به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، ارگانوئیدها کشت‌های سلولی سه بعدی هستند که نقش کلیدی در تحقیقات پزشکی و بالینی دارند. این به لطف توانایی آنها در تکثیر ساختارهای بافتی و عملکرد اندام در ظرف پتری است. دانشمندان می‌توانند از ارگانوئیدها برای درک چگونگی بروز بیماری‌ها، چگونگی رشد اندام‌ها و نحوه عملکرد داروها استفاده کنند.. با این حال، روش‌هایی برای کنترل و مطالعه الگوهای فضایی-زمانی بیان ژن در ارگانوئیدها هنوز مورد نیاز است. فن آوری‌های تک سلولی به محققان اجازه می‌دهد تا سطح مولکولی سلول‌ها را بررسی کنند. زیرا با رونویسی فضایی، آنها می‌توانند مشاهده کنند که کدام ژن در ارگانوئیدها در طول زمان فعال هستند و نیز در کجا قرار دارند.

کنترل الگوی مکانی-زمانی بیان ژن در ارگانوئید

ارگانوئیدهای مشتق شده از سلول‌های بنیادی به ابزار مهمی برای مطالعه رشد انسان و مدل سازی بیماری تبدیل شده اند. در همین راستا کشت ارگانوئید با ارائه فرصت دسترسی به ویژگی‌های منحصر به فرد تکوین انسانی و مدل‌سازی ویژگی‌های پیچیده بیماری‌های انسانی در شرایط آزمایشگاهی ثابت کرده است که یک فناوری دگرگون‌کننده است. ولی باید بدانیم که توسعه ارگانوئیدی متکی به ویژگی ذاتی سلول‌های بنیادی برای تمایز و خود سازماندهی در فضای سه بعدی (3 بعدی) است. مسیرهای تکاملی خاص را می‌توان با درمان با مولکول‌های سیگنال یا با دستکاری‌های ژنتیکی ارتقا داد، و معماری‌های پیچیده تر را را نیز می‌توان با ادغام ارگانوئیدهای مختلف به دست آورد. با این حال، کنترل الگوی ارگانوئیدی و بیان ژن به شیوه‌ای قابل برنامه‌ریزی مکانی-زمانی همچنان چالش برانگیز است. تاکنون استفاده از روش‌هایی مانند توالی یابی RNA تک سلولی (scRNA-seq) و رونویسی فضایی برای توصیف نشانه‌های مولکولی حالات سلولی و روابط آنها در بافت‌ها بسیار مفید بوده است. با این حال، برای توضیح مکانیسم‌های مولکولی که این داده‌ها را توضیح می‌دهند، ضروری است که بیان ژن را به طور مشروط در وضوح تک سلولی و در زمان و مکان مختل کنیم.

ترکیب رونویسی فضایی  با اپتوژنتیک در تولید ارگانوئیدها

ارگانوئیدها یا همان اندام‌های مینیاتوری معمولاً از سلول‌های بنیادی مشتق می‌شوند. اینها سلول‌هایی هستند که اصلاً تمایز نیافته اند یا فقط به میزان اندکی تمایز پیدا کرده اند. آنها می‌توانند به هر نوع سلولی مانند سلول‌های قلب یا کلیه، سلول‌های ماهیچه ای یا نورون تبدیل شوند. برای تمایز سلول‌های بنیادی، دانشمندان آنها را با فاکتورهای رشد تیمارکرده و آنها را در محلول غذایی قرار می‌دهند. در آنجا، سلول‌ها در توده‌های کوچکی به هم می‌پیوندند و شروع به عملکرد و تعامل می‌کنند که انگار در یک بافت واقعی هستند. قبلاً کنترل این فرآیند تقریباً غیرممکن بود. اما اکنون محققان به سرپرستی پروفسور نیکولاس راجوسکی، مدیر موسسه زیست‌شناسی سیستم‌های پزشکی برلین مرکز ماکس دلبروک (MDC-BIMSB)، مقاله‌ای را در Nature Methods منتشر کرده‌اند که در آن فناوری‌هایی را که برای شروع و کنترل فرآیند را در طول زمان و مکان مشاهده و استفاده کنند.  دکتر ایوانو لگنینی، نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «ما رونویسی فضایی را با اپتوژنتیک ترکیب کردیم. این به ما امکان را می‌دهد تا هم بیان ژن را در سلول‌های زنده کنترل کنیم و هم رفتار آنها را مشاهده کنیم.

