به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، محققان سلول‌های سازمان‌دهنده مصنوعی ایجاد کردند که قادر بودند ساختاری مشابه بدن موش، از سر تا دم، بسازند که فرآیندهایی مشابه با تکوین جنینی موش را طی می‌کرد. نوع دیگری از سلول‌های سازمان‌دهنده مصنوعی برای تولید ساختاری مشابه قلب استفاده شد که شامل یک حفره مرکزی بود. این ساختار مصنوعی شبیه به قلب همچنین شبکه‌ای از رگ‌های خونی داشت و به‌طور منظم می‌تپید. با تحریک بیان ژن‌های خاص در سلول‌های بنیادی جنینی موش، سلول‌های سازمان‌دهنده مصنوعی ایجاد شدند که می‌توانند به شیوه‌های خاصی در کنار هم قرار بگیرند و عملکردهای فیزیولوژیکی مختلفی را انجام دهند. این کار گامی مهم در مسیر استفاده از سلول‌های مصنوعی برای ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده یا بازسازی ارگان‌ها به‌شمار می‌رود. این تحقیق در مجله Cell منتشر شده است.

درباره مطالعه

تکوین در محیط آزمایشگاهی عمدتاً بر اساس درمان سلول‌های پیش‌ساز با مورفوژن‌های موجود در محیط کشت استوار است و از این رو اطلاعات فضایی طبیعی را ندارد. در اینجا، ما سلول‌های سازمان‌دهنده ترشح‌کننده مورفوژن را مهندسی می‌کنیم که به‌طور برنامه‌ریزی‌شده از طریق چسبندگی سلولی، خود را در اطراف سلول‌های بنیادی جنینی موش (ES) در معماری‌های تعریف‌شده گرد هم می‌آورند. با القای مورفوژن WNT3A و آنتاگونیست آن DKK1 از سلول‌های سازمان‌دهنده، ما شیب‌های مختلف مورفوژن را با دامنه‌ها و شیب‌های متنوع ایجاد کردیم. این شیب‌ها ارتباط قوی‌ای با نتایج مورفوژنتیک داشتند: دامنه فعالیت WNT حداقل-حداکثر تعیین‌کننده دامنه سلول‌های خط سلولی محور قدامی-خلفی (A-P) بود. جالب اینکه، شیب‌های کم‌عمق فعالیت WNT، علی‌رغم نمایش خطوط سلولی قدامی-خلفی کوتاه‌شده، مورفولوژی‌های با وضوح بالاتری از بافت‌ها را تولید کردند، مانند ساختار شبیه به قلب که تپش می‌کند و دارای حفره و شبکه‌ای از رگ‌های خونی اندوتلیالی است. بنابراین، سلول‌های سازمان‌دهنده مصنوعی که اطلاعات فضایی، زمانی و بیوشیمیایی را یکپارچه می‌کنند، راه قدرتمندی برای هدایت سیستماتیک و انعطاف‌پذیر توسعه سلول‌های ES یا دیگر سلول‌های پیش‌ساز در جهات مختلف درون منظومه مورفوژنتیک فراهم می‌آورند.

استفاده از موفوژن‌ها در سیستم‌های ارگانوئیدی

در سال‌های اخیر، یک پیشرفت بنیادی در زیست‌شناسی تکوینی استفاده از سیستم‌های ارگانوئیدی بوده است. ارگانوئیدها ساختارهای سه‌بعدی هستند که معمولاً از یک یا چند نوع سلول پیش‌ساز و نسل‌های آن‌ها مشتق می‌شوند و قابلیت خودسازمان‌دهی به ساختارهایی را دارند که ویژگی‌های درون‌تنی بافت یا ارگان انتخاب‌شده را بازسازی می‌کنند. ارگانوئیدها می‌توانند برای بررسی یا شبیه‌سازی سیستم‌های توسعه‌ای مختلف استفاده شوند و درک ما از تمایز سلولی و تعاملات بین بافت‌ها و محیط اطراف آن‌ها را گسترش دهند. فراتر از این، آن‌ها ابزار بالینی امیدوارکننده‌ای برای مدل‌سازی بیماری‌ها و پزشکی بازساختی فراهم می‌آورند. ارگانوئیدها می‌توانند از بافت‌های بالغ پستانداران یا از طریق تمایز سلول‌های بنیادی پرتوان ایجاد شوند. به‌عنوان مثال، ارگانوئیدهای روده‌ای انسانی از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی مشتق می‌شوند که با درمان با یک توالی از فاکتورهای رشد که تمایز آن‌ها را به نسل‌های وابسته مانند اپیتلیوم روده و مزانشیم تحریک می‌کنند، ساخته می‌شوند. نمونه‌های دیگر ارگانوئیدهای شناخته‌شده شامل ارگانوئیدهای کاسه چشمی، ارگانوئیدهای کلیه، ارگانوئیدهای غده پستان و ارگانوئیدهای ریه هستند.اولین رویکرد این است که "مورفوژن‌های محلول" به محیط کشت اضافه شوند تا سیگنال‌هایی که سلول‌های پیش‌ساز در داخل بدن دریافت می‌کنند، شبیه‌سازی کنند. بیشتر پروتکل‌های ارگانوئید در هسته خود یک توالی از مراحل تحریک مورفوژن دارند که بخش قابل توجهی از سلول‌های پیش‌ساز را به نسل‌های بافتی مرتبط هدایت می‌کند. با این حال، افزودن ساده مورفوژن‌ها به محیط کشت به‌تنهایی هندسه فضایی پیچیده‌ای که این سیگنال‌ها معمولاً به‌طور طبیعی در بدن ارائه می‌شوند را شبیه‌سازی نمی‌کند. بنابراین، ارگانوئیدهای به‌دست‌آمده ممکن است فاقد ساختار پیچیده نامتقارن بافت‌های طبیعی باشند.

