مقدمة في بيولوجيا الخلايا الجذعية

كما يوحي اسمها ، فإن الخلايا الجذعية هي السلائف التي "تنبع منها العديد من أنواع الخلايا المختلفة". تتميز بفعاليتها ، أو قدرتها على التمايز إلى خلايا من جميع الطبقات الجرثومية الثلاث ، بالإضافة إلى قدرتها على التجدد ، أو قدرتها على توليد المزيد من الخلايا الجذعية. على أمل النهوض بمجالات علم الأحياء التنموي والطب التجديدي ، يعمل باحثو الخلايا الجذعية على فهم كيفية تحقيق هذه الخلايا الفريدة لمثل هذا العمل الفذ الكبير.

يغطي هذا الفيديو الاكتشافات الرئيسية في مجال بيولوجيا الخلايا الجذعية ، والأسئلة الرئيسية التي يطرحها العلماء في هذا المجال ، والأساليب البارزة التي يستخدمها باحثو الخلايا الجذعية ، وتطبيقات أبحاث الخلايا الجذعية.

الآن بعد أن قدمنا مفهوم الخلايا الجذعية ، دعنا نتعمق في التاريخ الغني لأبحاث الخلايا الجذعية.

في الستينيات من القرن العشرين ، اكتشف الدكتوران إرنست ماكولوتش وجيمس تيل بعضا من أولى الأدلة القاطعة على وجود الخلايا الجذعية المكونة للدم في نخاع عظم الثدييات البالغة. تتمتع هذه الخلايا بالقدرة على التجديد الذاتي وهي متعددة القدرات ، مما يعني أنها يمكن أن تتمايز إلى أنواع متعددة ، ولكنها محدودة ، من الخلايا - وهي خلايا الدم والجهاز المناعي.

في عام 1988 ، أتقن إيرفينغ وايزمان وزملاؤه طريقة لتنقية الخلايا الجذعية المكونة للدم من نخاع عظم الفأر.

في عام 1981 ، صاغ البروفيسور جيل مارتن مصطلح "الخلايا الجذعية الجنينية". على عكس الخلايا الجذعية المكونة للدم ، فإن الخلايا الجذعية الجنينية متعددة القدرات ، ولديها القدرة على التمايز إلى جميع أنواع خلايا الجسم. طورت هي والعالمان مارتن إيفانز وماثيو كوفمان ، في وقت واحد ، ولكن بشكل منفصل ، طرقا لاستخراج كتلة الخلية الداخلية من الأكياس الأريمية للفأر وزراعتها في المختبر كخلايا جذعية.

في عام 1998 ، بعد أكثر من عشر سنوات من عزل الخلايا الجذعية الجنينية للفأر ، نجح الدكتور جيمس طومسون في إنشاء أول خطوط الخلايا الجذعية الجنينية البشرية.

في عام 2006 ، حدث اختراق كبير مع ظهور الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات ، كما ابتكرها الدكتور شينيا ياماناكا. بناء على عمل جون جوردون ، طور ياماناكا طريقة لإعادة برمجة الخلايا المتمايزة إلى حالة متعددة القدرات باستخدام الفيروسات القهقرية للحث على التعبير عن مجموعة صغيرة من عوامل النسخ المعروفة الآن باسم "عوامل ياماناكا". تم تسمية الخلايا الناتجة "الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات" أو "iPSCs". اعتبرت هذه التجارب مهمة للغاية لدرجة أن ياماناكا وجوردون حصلا على جائزة نوبل في عام 2012.

في الوقت الحاضر, لدينا الآن نماذج iPSC للعديد من الأمراض البشرية, ومنصات التجديد في أنسجة متعددة.

اليوم ، فإن أبحاث الخلايا الجذعية مدفوعة بالعديد من الأسئلة الشاملة.

أحد أهم هذه الأسئلة هو: كيف تحافظ الخلايا الجذعية على تعدد القدرات والقدرة على التجديد؟ هناك نوعان من الخصائص ذات الصلة للخلايا الجذعية التي تمنح هذه الخصائص. الأول هو التعبير عن جينات محددة ضرورية للجذع والتجديد الذاتي. والثاني هو استجابة الخلايا الجذعية للعوامل التنظيمية التي تؤثر على التعبير عن هذه الجينات.

