گامی نوین در تحقیقات مغزی: ارگانوئیدهای مغز جنینی انسان، دریچهای به سوی درک پیچیدگیهای مغز و مدلسازی سرطان
در دنیای پیچیده و شگفتانگیز علوم اعصاب، مغز انسان همواره به عنوان یکی از بزرگترین معماها مطرح بوده است. درک عملکرد این عضو حیاتی و ظریف، کلید گشودن بسیاری از رازهای مربوط به رفتار، شناخت و بیماریهای عصبی است. با این حال، مطالعه مغز انسان به دلیل پیچیدگی ساختاری و عملکردی آن، همواره با چالشهای متعددی روبرو بوده است.
یکی از مهمترین موانع در تحقیقات مغزی، محدودیت دسترسی به بافت مغز انسان زنده و سالم است. مطالعات بر روی نمونههای پس از مرگ، گرچه ارزشمند هستند، اما نمیتوانند پویایی و پیچیدگیهای عملکرد مغز زنده را به طور کامل آشکار سازند. از سوی دیگر، استفاده از مدلهای حیوانی برای مطالعه مغز انسان نیز با محدودیتهایی همراه است. مغز انسان ویژگیهای منحصر به فردی دارد که به طور کامل در مدلهای حیوانی بازتاب نمییابد. این تفاوتها، به ویژه در جنبههای مربوط به تکامل و سازماندهی مغز، مطالعه دقیق بسیاری از فرایندهای مغزی انسان را در مدلهای حیوانی دشوار میسازد.
در سالهای اخیر، تلاشهای فراوانی برای توسعه مدلهای آزمایشگاهی (in vitro) مغز انسان صورت گرفته است. این مدلها، با استفاده از بافت مغز انسان یا سلولهای بنیادی، سعی در بازسازی جنبههایی از ساختار و عملکرد مغز در محیط آزمایشگاه دارند. با این حال، مدلهای موجود نیز با چالشهای خاص خود مواجه هستند.
مدلهای دو بعدی (2D) و سه بعدی (3D) مبتنی بر کشت سلولهای بنیادی عصبی، اگرچه امکان مطالعه برخی از جنبههای سلولی مغز را فراهم میکنند، اما از نظر تنوع سلولی و سازماندهی پیچیده مغز، محدودیت دارند. این مدلها اغلب فاقد تنوع سلولی موجود در مغز واقعی هستند و سازماندهی ساختاری آنها به پیچیدگی مغز انسان نمیرسد. از سوی دیگر، مدلهای کشت برش بافتی (tissue slice cultures) که از برشهای نازک بافت مغز تهیه میشوند، تا حدی تنوع سلولی و سازماندهی بافتی مغز را حفظ میکنند، اما عمر کوتاهی دارند و امکان مطالعه فرایندهای طولانیمدت مغز را محدود میسازند.
در این میان، دستاوردی نوین در عرصه تحقیقات مغزی، امیدهای تازهای را برای درک بهتر مغز انسان و بیماریهای آن ایجاد کرده است. گروهی از محققان موفق به توسعه روشی جدید برای تولید ارگانوئیدهای مغز جنینی انسان (FeBOs) شدهاند. این ارگانوئیدها، ساختارهای سه بعدی کوچک و خودسازمانیافتهای هستند که از بافت مغز جنینی انسان به دست میآیند و ویژگیهای کلیدی مغز در حال تکامل را در محیط آزمایشگاه بازسازی میکنند.
ارگانوئیدهای مغز جنینی انسان (FeBOs): رویکردی نوآورانه برای مدلسازی مغز
روش جدید تولید FeBOs، که در مقالهای با عنوان “Generation of human fetal brain organoids and their CRISPR engineering for brain tumor modeling” گزارش شده است، بر حفظ یکپارچگی بافت مغز جنینی انسان در طول فرایند کشت تمرکز دارد. این رویکرد، برخلاف روشهای پیشین که اغلب بر تفکیک سلولهای بنیادی به سلولهای عصبی متکی بودند، مستقیماً از بافت مغز جنینی انسان استفاده میکند. این امر منجر به حفظ تنوع سلولی و سازماندهی پیچیده بافت مغز در ارگانوئیدهای تولید شده میشود.
