ارگانوئیدهای مغز دریچه ای به سوی درک اوتیسم
ارگانوئید مغز یک بافت سه بعدی خودسازمان‌یافته است که از سلول های بنیادی جنینی انسان یا سلول های بنیادی پلوری‌پوتنت (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 مدل های حیوانی تفاوت هایی نسبت به مغز انسان دارند.
چرا به ارگانوئیدهای مغزی نیاز داریم؟
ارگانوئیدهای کل مغز از برنامه اولیه رشد سیستم عصبی مرکزی تقلید می کنند و علاوه بر این می توانند برای مدل سازی بیماری های 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 نورون ها و مغز در حال رشد را فراهم می کند.
ارگانوئیدهای کوچک- که در آزمایشگاه از سلول های انسانی رشد می کنند – بینش هایی را در مورد مغز ارائه می دهند و تفاوت هایی را آشکار می کنند که می تواند در ایجاد اوتیسم در برخی افراد نقش داشته باشد.
ساخت ارگانوئیدهای مغزی
دکتر الکس شچگلویتوف، استادیار عصب‌بیولوژی در دانشگاه یوتا می‌گوید: “ما قبلاً فکر می‌کردیم که مدل‌سازی سازماندهی سلول‌ها در مغز بسیار دشوار است. اما این ارگانوئیدها خودسازماندهی دارند. در عرض چند ماه، لایه‌هایی از سلول‌ها را می‌بینیم که یادآور قشر مغز در مغز انسان هستند.”
تحقیقی که ارگانوئیدها و پتانسیل آنها را برای درک بیماری های عصبی توصیف می کند، در Nature Communications در ۶ اکتبر توسط Shcheglovitov به عنوان نویسنده ارشد و Yueqi Wang، دانشجوی سابق کارشناسی ارشد او، به عنوان نویسنده اصلی منتشر شده است. آنها این تحقیق را با دانشمند پسادکتری، دکتر سیمون چیولا، و سایر همکارانش در دانشگاه یوتا، دانشگاه هاروارد، دانشگاه میلان و دانشگاه ایالتی مونتانا انجام دادند.
برای خواندن متن کامل این مقاله کلیک کنید.
تحقیق در مورد اوتیسم
داشتن توانایی مدل‌سازی جنبه‌های مغز به این روش، به دانشمندان فرصت نگاهی اجمالی به عملکرد درونی یک اندام زنده می‌دهد که دسترسی به آن تقریبا غیرممکن است. و از آنجایی که ارگانوئیدها در یک ظرف آزمایشگاهی رشد می کنند، می توان آنها را به روش هایی آزمایش کرد که نمی توان روی مغز انسان زنده انجام داد.
تیم شچگلویتوف از یک فرآیند ابتکاری برای بررسی اثرات یک ناهنجاری ژنتیکی مرتبط با اختلال طیف اوتیسم و رشد مغز انسان استفاده کرد. آنها دریافتند که ارگانوئیدهایی که سطوح پایین تری از ژنی به نام SHANK3 را دارند دارای ویژگی های متمایزی هستند.
حتی اگر مدل ارگانوئید اوتیسم طبیعی به نظر می رسید، برخی از سلول ها به درستی عمل نمی کردند:
- نورون ها بیش فعال بودند و اغلب در پاسخ به محرک ها شلیک می کردند.
- سایر علائم نشان می دهد که نورون ها ممکن است به طور موثر سیگنال ها را به نورون‌های دیگر منتقل نکنند.
- مسیرهای مولکولی خاصی که باعث می‌شوند سلول‌ها به یکدیگر بچسبند مختل شدند.
نویسندگان این مطالعه می گویند که این یافته ها به کشف علل سلولی و مولکولی علائم مرتبط با اوتیسم کمک می کند. آنها همچنین نشان دادند که ارگانوئیدهای رشد یافته در آزمایشگاه برای به دست آوردن درک بهتر از مغز، نحوه رشد آن و آنچه در طول بیماری اشتباه شناخته می شود، ارزشمند خواهند بود.
