مقدمة في تكوين الأعضاء

يبحث العلماء في مجال تكوين الأعضاء في تطور الأعضاء ذات الأشكال والوظائف عالية التخصص.

تنشأ الأعضاء في وقت متأخر نسبيا أثناء التطور ، بعد أن ترتب الخلايا الجنينية نفسها في ثلاث طبقات خلوية منفصلة تعرف باسم الطبقات الجرثومية. من خلال النظر في كيفية تكوين الأعضاء ، يمكن للباحثين فهم كيفية عمل الأعضاء الفردية بشكل أفضل ، وإنشاء علاجات من شأنها تصحيح الأمراض البشرية المتعلقة بفشل الأعضاء.

يقدم هذا الفيديو تاريخا موجزا لأبحاث تكوين الأعضاء ، ويقدم الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الأجنة الذين يدرسون تكوين الأعضاء ، ويصف بعض الأدوات المتاحة للإجابة على هذه الأسئلة ، وأخيرا يناقش التجارب الحالية التي يتم إجراؤها في هذا المجال.

لنبدأ بمراجعة بعض الدراسات البارزة في تاريخ أبحاث تكوين الأعضاء.

في عشرينيات القرن التاسع عشر ، وصف كارل فون باير وكريستيان هاينريش باندر نظرية الطبقة الجرثومية للتطور. بناء على نموذج الفرخ ، اقترح فون باير وباندر أن جميع أجنة الفقاريات تتكون من ثلاث طبقات خلوية أولية متميزة ، والتي تؤدي معا إلى ظهور جميع الأعضاء البالغة. يؤدي الأديم الباطن إلى ظهور أنسجة عميقة مثل بطانة الأمعاء والجهاز التنفسي ، ويشكل الأديم المتوسط الأنسجة الوسطى بما في ذلك العضلات والدم ، ويولد الأديم الظاهر أنسجة سطحية أكثر مثل الجلد والأعصاب.

بعد ستين عاما في عام 1885 ، نشر فيلهلم هيه أول أطلس للأجنة البشرية التي أعيد بناؤها من أقسام مجهرية. قدمت هذه المجموعة واحدة من أولى الأوصاف التفصيلية لتكوين الأعضاء ، وافترضت كيف ترتب مجموعات مختلفة من الخلايا نفسها لتشكيل أعضاء مثل القلب والعينين والدماغ.

في عام 1924 ، اتخذ عالما الأجنة هانز سبيمان وهيلدا مانجولد نهجا أكثر تجريبية لدراسة تكوين الأعضاء: قاموا بإجراء عمليات زرع الأنسجة في البرمائيات لدراسة منطقة من الجنين النامي تعرف الآن باسم منظم سبيمان. أدى زرع المنظم من جنين إلى آخر إلى تكوين الأنسجة العصبية الثانوية. أصبح هذا التغيير في الأنماط التنموية بسبب التفاعلات الخلوية معروفا باسم "الحث" ، وهو خطوة أولى حاسمة في تكوين العديد من الأعضاء.

في العقود التي أعقبت هذا الاكتشاف الكبير ، كان التقدم في الفحص المجهري والبيولوجيا الجزيئية يعني أنه يمكن الآن دراسة الأجنة على المستويين الخلوي والجزيئي. في الأربعينيات من القرن العشرين ، استخدمت سالومي غلوكسون ويلش الفأر كنموذج لفهم أن جينات معينة يمكن أن تنظم نمو الأعضاء. وأظهرت أن الفئران التي لديها طفرات في جين T-locus تفتقر إلى الهياكل المهمة في الجهاز العصبي النامي ، مثل الحبل الظهري.

مهد

هذا العمل الطريق ل WT Green للتحقيق في توليد الأنسجة في المختبر خلال السبعينيات من خلال زرع خلايا غضروفية سليمة مستزرعة في المختبر في الفئران العارية. على الرغم من عدم نجاحها ، إلا أن النتائج التي توصل إليها جرين في عام 1981 ساعدت الباحثين ، مثل إيوانيس ياناس ويوجين بيل ، على إدخال الأنسجة المزروعة في المختبر مرة أخرى إلى الحية.

الآن بعد أن استعرضنا بعض النقاط البارزة التاريخية ، دعنا نفحص بعض الأسئلة الأساسية التي تواجه مجال تكوين الأعضاء اليوم.

