اصطلاحات تعاملی که چگونگی تأثیر انواع سلول‌ها بر یکدیگر را توصیف می‌کند، می‌دهد. این مدل‌ها دارای مزیت نسبتا ساده بودن و سازگاری با روش‌های تحلیل موجود هستند. با این حال، آن‌ها برای به دست آوردن جزئیات در مورد سلول‌های فردی تلاش می‌کنند و از این رو برای سیستم‌هایی با تعداد سلول‌های بسیار بیشتر از بلاستوسیست مناسب تر هستند.
مدل‌های ذره‌ای نقطه‌ای
سطح بعدی جزئیات توسط مدل‌های ذره نقطه توصیف می‌شود، جایی که سلول‌های جداگانه در نظر گرفته می‌شوند، اما فقط به عنوان نقاط بدون ساختار یا اشیاء نقطه‌مانند تراکم‌ناپذیر. ویژگی‌هایی مانند حجم سلول را می‌توان گنجاند، اما جزئیات ریزدانه‌تری مانند تغییر شکل سلول، معمولاً وجود ندارد. مدل‌سازی مبتنی بر عامل به طور طبیعی خود را به این نوع مدل می‌دهد، که در آن سلول‌ها (عوامل) بر اساس قوانین از پیش تعریف‌شده (به طور کلی مبتنی بر احتمال) که رفتار سلولی مانند آپوپتوز سلول‌های نابجا یا افزایش چسبندگی بین سلول‌های مشابه را تقلید می‌کنند، حرکت می‌کنند و با هم تعامل دارند. 
مدل‌های سلولی شکل
آخرین و دقیق‌ترین سطح چارچوب مدل، مدل‌های شکل سلولی است که شکل دقیق سلول مورد مطالعه قرار می‌گیرد. اینها تا حد زیادی رایج‌ترین و مسلماً مفیدترین نوع مدل‌سازی هستند که برای توصیف جنین‌زایی اولیه پستانداران در مرحله بلاستوسیست و قبل از آن استفاده می‌شوند. چنین مدل‌هایی شامل مدل‌های Potts سلولی، روش عناصر زیر سلولی، مدل‌های اجزای محدود، رویکردهای مجموعه سطح، مدل‌های میدان فاز و مدل‌های راس می‌شوند.
گنجاندن فرآیندهای درون سلولی
این بررسی عمدتاً بر روی مدل‌های جنین‌زایی در سطح سلولی تمرکز دارد. با این حال، در صورت لزوم، چنین مدل‌هایی می‌توانند شامل عناصر درون سلولی مانند اسکلت سلولی یا پروتئین‌های خاص نیز باشند. به عنوان مثال، مدل‌هایی از جمله مشخصات سلولی ممکن است شامل مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل باشد تا نقش یک GRN کلیدی را به تصویر بکشد. پدیده‌های درون سلولی غیر از GRN ها نیز در برخی مدل‌ها گنجانده شده است. برای مثال، اکتین ممکن است برای مدل‌های مربوط به تغییر شکل سلولی مورد توجه باشد. نقش اکتین (شامل پلیمریزاسیون و دپلیمریزاسیون) را می‌توان به روش‌های مختلفی از جمله معادلات دیفرانسیل جزئی یا مدل سازی مبتنی بر عامل مدل سازی کرد. 
فیزیک بلاستوسیست
هر فرآیند مورفوژنتیکی مستلزم ترکیبی از نیروهای بیوفیزیکی است که به صورت هماهنگ کار می‌کنند تا به شکل، موقعیت و پویایی سلولی مورد نظر دست یابند. این نیروها شامل نیروهای مربوط به کشش غشاء، حفظ حجم، انحنای غشاء و پویایی اسکلت سلولی درون سلولی است. برای مدل‌سازی دقیق و مؤثر این نیروها و تصمیم‌گیری آگاهانه در مورد اینکه کدام نیروها را شامل شود و کدام‌ها را کنار بگذاریم، ابتدا باید منشأ بیوفیزیکی آن‌ها را درک کنیم. 