بازسازی توپولوژی‌های بافت طبیعی با چاپ زیستی سه‌بعدی یا میکرواستمپینگ

یکی از رویکردها برای حل این محدودیت استفاده از مواد و دستگاه‌های مهندسی‌شده است تا برخی از نشانه‌های محیطی مکانیکی و فضایی موجود در بدن در محیط آزمایشگاهی فراهم شود. رویکردهایی مانند چاپ بیو سه‌بعدی یا میکرواستمپینگ به‌عنوان مثال، امکان بازسازی توپولوژی‌های بافت طبیعی را در محیط آزمایشگاهی فراهم می‌آورد. با این حال، این رویکردها اغلب چالش‌های فنی دارند و از نظر کنترل دقیق محدود هستند. علیرغم پیشرفت‌های اخیر، ارگانوئیدها هنوز فاقد ساختارهای پیچیده ارگان‌های عملکردی خود در بدن هستند. فرآیند توسعه ارگانوئیدها به‌طور مشهوری ناهمگن است و اغلب تولید ارگانوئیدها در بین نمونه‌های مختلف، بازتولیدپذیری کمی دارد. تولید ارگانوئیدها همچنین از نظر منابع و زمان گران‌قیمت است. یک چالش اساسی در این زمینه، بهبود استحکام، دقت و کارآیی توسعه ارگانوئیدها باقی مانده است. برای مقابله با این چالش‌ها، باید رویکردهای جدیدی برای شبیه‌سازی بهتر محیط توسعه درون‌تنی ایجاد شود. به‌عنوان مثال، سیگنال‌های مورفوژن باید به‌طور ایده‌آل به روش‌های فضایی نامتقارن و پویا ارسال شوند. در این مقاله دیدگاهی، ما پیشنهاد می‌دهیم که زیست‌شناسی مصنوعی می‌تواند برای حل این مشکلات به‌کار گرفته شود. ابتدا زیست‌شناسی مصنوعی را تعریف می‌کنیم و نحوه کاربرد آن در سیستم‌های توسعه‌ای را توضیح می‌دهیم. سپس ابزارهای نوظهور زیست‌شناسی مصنوعی را مرور کرده و بحث می‌کنیم که چگونه هرکدام از این ابزارها می‌توانند در سیستم‌های ارگانوئیدی به‌کار گرفته شوند تا توسعه را بهتر بازسازی، کنترل یا دوباره‌نقشه‌کشی کنند.

کنترل تمایز و تکوین سلول‌های بنیادی با استفاده از سازمان‌دهنده‌های مصنوعی

دکتر وندل لیم، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد دانشگاه UCSF، گفت: "این نوع پلتفرم سلول‌های سازمان‌دهنده مصنوعی راه جدیدی برای ارتباط با سلول‌های بنیادی و برنامه‌ریزی آن‌ها برای تبدیل به ساختارهای خاص فراهم می‌کند." وی افزود: "با کنترل و تغییر نحوه تمایز و تکوین سلول‌های بنیادی، ممکن است بتوانیم ارگان‌های بهتری برای پیوند یا ارگانوئیدهایی برای مدل‌سازی بیماری رشد دهیم و در نهایت از آن برای تحریک بازسازی بافت‌ها در بیماران زنده استفاده کنیم." محققان با القای بیان ژن‌های مختلف، سلول‌ها را به خوشه شدن اطراف گروهی از سلول‌های بنیادی تحریک کردند. سپس، این سلول‌های سازمان‌دهنده مواد شیمیایی تولید کردند که باعث شروع فرایندهای مشابه با تکوین جنینی اولیه می‌شد. با بیان مجموعه‌ای دیگر از ژن‌ها، دانشمندان توانستند عملکرد این سلول‌ها را دقیق‌تر تنظیم کنند و حتی روشی را معرفی کردند که می‌توان در صورت لزوم سلول‌های سازمان‌دهنده را حذف کرد. دکتر لیم گفت: "این سازمان‌دهنده‌های مصنوعی نشان می‌دهند که می‌توانیم دستورالعمل‌های تکوین‌ای دقیق‌تری به سلول‌های بنیادی بدهیم، از طریق مهندسی محل و زمان ارائه سیگنال‌های خاص مورفوژن." وی افزود: "سلول‌های سازمان‌دهنده اطلاعات فضایی و شیمیایی را حمل می‌کنند و این به ما کنترل فوق‌العاده‌ای می‌دهد که پیش از این نداشته‌ایم."

تولید سلول‌های بتا برای تولید انسولین یا نورون‌هایی برای درمان بیماری پارکینسون

دکتر اوفیر کلاین، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه و مدیر اجرایی بخش بهداشت کودکان در مرکز پزشکی سیدرز-سینای، افزود: "علم شگفت‌انگیز برنامه‌ریزی دستورالعمل‌ها برای تحریک سلول‌های بنیادی می‌تواند روزی درهای جدیدی را برای مقابله با بیماری‌های پیچیده باز کند." وی توضیح داد: "ما می‌توانیم سلول‌های خاصی مانند سلول‌های بتا برای تولید انسولین یا نورون‌هایی برای درمان بیماری پارکینسون را در زمینه بافت بزرگ‌تر یا حتی یک ارگان کامل تولید کنیم." وی افزود: "این کار امکانات جدید و هیجان‌انگیزی را به‌وجود می‌آورد."

پایان مطلب/.