מבוא לאורגנוגנזה
מדענים בתחום האורגנוגנזה חוקרים התפתחות של איברים עם צורות ותפקודים מיוחדים מאוד.
איברים מתעוררים מאוחר יחסית במהלך ההתפתחות, לאחר התאים העובריים סידרו את עצמם לשלוש שכבות תאים נפרדות המכונות שכבות הנבט. על ידי בחינת האופן שבו איברים נוצרים, החוקרים יכולים להבין טוב יותר כיצד איברים בודדים מתפקדים, וליצור טיפולים שיתקן מחלות אנושיות הקשורות לאי ספיקת איברים.
וידאו זה מציג היסטוריה קצרה של מחקר organogenesis, מציג שאלות מפתח שנשאלו על ידי עוברים שחוקרים היווצרות איברים, מתאר כמה כלים זמינים לענות על שאלות אלה, ולבסוף דן בניסויים הנוכחיים שנערכים בתחום.
בואו נתחיל על ידי סקירת כמה מחקרים ציון דרך בהיסטוריה של מחקר organogenesis.
בשנות ה-20 של ה-19 תיארו קרל פון בר וכריסטיאן היינריך פנדר את תיאוריית ההתפתחות של שכבת הנבטים. בהתבסס על מודל האפרוח, פון בר ו פנדר הציעו שכל העוברים בעלי החוליות מורכבים משלוש שכבות תאים עיקריות נפרדות, אשר יחד מעוררות את כל האיברים הבוגרים. האנדודרם יוצר רקמות עמוקות כגון רירית המעי ודרכי הנשימה, המסודרם יוצר רקמות אמצעיות כולל שריר ודם, והקטודרם מייצר רקמות שטחיות יותר כמו עור ועצבים.
שישים שנה מאוחר יותר בשנת 1885, וילהלם שלו פרסם את האטלס הראשון של עוברים אנושיים ששוחזרו מחלקים מיקרוסקופיים. אוסף זה סיפק את אחד התיאורים המפורטים הראשונים של organogenesis, והשערות על האופן שבו קבוצות שונות של תאים מסדרות את עצמן ליצירת איברים כגון הלב, העיניים והמוח.
בשנת 1924, העוברים הנס ספמן והילדה מנגולד נקטו בגישה ניסיונית יותר לחקר האורגנוגנזה: הם ביצעו השתלות רקמות דו-חיים כדי לחקור אזור בעובר המתפתח הידוע כיום כמארגן ספמן. השתלת המארגן מעובר אחד למשנהו גרמה להיווצרות של רקמות עצביות משניות. שינוי זה בדפוס ההתפתחותי עקב אינטראקציות תאיות נודע בשם "אינדוקציה", והוא צעד ראשון קריטי בהיווצרות איברים רבים.
בעשורים שלאחר תגלית גדולה זו, ההתקדמות במיקרוסקופיה וביולוגיה מולקולרית פירושה שניתן ללמוד עוברים כעת ברמות התאיות והמולקולריות. בשנות ה-40 של ה-40, שלומית גלוקסון-וולש השתמשה בעכבר כמודל כדי להבין שגנים ספציפיים יכולים לווסת את התפתחות האיברים. היא הראתה שעכברים עם מוטציות בגן T-לוקוס חסרים מבנים חשובים במערכת העצבים המתפתחת, כמו נוטוקורד.
עבודה זו סללה את הדרך עבור W. T. Green לחקור את הדור של רקמות במבחנה במהלך 1970 על ידי השתלת תאי סחוס בריאים תרבית במעבדה לעכברים עירומים. למרות שלא הצליחו, בשנת 1981 הממצאים של גרין עזרו לחוקרים, כגון יואניס יאנס ויוג'ין בל, להכניס רקמות הגדלות במבחנה בחזרה לבעלי חיים חיים.
כעת, לאחר שסקרנו כמה נקודות עיקריות היסטוריות, בואו נבחן כמה שאלות בסיסיות העומדות בפני תחום האורגנוגנזה כיום.
נתחיל אולי בשאלה הרחבה ביותר שנשאלה על ידי עוברים: כיצד קבוצות תאים הופכות לאיברים מובנים מאוד? לקבלת תשובות, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות באירועים מורפולוגיים מוגדרים, כמו הסתעפות של צינורות פשוטים לרשתות צינוריות מורכבות. המנגנונים השולטים בתהליכים אלה ברקמה אחת עשויים להיות דומים לאלה המשמשים ברקמות אחרות עם מבנים אנלוגיים, מה שנותן לחוקרים רמזים כיצד לעצב את הניסויים שלהם.
עוברים מתעניינים גם באופן שבו גנים ספציפיים מכוונים אורגנוגנזה. חלקם מתמקדים בגנים בודדים וכיצד המוצרים שלהם מתפקדים כדי לשלוט בגודל ובצורה של תאים, כמו גם באופן שבו תאים יוצרים ומגיבים לאותות כדי ליצור איבר מתפקד.
