موفقیتی در زمینه رشد ارگانوئیدهای جنینی انسان در آزمایشگاه

چند هفته پس از حاملگی، بدن انسان گام بزرگی را در توسعه‌ی طی می‌کند و رشد و توسعه‌ی آن در دو جهت آغاز می‌شود اما این موضوع که سلول‌ها چگونه زمان رفتن به این فرایند را درک می‌کنند، معمای بزرگی بوده است. اکنون با سازماندهی گروهی از سلول‌های بنیادی برای عمل همچون جنین واقعی انسان، پژوهشگران ایده‌ی بسیار بهتری از بیوشیمی پشت‌صحنه‌ی نحوه‌ی اتفاق افتادن این فرایند در بدنِ در حال توسعه‌ی انسان، به‌دست آورده‌اند. گروهی از دانشمندان دانشگاه راکفلر زمینه‌هایی در فیزیک و زیست‌شناسی را با هم ترکیب کردند تا مدلی را برای یک جنین ۱۰ روزه‌ی انسانی ایجاد کنند که از یک گوی کامل به چیزی با تقارن کمتر تبدیل شود.

در حال حاضر، محدودیت‌های اخلاقی و عملی مرتبط با مطالعه‌ی جنین‌هایی که بیش از ۱۴ روز سن دارند، مطالعه‌ی این لحظات اولیه را با چالش رو‌به‌رو می‌کند. متاسفانه مدل‌های حیوانی تنها تا جایی پیش می‌روند که به جدا شدن ترکیب پیچیده‌ی فعالیت ژنتیکی و بیوشیمیایی که یک سلول بارور را به انسان کامل تبدیل می‌کند، می‌رسد.

برای نزدیک‌تر شدن به تعریف توالی دقیق تغییرات اولیه‌ی مورد نیاز برای قالب گرفتن این لوح سفید بافتی به یک انسان، پژوهشگران می‌توانند سلول‌های تمایزنیافته‌ای که یک جنین را تشکیل می‌دهند، برداشته و آن‌ها را برای نشان دادن یک مرحله‌ی کلیدی در توسعه‌ی جنین سازماندهی کنند. این مدل‌ها که بیشتر مانند ارگانوئیدهای جنینی (embryoids) هستند، ساختارهای مصنوعی هستند که از برخی از ویژگی‌های همتایان بیولوژیکی خود تقلید می‌کنند.

این ارگانوئیدهای جنینی سال‌ها برای مطالعه‌ی سلول‌ها و توسعه‌ی جنینی مورد استفاده قرار گرفته است، بنابراین ازلحاظ تکنیکی ابزار آزمایشگاهی کاملا جدیدی نیستند. اما به‌عنوان تقریب‌های مصنوعی، یافتن مناسب‌ترین ساختار برای نشان دادن یک مرحله‌ی توسعه‌ی خاص کار ساده‌ای نیست. میجو سیمینوویچ دانشمند شاخه‌ی فیزیک و بیوشیمی می‌گوید:

ما برای ایجاد این مدل چندین تکنیک را با هم ترکیب کردیم (مهندسی زیستی، فیزیک، و زیست‌شناسی توسعه‌ای) و اکنون یک سیستم سه‌بعدی داریم که نه‌تنها از اثرانگشت ژنتیکی جنین تقلید می‌کند بلکه دارای ساختار و اندازه‌ی مشابهی است.

این مدل‌های سه‌بعدی قرار است کار خاصی انجام دهند. مطالعات انجام شده روی جنین‌ موش نشان داده است که چگونه یک گوی ساده از سلول‌های درحال تقسیم، خطی را ترسیم کرده که مشخص می‌کند کدام انتها به سر و کدام انتها به دم تبدیل خواهد شد؛ لحظه‌ای که با عنوان «شکست تقارن» شناخته می‌شود. سیمینوویچ می‌گوید:

شکست تقارن تقریبا هرچیزی را که در جریان توسعه‌ی جنین اتفاق می‌افتد، پیش می‌برد. سر ما مثل پاهای ما به‌نظر نمی‌رسد و علت آن است که در یک نقطه از زمان، جنین به دو بخش تقسیم می‌شود: بخش قدامی و بخش خلفی.

این مرحله‌ی مهم که لایه‌زایی نامیده می‌شود، در تمامی پستانداران اتفاق می‌افتد. دو سال پیش پژوهشگران شواهدی از این فرایند را در خوشه‌ای از سلول‌های بنیادی انسانی پیدا کردند که نشان می‌داد شاید بتوان ارگانوئیدهای جنینی طراحی شده برای یک وظیفه را مورد مطالعه قرار داد.

پژوهشگران برای مشخص کردن جزئیات بیوشیمیایی پشت‌صحنه‌ی لایه‌زایی در انسان‌ها، عامل رشدی را که مسئول الگوهای آناتومیکی در جنین‌های موش و انسان است، مورد آزمایش قرار دادند. نام این عامل پروتئین شماره ۴ مورفوژنیک استخوان (BMP4) است. سیمینوویچ می‌گوید:

ما BMP4 را اضافه کردیم و دو روز بعد یک بخش از کشت سه‌بعدی به بخش خلفی آینده و بخش مقابل به بخش قدامی آینده تبدیل شد.

این یافته‌ها نه‌تنها به ما کمک می‌کنند که شباهت‌ها و تفاوت‌های محوری را در آزمایش‌های انجام شده روی جنین دیگر حیوانات تشخیص دهیم بلکه همچنین می‌توانند توضیح دهند که چرا برخی از جنین‌ها سرانجام توسعه یافته و برخی دیگراصلا نمی‌توانند در بدن کشت شوند.

توسعه‌ی مدل ارگانوئید جنینی ممکن است پیروزی بزرگی برای علم باشد اما این نوآوری درنهایت می‌تواند به بدترین دشمن خود تبدیل شود. این سؤال که چه زمانی تقریب مصنوعی از یک جنین، از مرز بین مدل شبه‌زنده و انسان معتبر عبور می‌کند، با افزایش پیچیدگی‌ها تیره‌و‌تار می‌شود. پژوهشگران این مطالعه بر این نکته تأکید کرده‌اند که در این جا یک تمایزی وجود دارد و درحالی‌که آن‌ها در حال تلاش برای ایجاد مدل‌های پیچیده‌تر هستند، این ارگانوئیدهای جنینی هرگز درصورتی که به آن‌ها اجازه‌ی رشد داده شود، تبدیل به جنین انسان نخواهند شد.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی Nature Cell Biology منتشر شده است.