السؤال المنطقي التالي هو: كيف يتم توجيه تمايز الخلايا الجذعية؟ عندما تتطور الخلية الجذعية إلى خلية ناضجة ، يؤدي تنشيط مسارات التمايز المحددة إلى حدوث تغييرات في التعبير الجيني ، وإيقاف جينات الخلايا الجذعية وتشغيل الجينات الخاصة بالأنسجة ، مما يؤدي إلى زيادة تخصص وظيفة الخلية ومورفولوجيا.

أخيرا ، دعنا نتناول السؤال الرئيسي الذي يدفع تمويل أبحاث الخلايا الجذعية: هل يمكن استخدام الخلايا الجذعية لعلاج الأمراض؟ يعالج الطب التجديدي هذا السؤال بطريقتين: 1) عن طريق إعادة نمو الأعضاء في المختبر ، و 2) عن طريق توصيل الخلايا الجذعية عن طريق الزرع لعلاج تنكس الأنسجة.

الآن بعد أن قدمنا بعض الأسئلة الرئيسية المتعلقة ببيولوجيا الخلايا الجذعية ، دعنا نستعرض بعض الطرق البارزة المستخدمة لمعالجتها.

يمكن استخدام تقنية المصفوفات الدقيقة لاكتشاف الجينات التي تمنح الفاعلية والقدرة على التجديد في الخلايا الجذعية. في هذه التقنية ، يتم عزل الحمض النووي الريبي الكلي من مجموعة من الخلايا ، والتي تعمل كلقطة للتعبير الجيني الحالي. في سلسلة من الخطوات ، يتم تحويل هذا الرنا المرسال إلى مسبار مسمى بالفلورسنت ويتم تهجينه إلى شريحة تحتوي على نسخ من الجينوم البشري بأكمله. يوفر مسح هذه الشريحة قراءة لملفات تعريف التعبير الجيني النسبي. كما ترون ، تعبر الخلية الجذعية عن مجموعة محددة من الجينات التي تختلف عن الخلية المتمايزة.

يتضمن اختبار آخر للجينات متعددة القدرات نظام الكشف Oct4-GFP. Oct4 مطلوب للتجديد الذاتي ، ويتم تنظيمه بسرعة أثناء التمايز. لذلك ، يعمل تعبيره كمؤشر موثوق به على "الجذعية". في هذه التجربة ، تعبر الخلايا عن بروتين الفلورسنت الأخضر تحت سيطرة مروج Oct4. يمكن بعد ذلك التلاعب بهذه الخلايا تجريبيا ، ويتم تحليل التغييرات في تعبير GFP لتحديد الجينات الجديدة أو العوامل القابلة للذوبان التي تعدل التجديد الذاتي.

من أجل دراسة الخلايا الجذعية في المختبر ، يجب أن نفهم أولا كيفية زراعتها. تتطلب الخلايا الجذعية بيئة مكروية معينة للحفاظ على الجذعية. يمكن تحقيق ذلك عن طريق الزراعة المشتركة للخلايا الجذعية مع الخلايا المغذية ، مثل الخلايا الليفية الجنينية للفأر ، أو MEFs. تفرز MEFs مزيجا معقدا من عوامل تعدد القدرات الضرورية والتجديد الذاتي.

في بعض الأحيان ، من المستحسن أن يكون لديك مزارع خالية من المغذيات من الخلايا الجذعية. الطريقة الرئيسية للحفاظ على خطوط الخلايا الخالية من المغذيات هي استكمال وسائط زراعة الخلايا بكواشف مخزون النمو والعوامل المثبطة.

يتم تمييز الخلايا الجذعية في المختبر باستخدام عدة طرق. التعبير الجيني التفاضلي هو المسؤول في النهاية عن تخصص الخلايا. في الطريقة المكونة من خطوتين التي تراها هنا ، يتم تجهيز الخلايا الجذعية الجنينية للفأر المستنبتة لمصير الخلايا العصبية قبل أن يتم تمييزها بشكل أكبر باستخدام وسيط تحريض الخلايا العصبية الحركية. تنشط هذه العوامل مسارات محددة للتعبير الجيني ، مما يؤدي إلى تغيرات مورفولوجية وبروتينية مميزة للخلايا العصبية الحركية.