تنش غشایی و قشر مغز
غشای سلولی یک لایه دولایه لیپیدی در بیرون سلول است که مرز بین داخل و خارج سلول را فراهم می‌کند. مستقیماً در زیر غشاء قشر سلولی (همچنین به عنوان قشر اکتین شناخته می‌شود) قرار دارد که از شبکه‌ای از اکتین با موتورهای میوزین مرتبط و پروتئین‌های اتصال ساخته شده است. قشر مغز نقش مهمی در تعیین شکل سلول ایفا می‌کند. خواص بیوفیزیکی مرز سلولی، مانند کشش و انحنا، معمولاً از یک سهم از غشاء و یک سهم از قشر تشکیل شده است. با این حال، گاهی اوقات در زمینه‌های مدل‌سازی مناسب است که این دو اثر را در یک اثر «پراکسی» ترکیب کنیم که هم غشاء و هم قشر را در بر می‌گیرد..
مدل‌های موجود تشکیل بلاستوسیست
تخم بارور شده به مورولا
آرایش بلاستومرهای اولیه موضوع چندین مدل بیوفیزیکی بوده است. کروپینسکی و همکاران بلاستومرهای مدل‌سازی شده بر اساس مدلی توسط دالون و اوتمر، که از چارچوبی مشابه با مدل‌های پتانسیل ذره استفاده می‌کند. سلول‌ها توسط یک ZP بیضی شکل محدود می‌شوند و تحت سه نیرو قرار می‌گیرند: یک تعامل الاستیک بین سلول‌ها، چسبندگی و کشش. انواع سلول‌ها و در نتیجه ویژگی‌های سلولی توسط یک شبکه ژنتیکی با تقسیم متقارن و نامتقارن در نظر گرفته می‌شود. بر اساس یک مدل سلولی سه بعدی Potts است و همچنین قادر است رشد بلاستوسیست را تا مرحله 16 سلولی خلاصه کند، برخلاف کروپینسکی و همکاران. مدل، این مدل از یک ZP کروی استفاده می‌کند و قادر به تولید توسعه شبیه سازی شده است که نسبت به تغییرات کوچک در پارامترهای مدل مقاوم است. 
تمایز تروفکتودرم
نمایش کره الاستیک بلاستومرها در کروپینسکی و همکاران همچنین برای مطالعه مکانیسم‌های پشت تمایز تروفکتودرم استفاده کردند. در زمان این کار مشخص نبود که سرنوشت سلول تروفکتودرم با موقعیت یا قطبیت سلول تعیین می‌شود. کروپینسکی و همکاران این دو سناریو را با استفاده از یک شبکه ژنی ساده شده شامل Oct4 و Cdx2 مدل کردند. سلول‌های بیرونی (تعیین شده توسط نمودار Voronoi) افزایش سطح Cdx2 را تجربه می‌کنند که سطح Oct4 آن‌ها را کاهش می‌دهد. این مدل قوی است و با یافته های تجربی سطوح بالاتر Cdx2 در سلول‌های بیرونی مطابقت دارد.
رویکردهای چند رشته‌ای که توسعه را با تکمیل رویکردهای زیستی سنتی با فیزیک، شیمی، ریاضیات، مهندسی و محاسبات مطالعه می‌کنند، به طور فزاینده‌ای رایج می‌شوند. گرد هم آوردن محققان با سوابق، آموزش و مجموعه مهارت‌های متنوع می‌تواند ایده‌ها و رویکردهایی ایجاد کند که توسط گروه‌های مجزا امکان‌پذیر نیست. برای مثال، رویکردهای بین رشته‌ای، به‌ویژه آن‌هایی که شامل مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده هستند، می‌توانند به درک جدیدی منجر شوند، اغلب در سطحی بنیادی، که در غیر این صورت دستیابی به آن دشوار است. مزایای دیگر شامل تحقیقات سریع تر، ارزان تر و انسانی تر است که از حیوانات کمتری استفاده می‌کند. علاوه بر این، آزمایش فرضیه‌ها و پیشرفت‌هایی که به سادگی با آزمایش‌های سنتی امکان‌پذیر نیست، از جمله یافتن ارتباط بین موجودات مختلف، کشف قوانین اساسی، و مطالعه موقعیت‌های شدید (مثلاً با مقادیر پارامترهای غیرفیزیکی) ممکن است.
پایان مطلب/