سنبدأ ربما بأوسع سؤال يطرحه علماء الأجنة: كيف تتحول مجموعات الخلايا إلى أعضاء عالية التنظيم؟ للحصول على إجابات ، غالبا ما يركز الباحثون على الأحداث المورفولوجية المحددة ، مثل تفرع الأنابيب البسيطة إلى شبكات أنبوبية معقدة. قد تكون الآليات التي تتحكم في هذه العمليات في نسيج واحد مشابهة لتلك المستخدمة في الأنسجة الأخرى ذات الهياكل المماثلة ، مما يعطي الباحثين أدلة حول كيفية تصميم تجاربهم.

يهتم علماء الأجنة أيضا بكيفية توجيه جينات معينة لتكوين الأعضاء. يركز البعض على الجينات الفردية وكيف تعمل منتجاتها للتحكم في حجم الخلايا وشكلها ، وكذلك كيفية توليد الخلايا للإشارات والاستجابة لها من أجل تكوين عضو عامل.

يبحث آخرون في الآليات التي تحدد متى وأين يتم التعبير عن الجينات. عوامل النسخ ، على سبيل المثال ، هي بروتينات ترتبط بتسلسلات DNA محددة للتحكم في التعبير عن الجينات القريبة. من خلال تنظيم مجموعات كاملة من الجينات التي تحدد كل هوية خلية معينة في وقت واحد ، يمكن لعدد صغير نسبيا من عوامل النسخ توجيه تكوين أعضاء بأكملها.

نظرا لأن الخلايا حساسة أيضا للإشارات الميكانيكية ، فإن العديد من العلماء يستكشفون كيف توجه القوى الفيزيائية تكوين الأعضاء. ينظر البعض إلى كيفية تأثير القوة الناتجة عن تدفق السوائل فوق أسطح الخلايا ، والمعروفة باسم إجهاد القص ، على تمايز الخلايا. يفكر آخرون في كيفية تعزيز توتر الأنسجة للروابط بين الخلايا ، والتي تعتبر مهمة لسلامة الأنسجة مثل العضلات والعظام.

أخيرا ، نظرا لعدم وجود عدد كاف من الأعضاء البشرية السليمة المتاحة لتلبية الحاجة إلى عمليات الزرع ، يبتكر العلماء طرقا جديدة لهندسة الأعضاء في المختبر. تشمل أهدافهم الأساسية إنشاء سقالات ، أو هياكل اصطناعية قادرة على دعم الأنسجة ثلاثية الأبعاد ، وتحسين ظروف نمو الأعضاء. الخلايا المستخدمة لبناء عضو ، على سبيل المثال ، يجب أن تكون قادرة على زيادة عدد سكانها بسرعة مع الحفاظ على استقرار وراثي. عندما يتم تجميع الخلايا بنجاح في الأنسجة ، فإن ضمان تطوير العضو لإمدادات الدم الوظيفية يمثل تحديا إضافيا.

الآن بعد أن شعرت ببعض الأسئلة الرئيسية التي أثارها علماء الأجنة ، دعنا نلقي نظرة على بعض أدوات البحث التي يستخدمونها للعثور على إجابات.

تستخدم تقنيات التصوير المختلفة للنظر في الخلايا التي تتجمع في أعضاء أكثر تعقيدا. رسم خرائط المصير هو أحد الأساليب التي تعتمد بشكل كبير على التصوير ، لأنه يتضمن تتبع الخلايا المفردة وذريتها طوال فترة التطور. لإنشاء خرائط المصير ، يمكن للعلماء مراقبة الخلايا ذات الأهمية عن طريق تصنيفها بببتيدات الفلورسنت.

التصوير ضروري أيضا في تجارب تطعيم الخلايا وزرعها. هنا ، يتم زرع الخلايا بين كائنين ، متبرع ومضيف ، ثم يتم استخدام علامات خاصة بالكائن الحي لتحديد كيفية تحديد هوية الخلايا المزروعة وموضعها لمساهمتها في نمو الأعضاء.

