طراحی چشم سوم برای بررسی سلول‌های بنیادی
یک تیم مشترک از دانشمندانی از روسیه و ایالات متحده روشی برای علامت‌گذاری سلول‌های بنیادی در حال تقسیم با استفاده از سه برچسب مختلف طراحی کردند. تا قبل از این، تنها امکان استفاده‌ی همزمان از دو برچسب ممکن بود. روش جدید دقت و سرعت تجزیه‌وتحلیل تقسیم سلول‌های بنیادی را افزایش می‌دهد و جمعیت‌های جدید سلول‌های بنیادی را به تصویر می‌کشد. در مقاله‌ی منتشر شده در Stem Cell Reports ، پژوشگران نشان دادند که برچسبگذاری سه‌گانه می‌تواند برای مطالعه تقسیم سلول‌های بنیادی در مغز و سایر بافت‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
شکل یک: چرخه سلولی. مرحله‌ی G1، مرحله‌ی آماده شدن سلول برای تقسیم است. طی این مرحله، محتویات سلول، به غیر از DNA، مضاعف می شوند. در مرحله‌ی S، DNA کپی می‌شود (دستگاه‌های مولکولی، DNA دختری را از روی رشته اصلی به عنوان الگو، می‌سازند). G2، مرحله نهایی قبل از شروع تقسیم سلولی یا همان میتوز (M) است. هنگامی که سلول در مرحله G1 است، سلول ممکن است از چرخه تقسیم خارج شده و وارد حالت استراحت شود که به آن فاز G0 گفته می‌شود و به مفهوم توقف تقسیم سلولی است.
بازسازی سلول‌ها
بافت‌های مختلفی در بدن از جمله مغز، محل استقرار سلول‌های بنیادی هستند؛ سلول‌هایی که مسئول تجدید بافت می‌باشند. بر خلاف این باور رایج که نورون‌ها بازسازی نمی‌شوند، مغز افراد بزرگسال دارای مناطقی به نام مناطق نوروژنز است که در آن تشکیل نورون‌های جدید اتفاق می‌افتد. گفته می‌شود نوروژنز برای یادگیری و حافظه حیاتی است.
فرآیند بازسازی همچنین نقش مهمی در واکنش به استرس و ترمیم بافت‌های عصبی آسیب دیده، دارد. معمولا بازسازی بافت به این صورت انجام می‌شود: پس از اینکه سلول‌های بنیادی خود را تکثیر می‌کنند، بعضی از فرزندانشان به‌عنوان ذخایر سلول‌های بنیادی بافت می‌مانند و برخی دیگر به انواع سلول‌های دیگر تبدیل می‌شوند تا کمبود سلول‌های ازدست‌رفته یا آسیب دیده را جبران کنند. این روند در همه‌ی بافت‌ها یکسان نیست. آنچه دانشمندان به دنبال یافتن آن هستند، مکانیزم‌های مشترک در تمام سلول‌های بنیادی و راه‌های تحت تاثیر قرار دادن یا بهبود این مکانیسم‌ها است.
وقتی یک سلول بنیادی خود را تکثیر می‌کند، وارد مرحله‌ای می‌شود که به آن فاز S گفته می‌شود (شکل یک را ببینید) که در آن سنتر DNA انجام می‌شود و کروموزوم‌ها مضاعف می‌شوند. در این مرحله از چرخه‌ی سلولی، می‌توان رشته‌های جدید DNA را با استفاده از برچسب‌هایی (نوکلئوتیدهای تگ‌دار) که هر کدام بخشی از رشته‌ی جدید DNA می‌شوند، علامت گذاری کرد.
علاوه بر این، هنگامی که چنین سلول‌هایی تقسیم و بازتولید شوند، سلول‌های دختری آنها نیز علامت‌گذاری خواهند شد. در ادامه دانشمندان می‌توانند بافت را با استفاده از آنتی بادی‌های فلورسنت بررسی کنند تا سلول‌های با و بدون DNA برچسب‌دار را مشاهده کنند و بتوانند سرنوشت هر کدام از این سلول‌ها را در جمعیت دنبال کنند. اگر به‌طور ترکیبی نوکلئوتیدهایی با دو برچسب مختلف استفاده شوند، تعداد جمعیت‌های سلولی با برچسب‌های مختلف به هشت افزایش می یابد. با استفاده از سه برچسب مختلف این تعداد به ۱۲۸ افزایش می‌یابد.