أحد العيوب الرئيسية للتمايز التقليدي في المختبر هو أن الصفائح المسطحة تقيد نمو الخلايا ثلاثي الأبعاد. طريقة السقوط المعلق وطرق الكبسولة الدقيقة تتحايل على هذه المشكلات. في تقنية القطرة المعلقة ، يتم طلاء قطرات صغيرة من معلقات الخلايا الجذعية على غطاء طبق بتري ويتم زراعتها رأسا على عقب لتشكيل مجاميع من الخلايا الجذعية المعروفة باسم الأجسام الجنينية.

في طرق التغليف الدقيق ، يتم خلط الخلايا الجذعية مع غشاء شبه منفذ متوافق حيويا يسمى الجينات ، ويتم ترسيبها على شكل حبات في ألواح زراعة الخلايا. تسمح كلتا الطريقتين بمزيد من التمايز إلى خلايا متخصصة ، مثل الخلايا العصبية الدوبامينية وخلايا عضلة القلب.

تعد

معرفة كيفية توجيه التمايز خطوة رئيسية نحو استخدام الخلايا الجذعية في الطب التجديدي. يهدف العلاج بزراعة الخلايا الجذعية إلى علاج الأمراض التنكسية وعلاجها عن طريق إصلاح الأنسجة التالفة بالخلايا الجذعية. في هذه التجربة ، يتم إعادة برمجة الخلايا الجسدية من المرضى إلى خلايا iPS عن طريق العدوى اللانتيرالية لعوامل ياماناكا. من حالتها متعددة القدرات ، يتم تمييز الخلايا إلى أنواع محددة من الخلايا وإعادتها إلى المضيف لإصلاح الأنسجة التالفة.

الآن بعد أن تعرفت على بعض الطرق المستخدمة للتحقيق في الخلايا الجذعية ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تطبيق هذه الطرق في تجارب محددة.

في هذه التجربة باستخدام نموذج فأر للتصلب المتعدد ، يتم حقن الخلايا الجذعية العصبية عن طريق الوريد في الفئران المصابة. يتم جمع شرائح دماغ الفئران المعالجة وتصويرها تحت المجهر لتقييم نجاح الزرع. يتم تتبع الخلايا المشتقة من الخلايا السليفة العصبية المانحة باستخدام جين المراسل LacZ. كما ترون ، تمايز عدد من الخلايا الجذعية المانحة واندمجت في الجهاز العصبي المركزي للفئران المريضة.

لا يمكن علاج كل مرض عن طريق الحقن الجهازية. تتطلب إصابات الغضروف ، على سبيل المثال ، سقالات متخصصة لإعادة البناء. في هذه التجربة ، يتم زراعة مزيج من الخلايا الجذعية الوسيطة وعوامل التخثر معا لتشكيل جلطة. ثم يتم وضع الجلطة في غضروف الركبة التالف للأرنب ويسمح لها بالتكامل. بعد هذا الإجراء ، يمكن ملاحظة إعادة تشكيل غضروف الركبة إلى مفصل ناعم وعملي.

في بعض الأحيان ، يتعاون باحثو الخلايا الجذعية ومهندسو الأنسجة لإعادة بناء أعضاء بأكملها. في هذه التجربة ، يتم غسل رئتي الرئيسيات لإزالة الخلايا من العضو ، تاركة وراءها فقط المكونات الهيكلية غير الخلوية. ثم يتم نقل هذه الرئة "الشبح" إلى مفاعل حيوي ، حيث يتم زرعها بالخلايا الجذعية الوعائية والظهارية. لمزيد من تقليد الضغط والسلوك الذي تتعرض له الرئة الطبيعية ، يقوم المفاعل الحيوي بتدوير الوسائط ، ويحافظ على مستويات الضغط والغاز ، ويضخم الرئتين.

لقد شاهدت للتو نظرة عامة على بيولوجيا الخلايا الجذعية في JoVE. للتلخيص ، ناقشنا في هذا الفيديو الخلايا الجذعية وتاريخها وصيانتها وطرق تمايزها وإيصالها وتطبيقات الخلايا الجذعية. شكرا للمشاهدة!