FeBOs، که با استفاده از این روش نوین تولید میشوند، دارای ویژگیهای منحصر به فردی هستند که آنها را به ابزاری قدرتمند برای تحقیقات مغزی تبدیل میکند:
- حفظ یکپارچگی بافت: روش تولید FeBOs به گونهای طراحی شده است که یکپارچگی بافت مغز جنینی انسان را حفظ کند. این امر به معنای حفظ ارتباطات و تعاملات طبیعی بین سلولهای مختلف مغز در ارگانوئیدها است.
- قابلیت تکثیر طولانیمدت: FeBOs قابلیت تکثیر و گسترش طولانیمدت در محیط آزمایشگاه را دارند. این ویژگی، امکان انجام مطالعات طولانیمدت بر روی این مدلها را فراهم میسازد.
- تنوع سلولی: FeBOs تنوع سلولی قابل توجهی را به نمایش میگذارند که مشابه تنوع سلولی موجود در مغز واقعی است. این تنوع سلولی، امکان مطالعه تعاملات پیچیده بین انواع مختلف سلولهای مغزی را در ارگانوئیدها فراهم میکند.
- سازماندهی پیچیده: FeBOs سازماندهی ساختاری پیچیدهای را نشان میدهند که تا حدی مشابه سازماندهی بافت مغز است. این سازماندهی، امکان مطالعه فرایندهای تکاملی و عملکردی مغز در یک محیط سه بعدی و ساختارمند را فراهم میسازد.
- حفظ ویژگیهای منطقهای: FeBOs به طور گستردهای ویژگیهای منطقهای مغز را حفظ میکنند. این بدان معناست که ارگانوئیدهای مشتق شده از مناطق مختلف مغز، ویژگیهای سلولی و مولکولی متفاوتی را به نمایش میگذارند که مشابه تفاوتهای منطقهای موجود در مغز واقعی است.
پروتکل تولید FeBOs: گام به گام تا مدلسازی مغز در آزمایشگاه
مقاله “Generation of human fetal brain organoids and their CRISPR engineering for brain tumor modeling” به تفصیل مراحل تولید FeBOs را شرح میدهد. این پروتکل، که برای دانشمندان با تجربه در کشت بافت طراحی شده است، شامل مراحل کلیدی زیر است:
- تهیه بافت مغز جنینی: اولین گام در تولید FeBOs، تهیه بافت مغز جنینی انسان است. این بافت، که با رعایت ملاحظات اخلاقی و قانونی تهیه میشود، به عنوان ماده اولیه برای تولید ارگانوئیدها عمل میکند.
- کشت و حفظ یکپارچگی بافت: بافت مغز جنینی در شرایط کشت خاصی قرار داده میشود که به حفظ یکپارچگی بافت و جلوگیری از تفکیک سلولها کمک میکند. این شرایط کشت، شامل محیط کشت مناسب، عوامل رشد و سایر مواد مغذی است که برای رشد و بقای بافت مغز ضروری هستند.
- تکثیر و گسترش FeBOs: در طول زمان کشت، بافت مغز جنینی به تدریج به ارگانوئیدهای سه بعدی تبدیل میشود. این ارگانوئیدها قابلیت تکثیر و گسترش در محیط کشت را دارند و میتوانند به طور طولانیمدت حفظ شوند.
- پاساژ و مشخصهیابی FeBOs: برای حفظ و گسترش FeBOs در طولانیمدت، لازم است که آنها به طور دورهای پاساژ شوند. پاساژ، فرایندی است که در آن ارگانوئیدها به قطعات کوچکتر تقسیم شده و به ظروف کشت جدید منتقل میشوند. علاوه بر پاساژ، مشخصهیابی FeBOs نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. مشخصهیابی، شامل بررسی ویژگیهای مختلف ارگانوئیدها، مانند تنوع سلولی، سازماندهی ساختاری و بیان ژنها است. این بررسیها، به تایید شباهت FeBOs به بافت مغز واقعی و اطمینان از کیفیت مدلهای تولید شده کمک میکند.
مهندسی ژنوم FeBOs با استفاده از کریسپر : مدلسازی سرطان مغز از پایین به بالا
یکی از جنبههای نوآورانه پروتکل تولید FeBOs، امکان مهندسی ژنوم این ارگانوئیدها با استفاده از فناوری CRISPR است. CRISPR، یک ابزار قدرتمند ویرایش ژنوم است که به دانشمندان اجازه میدهد تا تغییرات دقیقی را در DNA سلولها ایجاد کنند. با استفاده از CRISPR، محققان میتوانند ژنهای خاصی را در FeBOs غیرفعال یا فعال کنند و اثرات این تغییرات ژنتیکی را بر رشد، تکامل و عملکرد ارگانوئیدها مطالعه کنند.
