تمكن باحثون من جامعة ميشيغان ومعهد وايزمان للعلوم لأول مرة من تطوير نظام عصبي مركزي على شريحة تحاكي بأمانة جهاز الجنين البشري - من نهاية الحبل الشوكي إلى الدماغ الأمامي
في مرحلة ما كنا جميعًا مجموعة من الخلايا الجذعية المضغوطة. مع التطور الجنيني، تطول مجموعة الخلايا وتنمو الأطراف في جوانبها، والأرداف في الخلف، والبطن في الأمام، والرأس المرتفع. إن انقسام الخلايا إلى أعضاء مختلفة، والذي أنقذنا من مصير لا شكل له، يُعزى إلى المورفوجينات - وهي جزيئات تُفرز في أوقات وأماكن مختلفة في الجنين، وتنتشر في البيئة وتحدد موقع الأعضاء وشكلها. إن التركيز المتغير للمورفوجينات في البيئة هو بمثابة خريطة تخبر الخلايا بمكان وجودها وما هو غرضها.
إن خرائط تركيزات المورفوجين هي أساس التقنيات العضوية - تلك الإصدارات المختبرية المصغرة للأعضاء الحية التي غزت عالم البيولوجيا التطورية في العقد الماضي. حتى الآن، أدى الاستخدام الشائع لتركيز موحد من المورفوجينات في أطباق بتري، حيث تُزرع العضويات، إلى محدودية الباحثين، الذين اضطروا إلى زراعة أجزاء صغيرة من العضو في كل طبق بدلاً من نسخة مصغرة من العضو الكامل. والآن، توصل باحثون من جامعة ميشيغان بقيادة البروفيسور. جيان بينغ فو و د كاسو الجاودارمن معهد وايزمان للعلوم وجامعة بنسلفانيا لقد قاموا بإنشاء نموذج مصغر للجهاز العصبي المركزي للجنين - من الدماغ إلى طرف الحبل الشوكي - باستخدام شريحة تدفق دقيقة تحاكي توزيع المورفوجينات أثناء النمو.
يوضح البروفيسور: "لقد تم بالفعل نشر دراسات تعرض العضويات لتركيزات متفاوتة من المورفوجينات، لكنها اقتصرت على أجزاء قصيرة من الجهاز العصبي المركزي - فقط الحبل الشوكي، أو الدماغ الأمامي فقط، ولكن ليس كليهما". أورلي راينر من قسم الوراثة الجزيئية في معهد وايزمان للعلوم. تقول البروفيسور راينر، التي كانت تبحث في الأمراض التي تؤثر على نمو الدماغ لمدة 30 عامًا، والتي بدأت في زراعة الأعضاء العضوية في مختبرها منذ حوالي عقد من الزمن، إن الشريحة الجديدة ستسمح لها ولآخرين بطرح نوع جديد تمامًا من الأسئلة - سواء فيما يتعلق بنمو الجنين السليم أو فيما يتعلق بالأمراض وتلف الأنسجة.
تسمح الرقاقة للباحثين بحقن المورفوجينات من أي اتجاه تقريبًا وفي أي وقت يريدون، على طول وعرض العضو العضوي. وفي وسط الشريحة أسطح ضيقة ولزجة، وتشبه طول الجهاز العصبي المركزي لجنين عمره شهر، ويبلغ طول كل سطح 4 ملليمترات. يتم زرع الخلايا الجذعية على طول الأسطح، ويتم تغليفها بمادة هلامية تحاكي البيئة خارج الخلية التي تسمح للخلايا بالتطور إلى أنسجة ثلاثية الأبعاد. وفي وقت قصير، تنتظم الخلايا تلقائيًا في أنبوب مجوف. وبعد ثلاثة أيام، يبدأ الباحثون بحقن المورفوجينات من أحد طرفي الشريحة، وتنتشر عبر طول الأنسجة أو عرضها.
وفي وقت قصير، رأى الباحثون أن الخلايا الموجودة في الرقاقة تمايزت إلى مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا المختلفة للجهاز العصبي المركزي الجنيني - في النهاية حيث كان تركيز المورفوجينات مرتفعًا، ظهرت الخلايا التي ستتطور إلى نهاية الخلية. الحبل الشوكي، تليها الخلايا المتجهة إلى مركز الحبل الشوكي، والدماغ المؤخر، والدماغ المتوسط، وفي النهاية الأبعد - الدماغ الأمامي. يقول البروفيسور راينر: "عندما قمنا بوصف الكائنات العضوية الجديدة، رأينا ترتيبًا بارعًا على طول الجهاز العصبي المركزي بالكامل، كما يظهر في الفترة الجنينية المبكرة".