אחרים חוקרים את המנגנונים הקובעים מתי והיכן הגנים באים לידי ביטוי. גורמי שעתוק, למשל, הם חלבונים המתחברים לרצפי DNA ספציפיים כדי לשלוט בביטוי של גנים סמוכים. על ידי ויסות בו זמנית של קבוצות שלמות של גנים המגדירים כל זהות תא מסוימת, מספר קטן יחסית של גורמי שעתוק יכול לכוון את היווצרות האיברים שלמים.
מאחר שתאים רגישים גם לרמזים מכניים, מדענים רבים חוקרים כיצד כוחות פיזיים מנחים אורגנוגנזה. יש מסתכלים על האופן שבו הכוח שנוצר על ידי נוזלים הזורמים על פני משטחי התא, המכונה מתח גיזה, משפיע על בידול התאים. אחרים רואים כיצד מתח רקמות מקדם קשרים בין תאים, אשר חשובים לשלמות של רקמות כמו שרירים ועצמות.
לבסוף, מכיוון שאין מספיק איברים אנושיים בריאים זמינים כדי לענות על הצורך בהשתלות, מדענים ממציאים דרכים חדשות להנדס איברים במעבדה. המטרות העיקריות שלהם כוללות יצירת פיגומים, או מבנים מלאכותיים המסוגלים לתמוך ברקמות תלת-ממדיות, ואופטימיזציה של התנאים לצמיחת איברים. תאים המשמשים לבניית איבר, למשל, חייבים להיות מסוגלים להרחיב את אוכלוסייתם במהירות תוך שמירה על יציבות גנטית. כאשר תאים מורכבים בהצלחה לתוך רקמות, להבטיח כי האיבר מפתח אספקת דם פונקציונלית הוא אתגר נוסף.
עכשיו שיש לכם תחושה של כמה שאלות מרכזיות שהועלו על ידי עוברים, בואו נסתכל על כמה כלי מחקר שהם משתמשים בהם כדי למצוא תשובות.
טכניקות הדמיה שונות משמשות להסתכל על תאים להרכיב לתוך איברים מורכבים יותר. מיפוי גורל הוא גישה אחת המסתמכת במידה רבה על הדמיה, שכן היא כרוכה במעקב אחר תאים בודדים וצאצאיהם לאורך כל הפיתוח. כדי ליצור מפות גורל, מדענים יכולים לעקוב אחר תאים מעניינים על ידי תיוג אותם עם פפטידים פלואורסצנטיים.
הדמיה נחוצה גם בניסויי השתלת תאים והשתלות. כאן, תאים מושתלים בין שני אורגניזמים, תורם ומארח, וסמנים ספציפיים לאורגניזם משמשים לאחר מכן כדי לקבוע כיצד זהותם ומיקום התאים המושתלים קובעים את תרומתם לפיתוח איברים.
כדי לבחון את השליטה הגנטית בהתפתחות האיברים, למדענים יש מספר אסטרטגיות לתפעל ביטוי גנים בפיתוח רקמות. באמצעות טכנולוגיה מהונדסת, למשל, ניתן לשנות גנומים של בעלי חיים כדי להגדיל או להקטין ביטוי של גנים ספציפיים בכל החיה או ברקמות נבחרות. עבור גישה פשוטה יותר למניפולציה גנטית, טכניקות כמו טרנסדוקציה ויראלית משמשות לעתים קרובות כדי לספק במהירות ביטוי גנים או השתקת מבנים לאוכלוסיות קטנות יותר של תאים.
כדי לחקור את תפקידם של כוחות מכניים במהלך הפיתוח, מדענים פונים לעתים קרובות למערכות תרבות במבחנה המחקות בפיזיולוגיה של vivo. לדוגמה, תאים הגדלים על מצעים גמישים יכולים להיות מתוחים ככל שהם גדלים. תאים גדלים לעתים קרובות גם בתאים מיקרופלואידיים מיוחדים כדי לחקות מתח גיסת. אימונופלואורסצנטיות ושיטות מיקרוסקופיות אחרות משמשות לאחר מכן כדי לבחון כיצד התפתחות רקמות ומגעים תאיים מושפעים.
הנדסת רקמות היא טכניקה המתמקדת בתרגום הידע על היווצרות איברים לטיפולים קליניים, וכוללת פולחן תאים בריאים על פיגומים ביולוגיים. פיגומים יכולים להיבנות על ידי הסרת חומרים תאיים מרקמות באמצעות חומרי ניקוי, מלחים ואנזימים, ולאחר מכן לאכלס מחדש את רקמת העניין עם תאי גזע. לחלופין, פיגומים יכולים להיווצר מפולימרים מתכלים באמצעות מטען חשמלי. ללא קשר לאופן שבו הם מיוצרים, פיגומים נזרעים עם תאים ותרבית בתנאים מבוקרים במערך מיוחד המכונה bioreactors.
