به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، سیستم عصبی انسان احتمالاً پیچیده ترین عضو سازمان یافته بدن است. اساس پیچیدگی و سازماندهی آن در طول الگوبرداری منطقه ای لوله عصبی (NT)، پیش ساز جنینی سیستم عصبی انسان، مشخص شده است. از لحاظ تاریخی، مطالعات الگوبرداری NT بر مدل‌های حیوانی برای کشف اصول اساسی تکیه کرده اند. اخیراً، مدل‌های توسعه عصبی مبتنی بر سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (hPSC)، از جمله ارگانوئیدهای عصبی در حال ظهور هستند. در همین راستا جیان پینگ فو، استاد مهندسی مکانیک U-M و نویسنده مسئول این مطالعه در Nature، گفت: «مدل‌هایی مانند این درها را برای تحقیقات بنیادی برای درک مراحل تکوینی اولیه سیستم عصبی مرکزی انسان و اینکه چگونه ممکن است در اختلالات مختلف به خطا برود، باز خواهد کرد. این سیستم نمونه‌ای از ارگانوئیدهای سه بعدی انسانی مشتق از کشت‌های سلول‌های بنیادی است که ویژگی‌های ساختاری و عملکردی کلیدی سیستم‌های اندام انسان را منعکس می‌کنند، اما کپی‌هایی جزئی یا ناقص هستند. گو-لی مینگ گفت: "ما سعی می‌کنیم نه تنها زیست شناسی اساسی تکوین مغز انسان، بلکه بیماری‌ها را نیز درک کنیم – زیرا سوال این است که چرا ما بیماری‌های مرتبط با مغز داریم و چگونه می‌توانیم استراتژی‌های موثری برای درمان آنها داشته باشیم. در همین راستا" گو-لی مینگ که همراه با Hongjun Song، هر دو پروفسور Perelman علوم اعصاب در UPenn و نویسندگان مشترک این مطالعه بودند، پروتکل‌هایی را برای رشد و هدایت سلول‌ها ایجاد کردند و در ادامه نیز ویژگی‌های ساختاری و سلولی آن مدل را مشخص کردند.

ارگانوئیدهای مغزی

ارگانوئید مغز یک بافت سه بعدی خودسازمان‌یافته است که از سلول‌های بنیادی جنینی انسان یا سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی (pluripotent) مشتق شده و قادر به شبیه سازی ساختار و عملکرد مغز انسان است. رشد مغز یک فرآیند فوق‌العاده پیچیده است که از طریق رهاسازی تنظیم‌شده مکانی و زمانی عوامل کلیدی به دست می‌آید.  مغز مدل‌های حیوانی تفاوت‌هایی نسبت به مغز انسان دارند. ارگانوئیدهای کل مغز از برنامه اولیه رشد سیستم عصبی مرکزی تقلید می‌کنند و علاوه بر این می‌توانند برای مدل سازی بیماری‌های مغز انسان استفاده شوند. مزیت دیگر این است که ارگانوئیدها می توانند بیش از یک سال در محیط کشت باقی بمانند و امکان مطالعه در مورد بقا و بلوغ نورون‌ها و مغز در حال رشد را فراهم می‌کند.

معرفی یک مدل جدید تکوینی

به عنوان مثال، ارگانوئیدهای توسعه یافته با استفاده از سلول‌های بنیادی مشتق از بیمار ممکن است برای شناسایی داروهایی که موفق ترین درمان را ارائه می‌دهند، استفاده شوند. در حال حاضر، ارگانوئیدهای مغز و نخاع انسان برای مطالعه بیماری‌های عصبی استفاده می‌شود، اما آنها اغلب یک قسمت از سیستم عصبی مرکزی را تقلید می‌کنند و به هم ریخته هستند. در مقابل، این مدل جدید تکوینی که هر سه بخش مغز جنینی و نخاع را به طور همزمان خلاصه می‌کند، شاهکاری است که در مدل‌های قبلی به دست نیامده بود. اورلی راینر، کرسی استادی نوروشیمی برشتاین-ماسون در ویزمن و یکی از نویسندگان این مطالعه که ابزارهای سلولی را برای شناسایی انواع سلول‌های عصبی در مدل توسعه داده است، می‌گوید: «این سیستم واقعاً پیشگامانه است، زیرا مدلی که این ساختار و سازماندهی را تقلید کند قبلاً انجام نشده بود و امکانات متعددی را برای مطالعه تکوین مغز انسان و به ویژه بیماری‌های مغزی تکاملی ارائه می‌دهد.

چندین ایراد مهم در مدل ارائه شده

در حالی که این مدل بسیاری از جنبه‌های تکوینی اولیه مغز و نخاع را به خوبی نشان داده است، اما تیم به چندین تفاوت مهم در این مدل اشاره می‌کند. برای مثال، تشکیل لوله عصبی - اولین مرحله از تکوین سیستم عصبی مرکزی – در این مدل بسیار متفاوت است. زیرا این مدل را نمی‌توان برای شبیه سازی اختلالاتی که ناشی از بسته شدن نادرست لوله عصبی مانند اسپینا بیفیدا است، استفاده کرد.

