دانشمندان دانشگاه هاروارد و مرکز مطالعات روانشناسی Stanley در انستیتو Broad یک موفقیت بسیار بزرگ در ایجاد ارگانوئیدهای مغزی انسان کسب کرده‌اند. ارگانوئیدهای مغزی انسان، بافتهای کشت یافته سه بعدی و مینیاتوری هستند که سلولهای مغزی هر بیمار را در یک ظرف مدلسازی می‌کنند. این روش جدید که در نشریه Nature منتشر شده‌است، سلولهایی همانند قشر مخ انسان در حال تکامل ایجاد می‌کند. این پیشرفت می‌تواند مسیری را که محققان به مطالعه بیماری‌های عصبی-روانی و بررسی کارآیی داروها می‌پردازند، تغییر دهد.
یک ارگانوئید مغز پس از یک ماه رشد در آزمایشگاه، خوشه‌های سلولی را که به نورون تکامل می‌یابند، شامل می‌شود
ژنتیک مسئول بیماری‌های عصبی انسان، پیچیده است. مطالعه بیماری‌های عصبی در حیوانات دیگر، فرصتهای محدودی برای کشف یافته‌های مرتبط با مغز انسان ایجاد می‌کند.
ارگانوئیدها، امید زیادی برای مطالعه بیماری در انسان بصورت مستقیم ایجاد کرده‌اند، ولی در یک مسیر بسیار مهم شکست خورده‌اند.
پائولا آرلوتا، استاد زیست شناسی بازساختی و سلولهای بنیادی در هاروارد شرح داد: “ما ممکن است مغزهای خود را بصورت متفاوت از یکدیگر استفاده کنیم، ولی همگی از مجموعه مشابهی سلول و ارتباطات پایه‌ای برخورداریم. این پایداری، ضروری است و بجز چند مورد استثنا، هر دفعه در رحم مادر باعث تشکیل مغز انسان می‌شود. در افراد مختلف، تنها اختلافهای بسیار اندکی در مورد انواع سلولها و ساختارها در مغز وجود دارد.”
تاکنون این مورد در ارگانوئیدها مورد توجه قرار نگرفته‌است. با اینکه آنها سلولهای مغز انسان را تولید می‌کنند، ولی هر سلول منحصربفرد است. این بدین معنی است که آنها نمی‌توانند به آسانی در مقایسه تفاوتهای میان بافت مغز بیمار و گروه کنترل، مورد استفاده قرار گیرند.
آرلوتا ادامه داد: “ارگانوئیدها بصورت قابل توجهی، توانایی ما در مطالعه تکامل مغز انسان را فراتر برده‌اند. ولی تاکنون هر ارگانوئید مانند یک دانه برف، منحصر بوده و ترکیب مخصوصی از سلولها را به طریقی که قابل پیش بینی نیست، ایجاد می‌کند. ما این مشکل را حل کرده‌ایم.”
تیم تحقیق بر پایه‌ی مطالعات اساسی یوشیکی ساسای فقید، ارگانوئیدهایی تولید کرده‌است که عملا از یکدیگر قابل تمییز هستند-حتی در صورتیکه بمدت بیش از شش ماه در آزمایشگاه رشد کنند.
بعلاوه، ارگانوئیدها تحت شرایط کشت مخصوصی، سالم بوده و قادر به ایجاد طیف گسترده‌ای از سلولها که بطور طبیعی در قشر مخ انسان یافت می‌شوند، بوده‌اند.
این پیشرفتها بدین معنی است که ارگانوئیدهای مغزی حالا می‌توانندبعنوان سیستمهای مطالعاتی زنده بمنظور مطالعه بیماری‌های در بافتهای بیماران بصورت مستقیم مورد استفاده قرار گیرند. همچنین این ساختارها می‌توانند در مقایسه تفاوتهای اثرات دارویی بر بافت مغزی انسان استفاده شوند.
سلولهای مشابه، مسیر مشابه
محققان تمرکز خود را بر روی ارگانوئیدهای قشر مخ منعطف ساختند: قسمتی از مغز که مسئول شناخت، زبان، و احساس است. قشر مخ نقش اساسی در بیماری‌های عصبی-روانی مانند طیف اختلال اوتیسم و اسکیزوفرنی ایفا می‌کند.
سیلویا ولاسکو، مولف ارشد مطالعه گفت: “ما ارگانوئیدها را از رده‌های متعدد سلولهای بنیادی، با منشا مذکر و مونث، تولید کردیم-بهمین دلیل زمینه ژنتیکی آنها متفاوت بود.”
بافت مغز انسان بطرز بسیار آهسته‌ای رشد می‌کند. در این مطالعه پس از شش ماه، ارگانوئیدها به اندازه ۳ میلیمتر رشد کردند. در بزرگترین مطالعه توالی یابی RNA در سلول منفرد تاکنون، محققان سلولها را بر اساس ژنهایی که در هر مرحله بیان می‌شوند، دسته بندی کردند. با بهره گیری از مدلهای محاسباتی ، آنها هر گروه را با انواع سلولی که در قشر مخ رویانی تکامل می‌یابد، مقایسه کردند.
ولاسکو اذعان داشت: “علیرغم زمینه‌های ژنتیکی متفاوت، ما شاهد این بودیم که انواع مشابه سلولی به طرز مشابهی و از همه مهمتر در تمامی ارگانوئیدها رشد کردند. این بسیار هیجان انگیز است که چنین تداومی در این مدل مشاهده کنیم.”
مسیر جدیدی برای بررسی بیماری
با بهره گیری از روش بهینه شده از این مطالعه، محققان قادر به ساخت ارگانوئیدها از سلولهای بنیادی مشتق از بیماران یا مهندسی سلولهای حاوی جهشهای مرتبط با بیماری‌های خاص بودند.
آزمایشگاه آرلوتا اکنون در حال بررسی اوتیسم با بهره گیری از تکنیکهای ویرایش ژن CRISPR/Cas9 برای ساخت ارگانوئیدهای اختصاصی‌تر برای این اختلال است.
آرلوتا گفت: “اکنون، مقایسه ارگانوئیدهای کنترل با ارگانوئیدهای حاوی جهشهایی که به باور ما مرتبط با بیماری هستند، ممکن است. این امکان، قطعیت بیشتری در مورد اهمیت تفاوتها، سلولهای درگیر و مسیرهای دخیل به ما خواهد داد. داشتن ارگانوئیدهای باز تولید پذیر ما را در حرکت به سمت مداخلات قوی یاری می‌کند، زیرا آنها ما را به سمت ویژگی‌های ژنتیکی مخصوصی که به بیماری منجر می‌شوند، هدایت خواهند کرد. پیش بینی من این است در آینده، ما قادر خواهیم بود پرسشهای دقیق‌تری در مورد رخدادهای دچار اختلال در زمینه‌ی بیماری‌های روانی مطرح کنیم.”
آویو رجو، مولف دستیار مطالعه می‌گوید: “در مدت زمان اندکی، ما حجم قابل توجهی از اطلاعات را در مورد انواع متفاوت سلولی در مغز انسان بدست آوردیم. این اطلاعات، یک پایه برای ساخت مدلهایی از این ارگان بسیار پیچیده، برای ما فراهم کرد. غلبه بر مشکلات باز تولید پذیری، درب‌ها را برای مطالعه مغز انسان به طرقی که در سالهای اخیر غیر ممکن تلقی می‌شد، می‌گشاید.”