עכשיו שאתם מכירים כמה גישות נפוצות לחקר האורגנוגנזה, בואו נסתכל על האופן שבו שיטות אלה מיושמות.
אורגניזמים המכילים תאים מיותר מגנום אחד, המכונה כימרות עובריות, הם כלים שימושיים למעקב אחר תנועות תאים. בניסוי זה, כימרות דגי זברה נעשו על ידי השתלת תאים תורמים פלואורסצנטריים לעוברים מארחים ללא תווית. השתלות אלה שימשו לחקר תפקיד ההגירה וקביעת גורל התא בהתפתחות מבנים עובריים כמו השריר והמוח.
כדי להבין את התפקידים שגנים ספציפיים ממלאים בהתפתחות האיברים, מדענים משנים את ביטוי הגנים. בניסוי זה, אוליגונוקלאוטידים ספציפיים לגנים, המכונים מורפולינוס, הוזרקו לראשונה לתוך ביצי דגי זברה מופרות. לאחר מכן, לבבות מתפתחים נותחו באמצעות סמן פלורסנט שבא לידי ביטוי באופן סלקטיבי בשריר הלב. כאן, ההשבתה המשולבת של שני גנים חסמה לחלוטין את התפתחות הלב.
הנדסת רקמות מאפשרת למדענים לחקור אינטראקציות בין סוגי תאים שונים, ולגשר על הפער בין מחקרים במבחנה לבין מחקרי ויוו. בניסוי זה, שחזורים של עור אנושי נוצרו במעבדה. כדי להסתכל על התפתחות העור, כמו גם התקדמות סרטן, נדידת תאי גזע העור היה במעקב באמצעות חלבונים מתויגים פלואורסצנטית. שחזורי עור הושתלו אז על עכברים כדי לחקור את גורל תאי העור ואת הפיזיולוגיה במערכת חיה.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לאורגנוגנזה. בסרטון זה, סקרנו את ההיסטוריה של מחקר organogenesis והכנסנו שאלות מפתח שנשאלו על ידי עוברים. בחנו גם אסטרטגיות מחקר בולטות בתחום, ודנו בכמה מהיישומים הנוכחיים שלהם. תודה שצפיתם!
Organogenesis הוא התהליך שבו איברים נובעים מאחת משלוש שכבות נבט בשלבים המאוחרים יותר של התפתחות עוברית. חוקרים החוקרים organogenesis רוצה להבין טוב יו…
מדענים בתחום האורגנוגנזה חוקרים התפתחות של איברים עם צורות ותפקודים מיוחדים מאוד.
איברים מתעוררים מאוחר יחסית במהלך ההתפתחות, לאחר התאים העובריים סידרו את עצמם לשלוש שכבות תאים נפרדות המכונות שכבות הנבט. על ידי בחינת האופן שבו איברים נוצרים, החוקרים יכולים להבין טוב יותר כיצד איברים בודדים מתפקדים, וליצור טיפולים שיתקן מחלות אנושיות הקשורות לאי ספיקת איברים.
וידאו זה מציג היסטוריה קצרה של מחקר organogenesis, מציג שאלות מפתח שנשאלו על ידי עוברים שחוקרים היווצרות איברים, מתאר כמה כלים זמינים לענות על שאלות אלה, ולבסוף דן בניסויים הנוכחיים שנערכים בתחום.
בואו נתחיל על ידי סקירת כמה מחקרים ציון דרך בהיסטוריה של מחקר organogenesis.
בשנות ה-20 של ה-19 תיארו קרל פון בר וכריסטיאן היינריך פנדר את תיאוריית ההתפתחות של שכבת הנבטים. בהתבסס על מודל האפרוח, פון בר ו פנדר הציעו שכל העוברים בעלי החוליות מורכבים משלוש שכבות תאים עיקריות נפרדות, אשר יחד מעוררות את כל האיברים הבוגרים. האנדודרם יוצר רקמות עמוקות כגון רירית המעי ודרכי הנשימה, המסודרם יוצר רקמות אמצעיות כולל שריר ודם, והקטודרם מייצר רקמות שטחיות יותר כמו עור ועצבים.
שישים שנה מאוחר יותר בשנת 1885, וילהלם שלו פרסם את האטלס הראשון של עוברים אנושיים ששוחזרו מחלקים מיקרוסקופיים. אוסף זה סיפק את אחד התיאורים המפורטים הראשונים של organogenesis, והשערות על האופן שבו קבוצות שונות של תאים מסדרות את עצמן ליצירת איברים כגון הלב, העיניים והמוח.
