Overview
תאים שיכולים להבדיל למגוון סוגי תאים, המכונים תאי גזע, נמצאים במרכזו של אחד מתחומי המדע המרגשים ביותר כיום. ביולוגים של תאי גזע פועלים כדי להבין את המנגנונים הבסיסיים המסדירים את תפקודם של תאים אלה. חוקרים אלה מעוניינים גם לרתום את הפוטנציאל המדהים של תאי גזע לטיפול במחלות אנושיות.
כאן, JoVE מציג מבוא לעולם שובה הלב של ביולוגיה של תאי גזע. אנו מתחילים בציר זמן של מחקרים ציוני דרך, מן הראיות הניסיוניות הראשונות עבור תאי גזע hematopoietic בשנות ה -60, לפריצות דרך האחרונות יותר כמו תאי גזע pluripotent המושרה. לאחר מכן, שאלות מרכזיות על ביולוגיה של תאי גזע מוצגות, למשל: כיצד תאים אלה שומרים על יכולתם הייחודית לעבור התחדשות עצמית? לאחר מכן נדונה בכמה שיטות בולטות המשמשות לתענה על שאלות אלה. לבסוף, מספר ניסויים מוצגים כדי להדגים את השימוש בתאי גזע ברפואה רגנרטיבית.
Procedure
כפי ששמם מרמז, תאי גזע הם המבשרים שמהם "גזע" סוגים רבים ושונים של תאים. הם מאופיינים בעוצמתם, או ביכולתם להתבדל לתאים מכל שלוש שכבות הנבט, כמו גם בחידושם, או ביכולתם לייצר תאי גזע נוספים. בתקווה לקדם את תחומי הביולוגיה ההתפתחותית והרפואה הרגנרטיבית, חוקרי תאי גזע פועלים כדי להבין כיצד תאים ייחודיים אלה משיגים הישג כה גדול.
סרטון זה מכסה תגליות מרכזיות בתחום הביולוגיה של תאי הגזע, שאלות מפתח שנשאלו על ידי מדענים בתחום זה, שיטות בולטות המשמשות חוקרי תאי גזע, ויישומים של מחקר תאי גזע.
עכשיו כשהצגנו את מושג תאי הגזע, בואו נצלול לתוך ההיסטוריה העשירה של מחקר תאי הגזע.
בשנות ה-60 גילו ד"ר ארנסט מקלוך וג'יימס טיל כמה מהראיות הסופיות הראשונות לקיומם של תאי גזע המטופיאטיים במח העצם של יונקים בוגרים. לתאים אלה יש את היכולת לחדש את עצמם והם רב-תכליתיים, כלומר הם יכולים להבדיל לסוגים מרובים, אך מוגבלים, של תאים - כלומר תאי הדם ומערכת החיסון.
בשנת 1988, אירווינג וייסמן ועמיתיו שיכללו שיטה לטיהור תאי גזע המטופיאטיים ממח העצם של העכבר.
בשנת 1981, פרופסור גייל מרטין טבעה את המונח "תא גזע עוברי". שלא כמו תאי גזע hematopoietic, תאי גזע עובריים הם pluripotent, בעל היכולת להבדיל לתוך כל סוגי התאים של הגוף. היא והמדענים מרטין אוונס ומתיו קאופמן, בו זמנית, אך בנפרד, פיתחו שיטות לחלץ את מסת התא הפנימית מפסטוציסט עכברים ולתרבותם במבחנה כתאי גזע.
בשנת 1998, למעלה מעשר שנים לאחר בידוד תאי גזע עובריים של עכברים, ד"ר ג'יימס תומסון הקים בהצלחה את קווי תאי הגזע העובריים הראשונים.
בשנת 2006, פריצת דרך משמעותית התרחשה עם הופעתם של תאי גזע פלוריפוטנטים המושרים, כפי שהומצא על ידי ד"ר שיניה ימאנאקה. בהתבסס על עבודתו של ג'ון גורדון, ימאנאקה פיתח שיטה לתכנת מחדש תאים מובחנים למצב פלוריפוטנטי באמצעות רטרווירוס כדי לגרום לביטוי של קבוצה קטנה של גורמי שעתוק הידועים כיום בשם "גורמי ימאנאקה". התאים שהתקבלו נקראו "תאי גזע פלוריפוטנטים מושרים", או "iPSCs". ניסויים אלה נחשבו כה חשובים מיסודם עד כי ימאנאקה וגורדון זכו בפרס נובל בשנת 2012.