شکل دو. سلول‌های بنیادی در روده، اولین برچسب با رنگ آبی نشان داده شده است، لکه‌های سبز نشان دهنده‌ی برچسبی که ۲۴ ساعت بعد معرفی شده است، می‌باشد و علامت قرمز، برچسبی را که ۲۴ ساعت پس از دومی وارد شده است، نشان می‌دهد. رنگ سفید نشان دهنده‌ی سلول‌ها در تمام مراحل به جز G0 (یعنی تمام سلول‌های در حال تقسیم) می‌باشد.
حتی اگر چنین نوکلئوتیدهایی با سه یا تعداد بیشتری برچسب متفاوت در دسترس باشد، دانشمندان هنگام تشخیص آنها و ترکیباتشان در سلول‌هایی که تقسیم شده‌اند، با دشواری روبه رو هستند. علت این است که پادتن‌ها نه تنها با اهداف مورد نظرشان، بلکه با موارد مشابه نیز قابل پیوند یافتن هستند. اگر این اتفاق بیفتد و هر دو برچسب با پادتن‌های مشابهی علامت گذاری شوند، تمایز آن دو از هم ناممکن می‌شود. دانشمندان برای حل این مشکل تصمیم گرفتند یک برچسب دیگر اضافه کنند که با رنگ‌آمیزی فلورسنت طی یک واکنش شیمیایی قابل شناسایی باشد.
مشکل دیگر این بود که در علامت گذاری سه‌گانه، رنگ شیمیایی نقاط خاصی را ممکن است رنگ نکند و این بخش‌ها با پادتن‌ها واکنش نشان داده و یک سیگنال کاذب ایجاد می‌کنند. در نتیجه، تمایز بین سه برچسب غیر ممکن می‌شود. پژوهشگران با روش پوشاندن آن مناطق با یک ماده‌ی بی‌رنگ به صورتی که آن مناطق دیگر برای آنتی بادی‌ها در دسترس نباشند، این مشکل را حل کردند.
در این مطالعه، دانشمندان به دنبال تفکیک سیگنال‌های حاصل از برچسب‌ها از لحاظ اندازه و مشاهده‌ی گروه‌های سلول‌های بنیادی با ویژگی‌های غیر معمول بودند. پژوهشگران روش برچسب زدن سه‌گانه را برای تجزیه‌وتحلیل سلول‌های بنیادی در مغز، روده و بیضه به کار بردند.
برای مثال تجزیه‌وتحلیل سلول‌های روده (شکل دو را مشاهد کنید): اضافه کردن برچسب‌های مختلف با فواصل ۲۴ ساعته؛ گروه‌هایی از سلول‌های بنیادی که در آن زمان تولید شده‌اند و فرزندان آنها را که در امتداد پرزهای روده پخش شده ند، قابل مشاهده است.
علاوه بر این، علامت‌گذاری سه‌گانه در شناسایی عناصر کلیدی نوروژنز به‌طور دقیق کمک کرد (انیمیشن را ببینید). در نتیجه، نویسندگان مقاله قادر به طراحی ابزاری برای مطالعه‌ی سلول‌های بنیادی در هر بافت خاص شدند که دارای دقتی بالاتر از تکنیک‌های قبلی است. این پیشرفت همچنین موجب افزایش سرعت مطالعه و نیز ساده‌تر شدن آن می‌شود.
انیمیشن، محاسبه‌ی نسبت سلول‌هایی را که به چرخه بازگشت می‌کنند، نشان می‌دهد. سلول‌ها ابتدا با برچسب اول، چهار ساعت بعد با برچسب دوم و ۱۹ ساعت بعد با برچسب سوم علامت‌گذاری می‌شوند. اولگ پوجرنی، پژوهشگر ارشد در آزمایشگاه سلول‌های بنیادی مغزی MIPT و یکی از نویسندگان مقاله می‌گوید:
ما از برچسبگذاری سه‌گانه در تجزیه‌وتحلیل نوروژنز در موش‌ها تحت شرایط مختلفی همچون آزمون‌های رفتاری، رژیم‌های غذایی خاص و قرار گرفتن در معرض اشعه و داروهایی که برای درمان‌های پزشکی استفاده می‌شود (مثل داروهای ضد سرطان) استفاده کرده‌ایم. همچنین برای بررسی اینکه چگونه داروهای مربوط به بیماری‌های عصبی، به‌ویژه آلزایمر، نوروژنز را تحت تاثیر قرار می‌دهند، نیز از این روش استفاده کرده‌ایم. بیماران مبتلا به بیماری آلزایمر با مشکلات متعددی در زمینه‌ی حافظه و توانایی‌های شناختی درگیرند و بر اساس این حجم وسیع اطلاعات ما می‌توانیم تایید کنیم که نوروژنز برای این عملکردهای مغزی بسیار مهم است.