בשנת 1924, העוברים הנס ספמן והילדה מנגולד נקטו בגישה ניסיונית יותר לחקר האורגנוגנזה: הם ביצעו השתלות רקמות דו-חיים כדי לחקור אזור בעובר המתפתח הידוע כיום כמארגן ספמן. השתלת המארגן מעובר אחד למשנהו גרמה להיווצרות של רקמות עצביות משניות. שינוי זה בדפוס ההתפתחותי עקב אינטראקציות תאיות נודע בשם "אינדוקציה", והוא צעד ראשון קריטי בהיווצרות איברים רבים.
בעשורים שלאחר תגלית גדולה זו, ההתקדמות במיקרוסקופיה וביולוגיה מולקולרית פירושה שניתן ללמוד עוברים כעת ברמות התאיות והמולקולריות. בשנות ה-40 של ה-40, שלומית גלוקסון-וולש השתמשה בעכבר כמודל כדי להבין שגנים ספציפיים יכולים לווסת את התפתחות האיברים. היא הראתה שעכברים עם מוטציות בגן T-לוקוס חסרים מבנים חשובים במערכת העצבים המתפתחת, כמו נוטוקורד.
עבודה זו סללה את הדרך עבור W. T. Green לחקור את הדור של רקמות במבחנה במהלך 1970 על ידי השתלת תאי סחוס בריאים תרבית במעבדה לעכברים עירומים. למרות שלא הצליחו, בשנת 1981 הממצאים של גרין עזרו לחוקרים, כגון יואניס יאנס ויוג'ין בל, להכניס רקמות הגדלות במבחנה בחזרה לבעלי חיים חיים.
כעת, לאחר שסקרנו כמה נקודות עיקריות היסטוריות, בואו נבחן כמה שאלות בסיסיות העומדות בפני תחום האורגנוגנזה כיום.
נתחיל אולי בשאלה הרחבה ביותר שנשאלה על ידי עוברים: כיצד קבוצות תאים הופכות לאיברים מובנים מאוד? לקבלת תשובות, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות באירועים מורפולוגיים מוגדרים, כמו הסתעפות של צינורות פשוטים לרשתות צינוריות מורכבות. המנגנונים השולטים בתהליכים אלה ברקמה אחת עשויים להיות דומים לאלה המשמשים ברקמות אחרות עם מבנים אנלוגיים, מה שנותן לחוקרים רמזים כיצד לעצב את הניסויים שלהם.
עוברים מתעניינים גם באופן שבו גנים ספציפיים מכוונים אורגנוגנזה. חלקם מתמקדים בגנים בודדים וכיצד המוצרים שלהם מתפקדים כדי לשלוט בגודל ובצורה של תאים, כמו גם באופן שבו תאים יוצרים ומגיבים לאותות כדי ליצור איבר מתפקד.
אחרים חוקרים את המנגנונים הקובעים מתי והיכן הגנים באים לידי ביטוי. גורמי שעתוק, למשל, הם חלבונים המתחברים לרצפי DNA ספציפיים כדי לשלוט בביטוי של גנים סמוכים. על ידי ויסות בו זמנית של קבוצות שלמות של גנים המגדירים כל זהות תא מסוימת, מספר קטן יחסית של גורמי שעתוק יכול לכוון את היווצרות האיברים שלמים.
מאחר שתאים רגישים גם לרמזים מכניים, מדענים רבים חוקרים כיצד כוחות פיזיים מנחים אורגנוגנזה. יש מסתכלים על האופן שבו הכוח שנוצר על ידי נוזלים הזורמים על פני משטחי התא, המכונה מתח גיזה, משפיע על בידול התאים. אחרים רואים כיצד מתח רקמות מקדם קשרים בין תאים, אשר חשובים לשלמות של רקמות כמו שרירים ועצמות.
לבסוף, מכיוון שאין מספיק איברים אנושיים בריאים זמינים כדי לענות על הצורך בהשתלות, מדענים ממציאים דרכים חדשות להנדס איברים במעבדה. המטרות העיקריות שלהם כוללות יצירת פיגומים, או מבנים מלאכותיים המסוגלים לתמוך ברקמות תלת-ממדיות, ואופטימיזציה של התנאים לצמיחת איברים. תאים המשמשים לבניית איבר, למשל, חייבים להיות מסוגלים להרחיב את אוכלוסייתם במהירות תוך שמירה על יציבות גנטית. כאשר תאים מורכבים בהצלחה לתוך רקמות, להבטיח כי האיבר מפתח אספקת דם פונקציונלית הוא אתגר נוסף.
עכשיו שיש לכם תחושה של כמה שאלות מרכזיות שהועלו על ידי עוברים, בואו נסתכל על כמה כלי מחקר שהם משתמשים בהם כדי למצוא תשובות.
טכניקות הדמיה שונות משמשות להסתכל על תאים להרכיב לתוך איברים מורכבים יותר. מיפוי גורל הוא גישה אחת המסתמכת במידה רבה על הדמיה, שכן היא כרוכה במעקב אחר תאים בודדים וצאצאיהם לאורך כל הפיתוח. כדי ליצור מפות גורל, מדענים יכולים לעקוב אחר תאים מעניינים על ידי תיוג אותם עם פפטידים פלואורסצנטיים.
