به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، پیشرفت‌های اخیر که رشد کشت‌های بافتی را به ارگانوئیدها و جنین‌ها امکان‌پذیر کرده است، علاقه به نحوه کنترل رشد بافت در طول فرآیندهای طبیعی رشد جنین را افزایش داده است. مشخص است که انتشار مولکول‌های سیگنال‌دهنده به نام مورفوژن‌ها، الگوی رشد بافت را هدایت می‌کند، اما چیزی که درک آن سخت‌تر است این است که چگونه گرادیان مورفوژن‌ها از این انتشار می‌تواند به حوزه‌های کاملاً مشخص در بافت حاصل منجر شود. اکنون ساتوشی تودا در دانشگاه کانازاوا، در کنار کوسوکه میزونو در NanoLSI و تسویوشی هیراشیما در دانشگاه ملی سنگاپور، یک سیستم مدل ساده - سیستم مرفوژن مصنوعی برای کاوش منطق این الگو با استفاده از گوی‌های سه بعدی را نشان می‌دهند.

توضیح مطالعه

در این مطالعه این گروه برای بررسی چگونگی واکنش سلول‌ها به پروتئین‌های پخش‌کننده برای تولید الگوهای بافتی، ما SYMPLE3D، یک پلت‌فرم کشت سه‌بعدی را توسعه دادند که با مهندسی بیان ژن که به مورفوژن‌های مصنوعی پاسخ می‌داد، مشاهده کردند که جفت شدن سیگنال‌های مورفوژن با چسبندگی مبتنی بر کادهرین برای تبدیل یک گرادیان مورفوژن به حوزه‌های بافتی مجزا کافی است. کادهرین‌های القا شده با مورفوژن سلول‌های فعال شده را در یک حوزه جمع شده و سلول‌های فعال خارج از رحم را از بین بردند. علاوه بر این، آنها یک القای سوئیچ مانند از تراکم و اختلاط سلولی با واسطه کادهرین را نشان دادند، سلول‌های فعال را در شیب مورفوژن همگن کردند تا یک دامنه فعال یکنواخت با یک مرز مشخص را تشکیل دهند. این یافته‌ها همکاری بین گرادیان‌های مورفوژن و چسبندگی سلولی را در الگودهی بافت مقاوم نشان می‌دهد و یک روش جدید برای مهندسی بافت برای توسعه حوزه‌های بافتی جدید در ارگانوئیدها معرفی می‌کند.

تولید بافت‌های کاربردی

سازماندهی فضایی سلول‌ها در معماری بافت سه بعدی برای تولید بافت‌های کاربردی بسیار مهم است. در طول جنین زایی، تمایز سلولی به صورت مکانی توسط مولکول‎های سیگنال دهنده خارج سلولی به نام مورفوژن کنترل می‌شود. مورفوژن‌ها توسط سلول‌های سازمان‌دهنده موضعی ترشح می‌شوند و از طریق انتشار یک گرادیان غلظت در بافت‌ها تشکیل می‌دهند. به دنبال این سیگنال‌های مورفوژن درجه‌بندی‌شده، سلول‌های گیرنده تحت پاسخ‌های رونویسی متغیری قرار می‌گیرند که منجر به الگوی بافتی در انواع سلول‌های خاص موقعیت می‌شود. یک سوال اساسی در مورد الگوبرداری بافت مبتنی بر مورفوژن این است که چگونه این شیب‌ها می‌توانند الگوهای فضایی را با دامنه‌های مشخص و مرزهای مشخص ایجاد کنند.

چگونه یک مورفوژن عمل می‌کند؟

مورفوژن‌ها، مولکول‌های سیگنال دهی محلی تولید شده، یک گرادیان غلظت را برای هدایت الگوی بافت تشکیل می‌دهند. الگوهای بافتی به‌عنوان همکاری بین انتشار مورفوژن و رفتارهای سلولی پاسخ‌دهنده ظاهر می‌شوند، اما مکانیسم‌هایی که از طریق آن این مورفوژن‌های منتشر، الگوهای فضایی دقیقی را در میان نوسانات بیولوژیکی تعریف می‌کنند، نامشخص است. مطالعات مختلف قبلی به طور جداگانه به نقش مورفوژن‌ها و چسبندگی سلولی در طول رشد بافت نگاه کرده اند. با این حال، محققان به چند مطالعه اخیر اشاره کردند که نشان می‌دهد چگونه یک مورفوژن درگیر در الگوی لوله عصبی، بیان خانواده‌ای از پروتئین‌های چسبنده به نام کادهرین را کنترل می‌کند تا ساختارهایی کاملاً مشخص را تشکیل دهد. آنها با انجام این آزمایش، سیستم مدل خود را برای بررسی تأثیر متقابل بین مورفوژن‌ها و کادهرین‌ها را ابداع کردند. آن‌ها نشان می‌دهند که چگونه مورفوژن‌های in vivo تغییرات متعددی را در خواص سلولی به طور همزمان ایجاد می‌کنند و تفکیک آنچه را که در حال وقوع است را دشوار می‌سازد. به همین دلیل، همانطور که آنها در بحث گزارش خود تاکید کردند، "SYMPLE3D یک رویکرد زیست شناسی مصنوعی جدید برای مطالعه مکانیکی الگوی بافت و مهندسی ساختارهای ارگانوئیدی ارائه دادند.