دکتر یان کوبانک، یکی از نویسندگان این مطالعه و استادیار مهندسی زیست پزشکی در ایالات متحده، می گوید:
یک هدف استفاده از ارگانوئیدهای مغز برای آزمایش داروها یا سایر مداخلات برای معکوس کردن روند یا درمان اختلالات است.
ساخت مدل‌های مغز بهتر
دانشمندان مدت هاست به دنبال مدل های مناسب برای مغز انسان بوده اند. ارگانوئیدهای رشد یافته در آزمایشگاه جدید نیستند، اما نسخه های قبلی به روشی قابل تکثیر توسعه نیافته اند، که تفسیر آزمایش ها را دشوار می کند.
برای ایجاد یک مدل بهبودیافته، تیم Shcheglovitov از چگونگی رشد طبیعی مغز سرنخ‌هایی گرفتند. محققان سلول‌های بنیادی انسانی را تشویق کردند که به سلول‌های عصبی اپیتلیال تبدیل شوند، یک نوع سلول بنیادی خاص که ساختارهای خودسازماندهنده به نام نورال روزت را در یک ظرف آزمایشگاهی تشکیل می‌دهد.
در طی ماه‌ها، این ساختارها به شکل کره‌ها ترکیب شدند و اندازه و پیچیدگی آنها با سرعتی مشابه مغز در حال رشد در یک جنین در حال رشد افزایش یافت.
این تصویر یک برش ارگانوئیدی قشر مغز را نشان می دهد:
شچگلویتوف می‌گوید پس از پنج ماه در آزمایشگاه، ارگانوئیدها یادآور «یک چین و چروک مغز انسان» در ۱۵ تا ۱۹ هفته پس از لقاح بودند. این ساختارها شامل مجموعه‌ای از انواع سلول‌های عصبی و دیگر سلول‌های موجود در قشر مغز، بیرونی‌ترین لایه مغز درگیر زبان، احساسات، استدلال و سایر فرآیندهای ذهنی سطح بالا بودند.
مانند جنین انسان، ارگانوئیدها به شیوه ای قابل پیش بینی خودشان سازماندهی می شوند و شبکه های عصبی را تشکیل می دهند که با ریتم های الکتریکی نوسانی می تپد و سیگنال های الکتریکی متنوعی را تولید می کند که مشخصه انواع مختلف سلول های مغز بالغ است.
این ارگانوئیدها الگوهایی از فعالیت الکتروفیزیولوژیکی داشتند که شبیه فعالیت واقعی در مغز بود.
کوبنک می گوید: من چنین انتظاری نداشتم. “این رویکرد جدید اکثر انواع سلول های اصلی و به روش های کاربردی معنی دار را مدل می کند.”
Shcheglovitov توضیح می‌دهد که این ارگانوئیدها، که ساختارهای پیچیده‌تری را در قشر مغز به‌طور قابل اطمینان‌تری منعکس می‌کنند، به دانشمندان این امکان را می‌دهند تا بررسی کنند که چگونه انواع خاصی از سلول‌ها در مغز ایجاد می‌شوند و با هم کار می‌کنند تا عملکردهای پیچیده‌تری را انجام دهند.
افزایش درک ما از مغز
وانگ می گوید: ما در حال درک چگونگی تشکیل ساختارهای عصبی پیچیده در مغز انسان از اجداد با مغز ساده هستیم. و ما قادریم فنوتیپ های مرتبط با بیماری را با استفاده از ارگانوئیدهای سه بعدی که از سلول های بنیادی حاوی جهش های ژنتیکی مشتق شده اند، اندازه گیری کنیم.
او می افزاید که با استفاده از ارگانوئیدها، محققان می توانند بهتر بررسی کنند که در مراحل اولیه بیماری های عصبی، قبل از بروز علائم، چه اتفاقی می افتد.