הדמיה נחוצה גם בניסויי השתלת תאים והשתלות. כאן, תאים מושתלים בין שני אורגניזמים, תורם ומארח, וסמנים ספציפיים לאורגניזם משמשים לאחר מכן כדי לקבוע כיצד זהותם ומיקום התאים המושתלים קובעים את תרומתם לפיתוח איברים.
כדי לבחון את השליטה הגנטית בהתפתחות האיברים, למדענים יש מספר אסטרטגיות לתפעל ביטוי גנים בפיתוח רקמות. באמצעות טכנולוגיה מהונדסת, למשל, ניתן לשנות גנומים של בעלי חיים כדי להגדיל או להקטין ביטוי של גנים ספציפיים בכל החיה או ברקמות נבחרות. עבור גישה פשוטה יותר למניפולציה גנטית, טכניקות כמו טרנסדוקציה ויראלית משמשות לעתים קרובות כדי לספק במהירות ביטוי גנים או השתקת מבנים לאוכלוסיות קטנות יותר של תאים.
כדי לחקור את תפקידם של כוחות מכניים במהלך הפיתוח, מדענים פונים לעתים קרובות למערכות תרבות במבחנה המחקות בפיזיולוגיה של vivo. לדוגמה, תאים הגדלים על מצעים גמישים יכולים להיות מתוחים ככל שהם גדלים. תאים גדלים לעתים קרובות גם בתאים מיקרופלואידיים מיוחדים כדי לחקות מתח גיסת. אימונופלואורסצנטיות ושיטות מיקרוסקופיות אחרות משמשות לאחר מכן כדי לבחון כיצד התפתחות רקמות ומגעים תאיים מושפעים.
הנדסת רקמות היא טכניקה המתמקדת בתרגום הידע על היווצרות איברים לטיפולים קליניים, וכוללת פולחן תאים בריאים על פיגומים ביולוגיים. פיגומים יכולים להיבנות על ידי הסרת חומרים תאיים מרקמות באמצעות חומרי ניקוי, מלחים ואנזימים, ולאחר מכן לאכלס מחדש את רקמת העניין עם תאי גזע. לחלופין, פיגומים יכולים להיווצר מפולימרים מתכלים באמצעות מטען חשמלי. ללא קשר לאופן שבו הם מיוצרים, פיגומים נזרעים עם תאים ותרבית בתנאים מבוקרים במערך מיוחד המכונה bioreactors.
עכשיו שאתם מכירים כמה גישות נפוצות לחקר האורגנוגנזה, בואו נסתכל על האופן שבו שיטות אלה מיושמות.
אורגניזמים המכילים תאים מיותר מגנום אחד, המכונה כימרות עובריות, הם כלים שימושיים למעקב אחר תנועות תאים. בניסוי זה, כימרות דגי זברה נעשו על ידי השתלת תאים תורמים פלואורסצנטריים לעוברים מארחים ללא תווית. השתלות אלה שימשו לחקר תפקיד ההגירה וקביעת גורל התא בהתפתחות מבנים עובריים כמו השריר והמוח.
כדי להבין את התפקידים שגנים ספציפיים ממלאים בהתפתחות האיברים, מדענים משנים את ביטוי הגנים. בניסוי זה, אוליגונוקלאוטידים ספציפיים לגנים, המכונים מורפולינוס, הוזרקו לראשונה לתוך ביצי דגי זברה מופרות. לאחר מכן, לבבות מתפתחים נותחו באמצעות סמן פלורסנט שבא לידי ביטוי באופן סלקטיבי בשריר הלב. כאן, ההשבתה המשולבת של שני גנים חסמה לחלוטין את התפתחות הלב.
הנדסת רקמות מאפשרת למדענים לחקור אינטראקציות בין סוגי תאים שונים, ולגשר על הפער בין מחקרים במבחנה לבין מחקרי ויוו. בניסוי זה, שחזורים של עור אנושי נוצרו במעבדה. כדי להסתכל על התפתחות העור, כמו גם התקדמות סרטן, נדידת תאי גזע העור היה במעקב באמצעות חלבונים מתויגים פלואורסצנטית. שחזורי עור הושתלו אז על עכברים כדי לחקור את גורל תאי העור ואת הפיזיולוגיה במערכת חיה.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לאורגנוגנזה. בסרטון זה, סקרנו את ההיסטוריה של מחקר organogenesis והכנסנו שאלות מפתח שנשאלו על ידי עוברים. בחנו גם אסטרטגיות מחקר בולטות בתחום, ודנו בכמה מהיישומים הנוכחיים שלהם. תודה שצפיתם!
מדענים בתחום האורגנוגנזה חוקרים התפתחות של איברים עם צורות ותפקודים מיוחדים מאוד.