در مقاله “Generation of human fetal brain organoids and their CRISPR engineering for brain tumor modeling”، محققان از مهندسی ژنوم FeBOs برای تولید مدلهای سرطان مغز استفاده کردهاند. آنها با ایجاد جهشهای ژنتیکی خاص در FeBOs، موفق به تولید خطوط سلولی جهشیافته FeBOs شدهاند که به عنوان مدلهای انعطافپذیر و از پایین به بالا برای مطالعه سرطان مغز عمل میکنند. این مدلها، امکان مطالعه مراحل اولیه تکوین سرطان مغز، مکانیسمهای مولکولی دخیل در پیشرفت تومور و پاسخ تومور به درمانهای مختلف را فراهم میسازند.
کاربردهای گسترده FeBOs: از درک تکامل مغز تا توسعه درمانهای جدید
FeBOs، چه سالم و چه جهشیافته، کاربردهای گستردهای در تحقیقات مغزی دارند. این مدلها میتوانند در زمینههای مختلفی از جمله موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند:
- مطالعه تکامل مغز انسان: FeBOs، با حفظ ویژگیهای کلیدی مغز در حال تکامل، ابزار ارزشمندی برای مطالعه فرایندهای پیچیده تکامل مغز انسان، مانند تمایز سلولی، مهاجرت نورونها و تشکیل مدارهای عصبی هستند.
- مدلسازی بیماریهای عصبی: FeBOs میتوانند برای مدلسازی بیماریهای مختلف عصبی، مانند بیماری آلزایمر، پارکینسون، اوتیسم و اسکیزوفرنی مورد استفاده قرار گیرند. با ایجاد تغییرات ژنتیکی یا محیطی خاص در FeBOs، میتوان جنبههایی از پاتولوژی این بیماریها را در محیط آزمایشگاه بازسازی کرد و مکانیسمهای بیماریزایی آنها را مطالعه نمود.
- توسعه داروهای جدید: FeBOs میتوانند به عنوان پلتفرمی برای آزمایش داروهای جدید برای بیماریهای عصبی مورد استفاده قرار گیرند. با آزمایش اثرات داروها بر FeBOs، میتوان اثربخشی و سمیت آنها را در یک مدل انسانی پیشبینی کرد و داروهای перспектив را برای آزمایشهای بالینی انتخاب نمود.
- مطالعه سرطان مغز: FeBOs جهشیافته، مدلهای ارزشمندی برای مطالعه سرطان مغز هستند. این مدلها، امکان مطالعه مراحل مختلف تکوین تومور، مکانیسمهای مقاومت دارویی و توسعه رویکردهای درمانی جدید را فراهم میسازند.
زمان و تخصص مورد نیاز برای تولید FeBOs
مقاله “Generation of human fetal brain organoids and their CRISPR engineering for brain tumor modeling” تخمین میزند که دانشمندان با تجربه در کشت بافت، میتوانند انتظار داشته باشند که راهاندازی کشت FeBOs حدود 2 تا 3 هفته طول بکشد. مهندسی ژنوم FeBOs با استفاده از CRISPR، فرایند زمانبرتری است و ممکن است 2 تا 4 ماه به طول انجامد.
نتیجهگیری: FeBOs، ابزاری قدرتمند برای پیشبرد تحقیقات مغزی
توسعه روش جدید تولید ارگانوئیدهای مغز جنینی انسان (FeBOs) و امکان مهندسی ژنوم آنها با استفاده از CRISPR، گامی بزرگ در جهت پیشبرد تحقیقات مغزی محسوب میشود. FeBOs، با حفظ ویژگیهای کلیدی مغز انسان و قابلیت مدلسازی بیماریهای عصبی و سرطان مغز، ابزاری قدرتمند و انعطافپذیر را در اختیار محققان قرار میدهند. این مدلهای نوین، پتانسیل آن را دارند که درک ما از مغز انسان را به طور چشمگیری افزایش داده و راه را برای توسعه درمانهای جدید برای بیماریهای عصبی و سرطان مغز هموار سازند.
منبع:
Generation of human fetal brain organoids and their CRISPR engineering for brain tumor modeling