כיום, יש לנו כעת מודלים iPSC של מספר מחלות אנושיות, ופלטפורמות התחדשות ברקמות מרובות.
כיום, מחקר תאי גזע מונע על ידי מספר שאלות מקיף.
אחת השאלות החשובות ביותר היא: כיצד תאי גזע שומרים על פלוריפוטנס והתחדשות? ישנם שני מאפיינים קשורים של תאי גזע המעניקים תכונות אלה. הראשון הוא ביטוי של גנים ספציפיים החיוניים לגבעול ולהתחדשות עצמית. השני הוא ההיענות של תאי גזע לגורמים רגולטוריים המשפיעים על הביטוי של גנים אלה.
השאלה ההגיונית הבאה היא: כיצד מכוונת ההבחנה בין תאי גזע? כאשר תא גזע מתפתח לתא בוגר, הפעלה של מסלולי בידול ספציפיים גורמת לשינויים בביטוי הגנים, כיבוי הגנים של תאי הגזע והפעלת גנים ספציפיים לרקמות, מה שגורם להגברת ההתמחות בתפקוד התא ובמורפולוגיה.
לבסוף, בואו נתייחס לשאלה העיקרית המניעה מימון מחקר תאי גזע: האם תאי גזע יכולים לשמש לטיפול במחלות? רפואה רגנרטיבית מתמודדת עם שאלה זו בשתי דרכים: 1) על ידי גידול מחדש של איברים במעבדה, ו -2) על ידי אספקת תאי גזע באמצעות השתלה לטיפול בניוון רקמות.
כעת, לאחר שהצגנו כמה מהשאלות המרכזיות הנוגעות לביולוגיה של תאי גזע, בואו נעבור על כמה מהשיטות הבולטות המשמשות לטיפול בהן.
ניתן להשתמש בטכנולוגיית Microarray כדי לגלות אילו גנים מעניקים עוצמה וחידוש בתאי גזע. בטכניקה זו, RNA הכולל מבודד מאוכלוסיית תאים, הפועלת כתמונה של ביטוי הגנים הנוכחי. בסדרה של שלבים, mRNA זה מומר לגשוש פלואורסצנטי והפך לשבר המכיל תמלילים של הגנום האנושי כולו. סריקת שבב זה מספקת קריאה של פרופילי ביטוי גנים יחסיים. כפי שניתן לראות, תא גזע מבטא קבוצה ספציפית של גנים השונים מתא מובחן.
בדיקת גנים נוספת לגנים פלוריפוטיים כוללת את מערכת זיהוי אוקטובר 4-GFP. אוקטובר4 נדרש להתחדשות עצמית, והוא מוסדר במהירות במהלך בידול. לכן, הביטוי שלה משמש אינדיקטור אמין של "גזענות". בניסוי זה, תאים מבטאים חלבון פלואורסצנטי ירוק תחת שליטתו של מקדם Oct4. לאחר מכן ניתן לתמרן תאים אלה באופן ניסיוני, ושינויים בביטוי GFP מנותחים כדי לזהות גנים חדשים או גורמים מסיסים המווסתים התחדשות עצמית.
על מנת ללמוד תאי גזע במבחנה, עלינו להבין תחילה כיצד לתרבות אותם. תאי גזע דורשים מיקרו-סביבה מסוימת כדי לשמור על גזענות. זה יכול להיות מושגת על ידי שיתוף פולחן תאי גזע עם תאי מאכיל, כגון פיברובלסטים עובריים עכבר, או MEFs. MEFs מפרישים תערובת מורכבת של גורמי פלוריפוטנס והתחדשות עצמית הכרחיים.
לפעמים, רצוי שיהיו תרביות נטולות מאכילה של תאי גזע. השיטה העיקרית לשמירה על קווי תאים ללא מאכיל היא להשלים מדיה תרבית התא עם ריאגנטים מלאי של צמיחה וגורמים מעכבים.