איברים מתעוררים מאוחר יחסית במהלך ההתפתחות, לאחר התאים העובריים סידרו את עצמם לשלוש שכבות תאים נפרדות המכונות שכבות הנבט. על ידי בחינת האופן שבו איברים נוצרים, החוקרים יכולים להבין טוב יותר כיצד איברים בודדים מתפקדים, וליצור טיפולים שיתקן מחלות אנושיות הקשורות לאי ספיקת איברים.
וידאו זה מציג היסטוריה קצרה של מחקר organogenesis, מציג שאלות מפתח שנשאלו על ידי עוברים שחוקרים היווצרות איברים, מתאר כמה כלים זמינים לענות על שאלות אלה, ולבסוף דן בניסויים הנוכחיים שנערכים בתחום.
בואו נתחיל על ידי סקירת כמה מחקרים ציון דרך בהיסטוריה של מחקר organogenesis.
בשנות ה-20 של ה-19 תיארו קרל פון בר וכריסטיאן היינריך פנדר את תיאוריית ההתפתחות של שכבת הנבטים. בהתבסס על מודל האפרוח, פון בר ו פנדר הציעו שכל העוברים בעלי החוליות מורכבים משלוש שכבות תאים עיקריות נפרדות, אשר יחד מעוררות את כל האיברים הבוגרים. האנדודרם יוצר רקמות עמוקות כגון רירית המעי ודרכי הנשימה, המסודרם יוצר רקמות אמצעיות כולל שריר ודם, והקטודרם מייצר רקמות שטחיות יותר כמו עור ועצבים.
שישים שנה מאוחר יותר בשנת 1885, וילהלם שלו פרסם את האטלס הראשון של עוברים אנושיים ששוחזרו מחלקים מיקרוסקופיים. אוסף זה סיפק את אחד התיאורים המפורטים הראשונים של organogenesis, והשערות על האופן שבו קבוצות שונות של תאים מסדרות את עצמן ליצירת איברים כגון הלב, העיניים והמוח.
בשנת 1924, העוברים הנס ספמן והילדה מנגולד נקטו בגישה ניסיונית יותר לחקר האורגנוגנזה: הם ביצעו השתלות רקמות דו-חיים כדי לחקור אזור בעובר המתפתח הידוע כיום כמארגן ספמן. השתלת המארגן מעובר אחד למשנהו גרמה להיווצרות של רקמות עצביות משניות. שינוי זה בדפוס ההתפתחותי עקב אינטראקציות תאיות נודע בשם "אינדוקציה", והוא צעד ראשון קריטי בהיווצרות איברים רבים.
בעשורים שלאחר תגלית גדולה זו, ההתקדמות במיקרוסקופיה וביולוגיה מולקולרית פירושה שניתן ללמוד עוברים כעת ברמות התאיות והמולקולריות. בשנות ה-40 של ה-40, שלומית גלוקסון-וולש השתמשה בעכבר כמודל כדי להבין שגנים ספציפיים יכולים לווסת את התפתחות האיברים. היא הראתה שעכברים עם מוטציות בגן T-לוקוס חסרים מבנים חשובים במערכת העצבים המתפתחת, כמו נוטוקורד.
עבודה זו סללה את הדרך עבור W. T. Green לחקור את הדור של רקמות במבחנה במהלך 1970 על ידי השתלת תאי סחוס בריאים תרבית במעבדה לעכברים עירומים. למרות שלא הצליחו, בשנת 1981 הממצאים של גרין עזרו לחוקרים, כגון יואניס יאנס ויוג'ין בל, להכניס רקמות הגדלות במבחנה בחזרה לבעלי חיים חיים.
כעת, לאחר שסקרנו כמה נקודות עיקריות היסטוריות, בואו נבחן כמה שאלות בסיסיות העומדות בפני תחום האורגנוגנזה כיום.
נתחיל אולי בשאלה הרחבה ביותר שנשאלה על ידי עוברים: כיצד קבוצות תאים הופכות לאיברים מובנים מאוד? לקבלת תשובות, החוקרים מתמקדים לעתים קרובות באירועים מורפולוגיים מוגדרים, כמו הסתעפות של צינורות פשוטים לרשתות צינוריות מורכבות. המנגנונים השולטים בתהליכים אלה ברקמה אחת עשויים להיות דומים לאלה המשמשים ברקמות אחרות עם מבנים אנלוגיים, מה שנותן לחוקרים רמזים כיצד לעצב את הניסויים שלהם.
עוברים מתעניינים גם באופן שבו גנים ספציפיים מכוונים אורגנוגנזה. חלקם מתמקדים בגנים בודדים וכיצד המוצרים שלהם מתפקדים כדי לשלוט בגודל ובצורה של תאים, כמו גם באופן שבו תאים יוצרים ומגיבים לאותות כדי ליצור איבר מתפקד.