مدل "SYMPLE3D

مدل  SYMPLE3D از دو نوع سلول استفاده می‎کند - یکی، ترشح کننده‌های GFP، که GFP ترشح می‌کنند و P-cadherin را بیان می‌کنند و آنچه را که آنها به عنوان "کره‌های سازمان دهنده ترشح کننده GFP" توصیف می‌کنند، تشکیل می‌دهند. دیگری یک سلول گیرنده GFP است که در ابتدا برای بیان گیرنده مصنوعی به نام "synNotch" طراحی شده بود که GFP را شناسایی می‌کند و گزارشگر mCherry - "را در سلول‌های imC"  القا می‌کند. مرحله اول به نتیجه کشت همزمان ترشح کننده‌های GFP و سلول‌های گیرنده پرداخت. آنها دریافتند که اگرچه سلول‌های imC   GFP ترشح شده را جذب می‌کنند که منجر به گرادیان GFP می‌شود، گرادیان حاصل حاوی سلول‌های فعال خارج از رحمی است - بیان گزارشگر سطح بالای mCherry در موقعیت نامناسب گرادیان. برای مقابله با موضوع سلول‌های فعال نابجا، Mizuno و Toda سلول‌های گیرنده GFP را برای القای E-cadherin ذوب شده با mCherry، یک مولکول چسبنده سلولی، مهندسی کردند. در کمال تعجب، به جای شیب بین سلول‎های ترشح کننده و گیرنده، یک دامنه بافتی فعال شده یکنواخت با مرز مشخص ظاهر شد.

نتایج کسب شده از این مطالعه

با نظارت بر روند رشد بافت در زمان واقعی، آنها قادر به شناسایی سلول‌های گیرنده GFP فعال شده بودند که برای القای E-cadherin ذوب شده با mCherry مهندسی شده بودند، سلول‌ها در ابتدا پراکنده شدند اما در طول زمان جمع شدند. سلول‌های فعال نابجا سپس به تدریج جذب این حوزه فعال شدند که منجر به قطع شدید بین دامنه‌های مثبت و منفی mCherry شدند. آنها همچنین به "یک جنبه جالب" از حوزه بافت مصنوعی خود اشاره می‌کنند، به این صورت که در سراسر حوزه فعال، توزیع E-cadherin-mCherry القایی به طور یکنواخت بالا بود، در حالی که GFP با یک گرادیان توزیع شد. در اینجا، آنها یک ویژگی کلیدی E-cadherin را برای تشکیل دامنه بافت مصنوعی نشان دادند. آنها رفتار سلول‌هایی را که سطوح مختلفی از E-cadherin را در پاسخ به مقادیر مختلف GFP بیان می‌کنند، تجزیه و تحلیل کردند و دریافتند که چه سلول‌ها سطوح پایین یا زیاد E-cadherin را القا کنند، این رفتار در آنها یکسان است. علاوه بر این، آن‌ها نشان دادند که سلول‌هایی که بیش از مقدار مشخصی E-cadherin را القا می‌کردند، بدون توجه به سطح بیان، قادر به ترکیب با یکدیگر و تشکیل یک جمعیت سلولی واحد بودند. بنابراین، اختلاط سلول‌هایی که سطوح مختلف E-cadherin را در گرادیان GFP القا می‌کنند به سلول‌ها اجازه می‌دهد GFP را به طور یکنواخت دریافت کنند و بنابراین سطح بیان E-cadherin به طور یکنواخت در حوزه بافت مصنوعی بالا می‌رود. یک مدل ریاضی ساده، توسعه یافته توسط هیراشیما، بر اساس حرکت سلولی که توسط انرژی چسبندگی دیفرانسیل اداره می‌شود، مشاهدات تجربی آنها را پشتیبانی می‌کند. آنها در گزارش خود اینطور نتیجه گرفتن که «یافته‌های ما امکان برنامه ریزی یک حوزه بافتی جدید با مرزهای مشخص در ارگانوئیدها را با ترکیب مورفوژن‌های مصنوعی با کنترل چسبندگی سلولی نشان می‌دهد.

پاین مطلب/.