بعد إنشاء المحور الطولي للجهاز العصبي، قرر الباحثون مواجهة تحدي آخر - وتقليد تطور الدماغ الأمامي على طول المحور البطني الظهري للجنين، حيث تتطور مجموعتان من الخلايا التي تعتبر ضرورية لعمل الجهاز العصبي. الدماغ البالغ: الخلايا المحفزة أو المثيرة التي تشجع النشاط العصبي والخلايا المنظمة أو المثبطة التي تثبط هذا النشاط الكهربائي. "حتى الآن، لم تكن لدينا الأدوات اللازمة للنمو في نسيج واحد، سواء في مركز إنتاج الخلايا المحفزة أو الخلايا العصبية المتصلة المسؤولة عن العمل التنظيمي. وبدلاً من ذلك، كان علينا زراعة نوعين من العضيات ومحاولة الربط بينها. "يشرح البروفيسور راينر. وذلك لأن الخلايا المنظمة تتشكل في نسيج فريد في الجزء الداخلي من الدماغ الأمامي، ومن هناك تهاجر إلى بقية الدماغ.
أتاحت التقنية الجديدة للباحثين نشر تركيزات المورفوجينات التي تسبب تمايز الخلايا في مركزي إنتاج مختلفين، وبالتالي زراعتها في نفس الأنسجة. في المرحلة الأولى، قاموا بإنشاء المحور الطولي للجهاز العصبي، كما وصفنا، وفي اليوم السابع بدأوا بحقن المورفوجينات بالقرب من الدماغ الأمامي - بعيدًا عن الحبل الشوكي. وفي وقت قصير ظهرت الخلايا التي من المقرر أن تصبح الخلايا العصبية المنظمة في الجزء الداخلي من الأنبوب، وظهرت الخلايا التي تتطور منها الخلايا العصبية الاستثارية في الجزء الخارجي من الأنبوب - كما تظهر في التطور الجنيني.
يؤكد الباحثون على أن الشريحة لا تحاكي المراحل الأولى من تطور الجهاز العصبي المركزي: "إننا في الواقع نتخطى المراحل المبكرة وندفع الخلايا الجذعية إلى مراحل نمو نموذجية لجنين يبلغ من العمر أربعة أسابيع". لكن بعد أيام قليلة يتكون نسيج ثلاثي الأبعاد يشبه بشكل ملحوظ الجهاز العصبي المركزي للجنين، سواء في نوع الخلايا التي يحتوي عليها أو في ترتيب ظهورها. وهكذا، على سبيل المثال، تمكن الباحثون من دراسة الجينات المشاركة في تمايز مجموعة من الخلايا في النخاع الشوكي، والتي لم يتم فهم تمايزها وهويتها النهائية من قبل.
يتم بالفعل استخدام الرقائق من قبل الباحثين لفحص الأسئلة المتعلقة بتطور الجهاز العصبي البشري. على سبيل المثال، قام مختبر البروفيسور راينر بالفعل بتطبيق هذه التكنولوجيا في مختبره ويستخدم الشريحة لدراسة كيفية تأثير المرض الوراثي على التطور الطولي لأجزاء من الدماغ. ويأمل الباحثون أن يستخدم المزيد من الباحثين هذه التكنولوجيا لتوسيع فهمنا لمجموعة واسعة من الأمراض التي تؤثر على الجهاز العصبي.
وشارك في الدراسة أيضًا الدكتور جونغ سو كيم، والدكتور نوريو كوباياشي، والدكتور يو ليو، والدكتور جيسون سبنس، والدكتور روبن زيكسوان يان، والدكتور يو هواي تساي، وشيو سون وي تسنغ من جامعة ميشيغان؛ والدكتور رامي يائير تشيفا وألفريدو إسحاق بونس أرياس من قسم الوراثة الجزيئية في المعهد، والبروفيسور هونغ جون سونغ، والبروفيسور غو لي مينغ والدكتور ريتشارد أولوغلين من جامعة بنسلفانيا؛ والبروفيسور عظيم صوراني والدكتور فريدريك سي كيه وونغ من جامعة كامبريدج.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