نحوه ایجاد لوله عصبی از این مدل

در عوض، این مدل با ردیفی از سلول‌های بنیادی تقریباً به اندازه لوله عصبی که در یک جنین 4 هفته‌ای با ابعاد، حدود 4 میلی‌متر طول و 0.2 میلی‌متر عرض، آغاز شده است. این تیم سلول‌ها را به تراشه‌ای با الگوی کانال‌های کوچک چسباندند و متعاقبا آنها را به سمت ساختن یک سیستم عصبی مرکزی هدایت کردند. سپس این تیم ژلی اضافه کردند که به سلول‌ها اجازه می‌داد تا در فضای سه بعدی رشد کنند و با دریافت سیگنال‌های شیمیایی که آنها را به پیش‌ساز سلول‌های عصبی هدایت می‌کرد، یک ساختار لوله ای شکل دهند. در نتیجه، سیستم خود را به گونه ای سازماندهی کرد که از مغز جلویی، مغز میانی، مغز عقبی و نخاع همانند مراحل اولیه تکوینی جنین تقلید کند.

شیوه مطالعاتی

Xufeng Xue، نویسنده اول این مطالعه و عضو فوق دکترا در مهندسی مکانیک U-M گفت: به عنوان یک مهندس، بخش چالش برانگیز یادگیری رشد عصبی و زیست شناسی سلول‌های بنیادی است. "این یک تلاش تیمی برای تحقق این امر بود،  این تیم سلول‌ها را به مدت 40 روز رشد داد و توسعه سیستم عصبی مرکزی را تا حدود 11 هفته پس از لقاح شبیه سازی کرد. در این زمان، تیم توانست نقش ژن‌های خاص را در رشد نخاع نشان دهد و یاد بگیرد که چگونه انواع سلول‌های خاصی در سیستم عصبی اولیه انسان به سلول‌های مختلف با عملکردهای تخصصی تمایز می‌یابد. سونگ می‌گوید: «در بسیاری از موارد، مدل‌های حیوانی به سادگی ویژگی‌ها یا درجه شدت بیماری‌های مغزی انسان مانند میکروسفالی را خلاصه نمی‌کنند. حتی نخستی‌های غیرانسانی نیز یکسان نیستند. بنابراین در زمینه بیولوژی بیماری و استراتژی‌های درمان، مدل سلول انسانی تقریباً غیرقابل جایگزین است.

مطالعه بیماری‌های مختلف مغز انسان

این تیم قصد دارد از این مدل برای مطالعه بیماری‌های مختلف مغز انسان با استفاده از سلول‌های بنیادی مشتق شده از بیمار استفاده کند. Xue امیدوار است به استفاده از این مدل برای مطالعه تعامل بین بخش‌های مختلف مغز در طول تکوین ادامه دهد. او همچنین علاقه مند به مطالعه نحوه ارسال دستورات حرکتی توسط مغز از طریق نخاع است. این خط تحقیق، که می‌تواند نور جدیدی را بر اختلالاتی مانند فلج بیافزاید، نیازمند اتصال نورون‌ها به مدارهای کاری است - چیزی که در این مطالعه مشاهده نشد.

رعایت پروتکل‌های اخلاقی در کارپژوهشی

اینسو هیون، یک متخصص اخلاق زیستی در موزه علوم در بوستون که بخشی از این مطالعه نبود، خاطرنشان می‌کند که آزمایش‌هایی مانند این قبل از اینکه به آنها اجازه داده شود به پیش بروند به دقت مورد بررسی قرار می‌گیرند. او گفت: «گروه‌های پژوهشی باید در مورد سؤال علمی که می‌خواهند به آن پاسخ دهند روشن باشند - و اینکه درجه تکوینی که در مدل پیش میبرند باید تنها برای پاسخ به سؤال باشد». به عنوان مثال در این مدل اعصاب محیطی یا مدارهای عصبی فعال نمی‌شود( ویژگی‌هایی که برای توانایی انسان در تجربه محیط ما و پردازش آن تجربه حیاتی هستند). این تحقیق با دستورالعمل 2021 برای تحقیقات سلول‌های بنیادی و ترجمه بالینی توصیه شده توسط انجمن بین المللی تحقیقات سلول‌های بنیادی مطابقت دارد. تمام پروتکل‌های مورد استفاده در این کار توسط کمیته نظارت بر تحقیقات سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی در دانشگاه میشیگان، آن آربور تأیید شد. این تیم با کمک U-M Innovation Partnerships برای حفاظت از پتنت درخواست داده است و به دنبال شرکایی برای ارائه این فناوری به بازار است.

پایان مطلب/.