הבחנה בין תאי גזע במבחנה מתבצעת באמצעות מספר שיטות. ביטוי גנים דיפרנציאלי אחראי בסופו של דבר על התמחות בתאים. בשיטה הדו-שלבית שאתם רואים כאן, תאי גזע עובריים של עכברים מתורבתים מוכנים לגורל עצבי לפני שהם מובחנים עוד יותר עם מדיום אינדוקציה של נוירון מוטורי. גורמים אלה מפעילים מסלולים ספציפיים של ביטוי גנים, וכתוצאה מכך שינויים מורפולוגיים ופרוטומיים האופייניים לנוירונים מוטוריים.
אחד החיסרון העיקרי של הבחנה במבחנה המסורתית הוא כי לוחות שטוחים להגביל את הצמיחה 3D של תאים. שיטת הטיפה התלויה ושיטות המיקרו-קפסולה עוקפות בעיות אלה. בטכניקת טיפת התלייה, טיפות קטנות של השעיות תאי גזע מצופות על מכסה של צלחת פטרי ומתרבתות הפוך כדי ליצור אגרגטים של תאי גזע המכונים גופים עובריים.
בשיטות מיקרו-קפסולציה, תאי גזע מעורבבים עם קרום חצי-מתאים ביולוגית הנקרא אלגינט, ומופקדים כחרוזים בלוחות תרבית התאים. שתי השיטות מאפשרות הבחנה נוספת לתאים מיוחדים, כגון נוירונים דופאמין וקרדיומיוציטים.
לדעת כיצד לכוון בידול הוא צעד משמעותי לקראת שימוש בתאי גזע ברפואה רגנרטיבית. טיפול בהשתלת תאי גזע נועד לטפל ולרפא מחלות ניווניות על ידי תיקון רקמות פגומות עם תאי גזע. בניסוי זה, תאים סומטיים מחולים מתוכנתים מחדש לתאי IPS באמצעות זיהום lentivral של גורמי ימאנאקה. ממצבם השופעת, תאים מובחנים לסוגי תאים ספציפיים ומוחזרים למארח כדי לתקן רקמה פגומה.
עכשיו שאתם מכירים חלק מהשיטות המשמשות לחקר תאי גזע, בואו נסתכל על האופן שבו שיטות אלה מיושמות בניסויים ספציפיים.
בניסוי זה באמצעות מודל עכבר של טרשת נפוצה, תאי גזע עצביים מוזרקים תוך ורידי לעכברים מושפעים. פרוסות מוח של עכברים מטופלים נאספים וממוצלים תחת מיקרוסקופ כדי להעריך את הצלחת ההשתלה. תאים הנגזרים מתאי מבשר עצביים תורמים נמצאים במעקב באמצעות גן הכתב LacZ. כפי שניתן לראות, מספר תאי גזע תורמים הבדילו והשתלבו במערכת העצבים המרכזית של עכברים חולים.
לא כל תפילה יכולה להיות מטופלת על ידי זריקות מערכתיות. פציעות סחוס, למשל, דורשות פיגומים מיוחדים כדי לבנות מחדש מסביב. בניסוי זה, תערובת של תאי גזע מזנכימליים וגורמי קרישה מתורבתים יחד כדי ליצור קריש דם. לאחר מכן, הקריש ממוקם בסחוס הברך הפגוע של ארנב ומותר לו להשתלב. לאחר הליך זה, ניתן לראות שיפוץ של הסחוס בברך למפרק חלק ותפקודי.
לפעמים, חוקרי תאי גזע ומהנדסי רקמות משתפים פעולה כדי לבנות מחדש איברים שלמים. בניסוי זה, ריאות פרימט נשטפות כדי decellularize האיבר, משאיר מאחור רק רכיבים מבניים שאינם תאיים. ריאה "רוח רפאים" זו מועברת לאחר מכן ל bioreactor, שם הוא זרע עם תאי גזע כלי דם ואפיתל. כדי לחקות עוד יותר את הלחץ וההתנהגות שריאה טבעית חווה, הביו-ריאקטור מפיץ מדיה, שומר על רמות לחץ וגז ומנפח את הריאות.
הרגע צפית בסקירה הכללית של ג'וב בביולוגיה של תאי הגזע. לסיכום, בסרטון זה דנו בתאי גזע ובהיסטוריה שלהם, בתחזוקה, בשיטות הבידול והמשלוח שלהם וביישומים של תאי גזע. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
לא הוכרזו ניגודי אינטרסים.