لفحص التحكم الجيني لنمو الأعضاء ، لدى العلماء عدد من الاستراتيجيات لمعالجة التعبير الجيني في الأنسجة النامية. باستخدام التكنولوجيا المعدلة وراثيا ، على سبيل المثال ، يمكن تعديل جينومات لزيادة أو تقليل التعبير عن جينات معينة إما في بأكمله أو في أنسجة مختارة. للحصول على نهج أبسط للتلاعب الجيني ، كثيرا ما تستخدم تقنيات مثل نقل الفيروس لتوصيل التعبير الجيني بسرعة أو إسكات التركيبات إلى مجموعات أصغر من الخلايا.

لدراسة دور القوى الميكانيكية أثناء التطوير ، غالبا ما يلجأ العلماء إلى أنظمة الثقافة المختبرية التي تحاكي فسيولوجيا الجسم الحي. على سبيل المثال ، يمكن شد الخلايا المزروعة على ركائز مرنة أثناء نموها. كثيرا ما تزرع الخلايا أيضا في غرف موائع دقيقة متخصصة لتقليد إجهاد القص. ثم يتم استخدام التألق المناعي وطرق الفحص المجهري الأخرى للنظر في كيفية تأثر نمو الأنسجة والتلامس الخلوي.

هندسة الأنسجة هي تقنية تركز على ترجمة المعرفة بتكوين الأعضاء إلى علاجات سريرية ، وتتضمن زراعة الخلايا السليمة على السقالات البيولوجية. يمكن بناء السقالات عن طريق إزالة المواد الخلوية من الأنسجة باستخدام المنظفات والأملاح والإنزيمات ، ثم إعادة ملء الأنسجة ذات الأهمية بالخلايا الجذعية. بدلا من ذلك ، يمكن إنشاء السقالات من البوليمرات القابلة للتحلل باستخدام الشحنة الكهربائية. بغض النظر عن كيفية صنعها ، يتم زرع السقالات بالخلايا وزراعتها في ظل ظروف خاضعة للرقابة في إعدادات متخصصة تعرف باسم المفاعلات الحيوية.

الآن بعد أن أصبحت على دراية ببعض الأساليب الشائعة لدراسة تكوين الأعضاء ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تطبيق هذه الأساليب.

الكائنات الحية التي تحتوي على خلايا من أكثر من جينوم واحد ، والمعروفة باسم الوهم الجنيني ، هي أدوات مفيدة لتتبع حركات الخلايا. في هذه التجربة ، تم صنع كيميرا أسماك الزرد عن طريق زرع خلايا مانحة مصنفة بالفلورسنت إلى أجنة مضيفة غير مصنفة. تم استخدام عمليات الزرع هذه لدراسة دور الهجرة وتحديد مصير الخلية في تطور الهياكل الجنينية مثل العضلات والدماغ.

لفهم الأدوار التي تلعبها جينات معينة في نمو الأعضاء ، يقوم العلماء بتغيير التعبير الجيني. في هذه التجربة ، تم حقن قليل النوكليوتيدات المضادة للمعنى الخاصة بالجينات ، والمعروفة باسم مورفولينوس ، لأول مرة في بيض الزرد المخصب. بعد ذلك ، تم تحليل القلوب النامية باستخدام علامة فلورية يتم التعبير عنها بشكل انتقائي في عضلة القلب. هنا ، أدى الانهيار المشترك لجينين إلى منع نمو القلب تماما.

تسمح هندسة الأنسجة للعلماء بالتحقيق في التفاعلات بين أنواع الخلايا المختلفة ، وسد الفجوة بين الدراسات في المختبر وفي الجسم الحي. في هذه التجربة ، تم إنشاء عمليات إعادة بناء لجلد الإنسان في المختبر. للنظر في نمو الجلد ، وكذلك تطور السرطان ، تم تتبع هجرة الخلايا الجذعية الجلدية باستخدام البروتينات ذات العلامات الفلورية. ثم تم تطعيم إعادة بناء الجلد على الفئران من أجل دراسة مصير خلايا الجلد وعلم وظائف الأعضاء في نظام حي.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن تكوين الأعضاء. في هذا الفيديو ، قمنا بمراجعة تاريخ أبحاث تكوين الأعضاء وقدمنا الأسئلة الرئيسية التي يطرحها علماء الأجنة. استكشفنا أيضا استراتيجيات البحث البارزة في هذا المجال ، وناقشنا بعض تطبيقاتها الحالية. شكرا للمشاهدة!