אחרים חוקרים את המנגנונים הקובעים מתי והיכן הגנים באים לידי ביטוי. גורמי שעתוק, למשל, הם חלבונים המתחברים לרצפי DNA ספציפיים כדי לשלוט בביטוי של גנים סמוכים. על ידי ויסות בו זמנית של קבוצות שלמות של גנים המגדירים כל זהות תא מסוימת, מספר קטן יחסית של גורמי שעתוק יכול לכוון את היווצרות האיברים שלמים.
מאחר שתאים רגישים גם לרמזים מכניים, מדענים רבים חוקרים כיצד כוחות פיזיים מנחים אורגנוגנזה. יש מסתכלים על האופן שבו הכוח שנוצר על ידי נוזלים הזורמים על פני משטחי התא, המכונה מתח גיזה, משפיע על בידול התאים. אחרים רואים כיצד מתח רקמות מקדם קשרים בין תאים, אשר חשובים לשלמות של רקמות כמו שרירים ועצמות.
לבסוף, מכיוון שאין מספיק איברים אנושיים בריאים זמינים כדי לענות על הצורך בהשתלות, מדענים ממציאים דרכים חדשות להנדס איברים במעבדה. המטרות העיקריות שלהם כוללות יצירת פיגומים, או מבנים מלאכותיים המסוגלים לתמוך ברקמות תלת-ממדיות, ואופטימיזציה של התנאים לצמיחת איברים. תאים המשמשים לבניית איבר, למשל, חייבים להיות מסוגלים להרחיב את אוכלוסייתם במהירות תוך שמירה על יציבות גנטית. כאשר תאים מורכבים בהצלחה לתוך רקמות, להבטיח כי האיבר מפתח אספקת דם פונקציונלית הוא אתגר נוסף.
עכשיו שיש לכם תחושה של כמה שאלות מרכזיות שהועלו על ידי עוברים, בואו נסתכל על כמה כלי מחקר שהם משתמשים בהם כדי למצוא תשובות.
טכניקות הדמיה שונות משמשות להסתכל על תאים להרכיב לתוך איברים מורכבים יותר. מיפוי גורל הוא גישה אחת המסתמכת במידה רבה על הדמיה, שכן היא כרוכה במעקב אחר תאים בודדים וצאצאיהם לאורך כל הפיתוח. כדי ליצור מפות גורל, מדענים יכולים לעקוב אחר תאים מעניינים על ידי תיוג אותם עם פפטידים פלואורסצנטיים.
הדמיה נחוצה גם בניסויי השתלת תאים והשתלות. כאן, תאים מושתלים בין שני אורגניזמים, תורם ומארח, וסמנים ספציפיים לאורגניזם משמשים לאחר מכן כדי לקבוע כיצד זהותם ומיקום התאים המושתלים קובעים את תרומתם לפיתוח איברים.
כדי לבחון את השליטה הגנטית בהתפתחות האיברים, למדענים יש מספר אסטרטגיות לתפעל ביטוי גנים בפיתוח רקמות. באמצעות טכנולוגיה מהונדסת, למשל, ניתן לשנות גנומים של בעלי חיים כדי להגדיל או להקטין ביטוי של גנים ספציפיים בכל החיה או ברקמות נבחרות. עבור גישה פשוטה יותר למניפולציה גנטית, טכניקות כמו טרנסדוקציה ויראלית משמשות לעתים קרובות כדי לספק במהירות ביטוי גנים או השתקת מבנים לאוכלוסיות קטנות יותר של תאים.
כדי לחקור את תפקידם של כוחות מכניים במהלך הפיתוח, מדענים פונים לעתים קרובות למערכות תרבות במבחנה המחקות בפיזיולוגיה של vivo. לדוגמה, תאים הגדלים על מצעים גמישים יכולים להיות מתוחים ככל שהם גדלים. תאים גדלים לעתים קרובות גם בתאים מיקרופלואידיים מיוחדים כדי לחקות מתח גיסת. אימונופלואורסצנטיות ושיטות מיקרוסקופיות אחרות משמשות לאחר מכן כדי לבחון כיצד התפתחות רקמות ומגעים תאיים מושפעים.
הנדסת רקמות היא טכניקה המתמקדת בתרגום הידע על היווצרות איברים לטיפולים קליניים, וכוללת פולחן תאים בריאים על פיגומים ביולוגיים. פיגומים יכולים להיבנות על ידי הסרת חומרים תאיים מרקמות באמצעות חומרי ניקוי, מלחים ואנזימים, ולאחר מכן לאכלס מחדש את רקמת העניין עם תאי גזע. לחלופין, פיגומים יכולים להיווצר מפולימרים מתכלים באמצעות מטען חשמלי. ללא קשר לאופן שבו הם מיוצרים, פיגומים נזרעים עם תאים ותרבית בתנאים מבוקרים במערך מיוחד המכונה bioreactors.