استفاده از حسگرهای نور برای فعال کردن یا مسدود کردن ژن‌ها

در اپتوژنتیک، "حسگرهای نور" طبیعی یا مصنوعی در سلول‌ها قرار می‌گیرند. اگر نور به سنسورها برسد، بسته به نحوه برنامه ریزی، ژن‌ها را در سلول‌ها فعال یا مسدود می‌کنند. لگنینی این حسگرهای نوری را در سلول‌های پیش‌ساز عصبی مشتق از سلول‌های بنیادی نصب کرد که با هم ترکیب می‌شوند و ارگانوئیدهای عصبی را تشکیل می‌دهند. او روی این موضوع با تیم پلتفرم فناوری ارگانوئید به رهبری دکتر آگنیسکا ریباک ولف و با آزمایشگاه سیستم‌های بیولوژی تمایز بافت عصبی به رهبری دکتر رابرت پاتریک زینزن کار کرد. محققان می‌خواستند دریابند که چگونه سیستم عصبی در جنین انسان رشد می‌کند.

فعال کردن مورفوژنی به نام Sonic Hedgehog

مولکول‌هایی که به عنوان مورفوژن شناخته می‌شوند، نقش کلیدی در این فرآیند دارند. آنها به اجداد عصبی سیگنال می‌دهند که آیا آنها باید به نورونی تبدیل شوند که برای مثال در قسمت جلوی مغز یا قسمت پشتی نخاع عمل می کنند. ترکیب این مولکول‌ها الگوهای معمولی از بیان ژن را در طول تکوین ایجاد می‌کند. محققان از نور برای فعال کردن مورفوژنی به نام Sonic Hedgehog استفاده کردند. تجزیه و تحلیل‌های تک سلولی بعدی آنها نشان داد که سلول‌ها با مرتب کردن خود در ارگانوئیدهای دارای الگوی کلیشه‌ای پاسخ دادند.

نحوه تولید نور  

محققان نور را به دو روش ایجاد کردند: با استفاده از یک میکروسکوپ لیزری یا یک دستگاه میکروآینه دیجیتال، که گروه راجوسکی با همکاری دکتر اندرو وولر توسعه دادند. در آن زمان دکتر وهلر پلتفرم تصویربرداری زیست شناسی سیستمی را در مرکز ماکس دلبروک رهبری می‌کرد. از نوامبر 2022، او مرکز فناوری تجربی جانلیا در موسسه پزشکی هاوارد هیوز در اشبورن، ویرجینیا، ایالات متحده آمریکا را رهبری می‌کرد. میکروسکوپ میکروآینه دارای تراشه ای است که چند صد هزار آینه کوچک را در خود جای می‌دهد. اینها را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد که میکروسکوپ بتواند - بر خلاف لیزر که فقط به یک نقطه برخورد می‌کند - الگوهای نور پیچیده‌ای را روی یک نمونه تولید کند.

استفاده از دقت این روش درکارهای بالینی

لگنینی می‌گوید: «این روش به ما اجازه می‌دهد تا فرآیندهایی را که به بیان ژن در بافت مرتبط هستند، در پتری دیش با دقت بازتولید کنیم. در همین راستا در ماه مارس سال جاری، او شروع به راه اندازی گروه کاری خود در Human Technopole در میلان ایتالیا کرد. برنامه‌های او برای این گروه شامل بهبود وضوح مکانی و زمانی این فناوری و قابل استفاده کردن آن برای سایر ارگانوئیدها است. راجوسکی همچنین می‌خواهد این روش را اصلاح کند، "من واقعا مشتاق همکاری با متخصصان اپتوژنتیک برای بهبود بیشتر فناوری و استفاده از آن در مدل‌های ارگانوئید انسانی مرتبط با بالینی هستم."

پایان مطلب/.