دانشمندان مغز موش ها را کوچک کردند و بافت از دست رفته را با "ارگانوئید" انسانی جایگزین کردند.

در یک مطالعه جدید، دانشمندان موش‌های آزمایشگاهی را پرورش دادند که بخش‌هایی از مغز خود را نداشتند و سپس سلول‌های انسانی را جایگزین بافت گم‌شده کردند.

این آزمایش نشان دهنده گامی رو به جلو در مطالعه ارگانوئیدهای مغز انسان است - مدل های کوچکی از مغز انسان که از سلول های بنیادی رشد کرده اند. در دراز مدت، هدف دانشمندان استفاده از ارگانوئیدها برای درک بهتر چگونگی رشد مغز و چگونگی تغییر ساختار و عملکرد آن در زمینه بیماری است.

دکتر اچ آیزاک چن، دانشیار جراحی مغز و اعصاب در دانشکده پزشکی پرلمن دانشگاه پنسیلوانیا، گفت: «این قطعا یک پیشرفت در این زمینه است. چن در مطالعه حاضر شرکت نداشت اما آزمایش‌هایی را برای پیوند ارگانوئیدهای مغز انسان به سر جوندگان انجام داده است.

ارگانوئیدها دریچه ای به رشد اولیه مغز ارائه می دهند که مشاهده دقیق آن در انسان غیرممکن است، یعنی به این دلیل که در داخل جنین های در حال رشد آشکار می شود. اگرچه ارگانوئیدها بازآفرینی کامل مغز انسان با اندازه کامل نیستند، دانشمندان فکر می کنند ارگانوئیدها مدل های مفیدی برای مطالعه مغز در حال رشد هم در سلامت و هم در بیماری هستند.

چن گفت: این مدل در مطالعه جدید «مطمئنا گزینه‌های بسیار جالبی از نظر مدل‌سازی رشد عصبی انسان و انواع مختلف اختلالات رشد عصبی ایجاد می‌کند». "اگر به دنبال مدلی هستید که واقعا به شما امکان می دهد مناطق بزرگتری از بافت عصبی انسان را از منظر سلولی و مولکولی مشاهده کنید، فکر می کنم این مدل چیزهای زیادی برای ارائه دارد." آزمایشگاه اس. پاسکا، دانشگاه استنفورد آزمایشگاه اس. پاسکا، دانشگاه استنفورد آزمایشگاه اس. پاسکا، دانشگاه استنفورد ایجاد فضا برای سلول های انسانی

اغلب، ارگانوئیدهای مغزی در خارج از موجودات زنده، چه در ظروف آزمایشگاهی و چه در وسایلی که این "مغزهای کوچک" را در محلول معلق نگه می دارند، رشد می کنند. ارگانوئیدهای متعددی که بخش‌های مختلف مغز یا حتی مغز افراد مختلف را نشان می‌دهند نیز می‌توانند برای تشکیل ساختارهای پیچیده‌تر با هم جمع شوند.

پس چرا برخی از دانشمندان در حال رشد ارگانوئیدهای انسانی در داخل موش هستند؟ یکی از دلایل این است که یک سس مخفی در داخل موجودات زنده وجود دارد که به ارگانوئیدها کمک می کند در حیوانات بهتر از آنها در ظروف آزمایشگاهی بالغ شوند. در بدن (in vivo)، سیگنال‌های مرموزی وجود دارد که به توسعه و سازماندهی نورون‌ها کمک می‌کند، و این سیگنال‌ها در ظروف آزمایشگاهی (در شرایط آزمایشگاهی) وجود ندارند.

دکتر سرجیو پاشکا، استاد روانپزشکی و علوم رفتاری در دانشگاه استنفورد، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «سرمایه‌هایی در داخل بدن وجود دارند که واقعا مهم هستند، و ما به سادگی نمی‌دانیم چه چیزی را در شرایط آزمایشگاهی اضافه کنیم». این تیم با پیوند ارگانوئیدها به موش های آزمایشگاهی در مطالعه ای که در سال 2022 منتشر شد، این پدیده را نشان داد. ارگانوئیدهای پیوندی بزرگتر شدند، اتصالات بهتری ایجاد کردند و نسبت به ارگانوئیدهای رشد یافته در ظروف فعال تر بودند.

اما پیوند سلول های مغز انسان به جوندگان با چالش های متفاوتی همراه است. یکی این است که مغز انسان با سرعت کمتری نسبت به مغز جوندگان بالغ می شود. پاشکا به لایو ساینس گفت: «حتی وقتی آنها را در حیوان، موش یا موش قرار می دهند، باز هم حدود 20 برابر کندتر از موش یا موش رشد می کنند.