עכשיו שאתם מכירים כמה גישות נפוצות לחקר האורגנוגנזה, בואו נסתכל על האופן שבו שיטות אלה מיושמות.
אורגניזמים המכילים תאים מיותר מגנום אחד, המכונה כימרות עובריות, הם כלים שימושיים למעקב אחר תנועות תאים. בניסוי זה, כימרות דגי זברה נעשו על ידי השתלת תאים תורמים פלואורסצנטריים לעוברים מארחים ללא תווית. השתלות אלה שימשו לחקר תפקיד ההגירה וקביעת גורל התא בהתפתחות מבנים עובריים כמו השריר והמוח.
כדי להבין את התפקידים שגנים ספציפיים ממלאים בהתפתחות האיברים, מדענים משנים את ביטוי הגנים. בניסוי זה, אוליגונוקלאוטידים ספציפיים לגנים, המכונים מורפולינוס, הוזרקו לראשונה לתוך ביצי דגי זברה מופרות. לאחר מכן, לבבות מתפתחים נותחו באמצעות סמן פלורסנט שבא לידי ביטוי באופן סלקטיבי בשריר הלב. כאן, ההשבתה המשולבת של שני גנים חסמה לחלוטין את התפתחות הלב.
הנדסת רקמות מאפשרת למדענים לחקור אינטראקציות בין סוגי תאים שונים, ולגשר על הפער בין מחקרים במבחנה לבין מחקרי ויוו. בניסוי זה, שחזורים של עור אנושי נוצרו במעבדה. כדי להסתכל על התפתחות העור, כמו גם התקדמות סרטן, נדידת תאי גזע העור היה במעקב באמצעות חלבונים מתויגים פלואורסצנטית. שחזורי עור הושתלו אז על עכברים כדי לחקור את גורל תאי העור ואת הפיזיולוגיה במערכת חיה.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לאורגנוגנזה. בסרטון זה, סקרנו את ההיסטוריה של מחקר organogenesis והכנסנו שאלות מפתח שנשאלו על ידי עוברים. בחנו גם אסטרטגיות מחקר בולטות בתחום, ודנו בכמה מהיישומים הנוכחיים שלהם. תודה שצפיתם!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the three germ layers and what tissues do they form?
The three germ layers are the endoderm, mesoderm, and ectoderm. The endoderm gives rise to deep tissues like the intestinal and respiratory tract linings. The mesoderm forms middle tissues including muscle and blood. The ectoderm generates superficial tissues such as skin and nerves. All adult organs develop from these primary cell layers.
Q2: How do embryologists use fate mapping to study organ development?
Fate mapping tracks single cells and their progeny throughout development using fluorescent labeling. Scientists monitor cells of interest by labeling them with fluorescent peptides, then use imaging techniques to observe how these marked cells contribute to forming complex organs. This approach reveals cell migration patterns and tissue formation during embryogenesis.
Q3: What is the Spemann organizer and why is it important in organ formation?
The Spemann organizer is a region of the developing embryo discovered by Hans Spemann and Hilde Mangold in 1924. When transplanted from one embryo to another, it induces the formation of secondary neural tissues. This phenomenon, called induction, represents a critical first step in organ formation driven by cellular interactions and developmental patterning.
Q4: How do transcription factors regulate organ development?
Transcription factors are proteins that attach to specific DNA sequences to control gene expression. By simultaneously regulating entire sets of genes that define cell identity, a relatively small number of transcription factors can direct the formation of complete organs. This coordinated genetic control enables cells to acquire specialized functions necessary for organ formation.
Q5: What role do mechanical forces play in organogenesis?
Mechanical forces guide organogenesis through shear stress and tissue tension. Shear stress, generated by fluids flowing over cell surfaces, influences cell differentiation. Tissue tension promotes connections between cells, which is essential for the structural integrity of tissues like muscles and bones. Scientists study these forces using flexible substrates and microfluidic chambers.
Q6: How are biological scaffolds used in tissue engineering for organ development?
Biological scaffolds are artificial structures that support three-dimensional tissue growth. They are constructed by removing cellular materials from tissues using detergents, salts, and enzymes, then repopulating them with stem cells. Alternatively, scaffolds can be created from biodegradable polymers using electrical charge. Seeded scaffolds are cultured in bioreactors under controlled conditions to promote organ growth.
Q7: How do morpholinos help researchers understand gene function in organ development?
Morpholinos are gene-specific antisense oligonucleotides injected into fertilized eggs to silence specific genes. Researchers then analyze developing organs using fluorescent markers to observe how gene knockdown affects organ formation. Combined knockdown of multiple genes can completely block organ development, revealing essential genetic requirements for organogenesis.
פרקים בסרטון זה
0:00
Overview
1:01
Historical Highlights
4:12
Key Questions
6:59
Prominent Methods
9:51
Applications
11:43
Summary