پاسکا توضیح داد که سلول‌های مغز میزبان به سرعت رشد می‌کنند و اتصالات جدیدی ایجاد می‌کنند، در حالی که سلول‌های انسانی عقب می‌مانند و از رقابت خارج می‌شوند. این مقدار فضایی را که سلول های انسانی می توانند اشغال کنند محدود می کند. همانطور که نورون ها بالغ می شوند، میلین می شوند، به این معنی که عایق چربی به دست می آورند که به آنها کمک می کند ارتباط موثرتری داشته باشند. به گفته پاسکا، نورون‌های جوندگان سریع‌تر از سلول‌های انسانی میلین می‌شوند و این چربی یک مانع فیزیکی ایجاد می‌کند که سلول‌های انسان برای نفوذ در آن تلاش می‌کنند.

پاشکا و همکارانش در مطالعه خود که چهارشنبه (16 سپتامبر) در مجله Nature شرح داده شد، هدفشان این بود که نورون های انسانی را بالا ببرند. آنها نتوانستند مشکل بلوغ آهسته سلول‌های انسانی را حل کنند، اما می‌توانستند فضای اضافی برای رشد سلول‌ها در اختیارشان بگذارند.

آنها طی سال‌ها کار، یک موش اصلاح‌شده ژنتیکی ساختند که تنها ۲ درصد از قشر مغز آن را توسعه می‌دهد. اکثر هیپوکامپ آن - یک مرکز اصلی حافظه در مغز - نیز از بین رفته است. پاشکا گفت، طی چند روز پس از تولد موش، تیم بافت عصبی انسان را به آن فضای خالی پیوند می‌زند و در حدود 90 درصد مواقع، بافت انسانی با موفقیت ادغام می‌شود و شروع به رشد می‌کند.

مغز موش های آزمایشگاهی عادی شبیه مغز سمت چپ است، در حالی که مغز مرکزی 98 درصد از قشر و هیپوکامپ خود را از دست داده است. مغز سمت راست دارای بافت قشر انسان است. (در اینجا، "XCX" مخفف "xenocortical" است و "xeno" به انتقال بافت ها از گونه ای به گونه دیگر اشاره دارد.) (اعتبار تصویر: آزمایشگاه پاسکا/دانشگاه استنفورد) او گفت: «ما فقط ارگانوئیدهای قشری، حدود چهار تای آنها را گرفتیم و با سرنگ به آن فضای خالی منتقل کردیم. "همین است. آنها به آنجا می روند، پیوند می زنند و در عرض چند هفته شروع به رشد می کنند.

و سپس در عرض چند ماه، آنها بیشتر این حجم را گرفته اند."

در هفته‌های بعد از عمل پیوند، سلول‌های مغز انسان در سر موش‌ها رشد کردند، اتصالات ایجاد کردند و برجستگی‌هایی را به بافت زیرین موش گسترش دادند. بافت انسان خود را در لایه‌های مجزا به‌طور معمول در داخل سر انسان سازمان‌دهی نمی‌کند، اما شامل بسیاری از انواع سلول‌هایی است که معمولا در قشر مغز انسان دیده می‌شوند.

آینده این رشته

محققان موش‌های آغشته به ارگانوئیدهای مغزی را با موش‌هایی مقایسه کردند که همان مقدار بافت مغزی نداشتند اما ارگانوئید دریافت نکردند. آنها همچنین هر دو گروه را با موش های آزمایشگاهی اصلاح نشده مقایسه کردند.

شاید تعجب آور باشد که موش هایی که بخش های بزرگی از مغزشان را از دست داده بودند، هنوز عملکرد نسبتا خوبی داشتند. پاشکا گفت: "شما به آنها نگاه می کنید، و واقعا نمی توانید صادقانه بگویید." او خاطرنشان کرد، با این حال، با بررسی دقیق‌تر، موش‌ها نقص‌های ظریفی در مهارت‌های حرکتی ظریف، حافظه کاری و اجتماعی شدن داشتند.

چن خاطرنشان کرد: از دیدگاه ما به عنوان انسان، بسیاری از کارهایی که روزانه انجام می دهیم به قشر مغز بستگی دارد. او گفت، اما در موش، قشر مغز اقلیتی از کل مغز را تشکیل می‌دهد و مطالعات مختلف نشان داده‌اند که حیوانات می‌توانند بدون آن زندگی کنند. او افزود: «فکر نمی‌کنم فرآیند پیوند به خودی خود آسیب قابل توجهی به حیوان وارد کند.

اگر این اتفاق در گونه‌ای رخ دهد که مغز بزرگ‌تری دارد و از نظر تکاملی به انسان نزدیک‌تر است، بسیار مشکل‌تر خواهد بود.

دکتر سرجیو پاشکا، استاد روانپزشکی و علوم رفتاری در دانشگاه استنفورد

در آینده، توانایی مقایسه این سه مجموعه از موش ها - با ارگانوئیدها، بدون ارگانوئیدها و اصلاح نشده - می تواند به دانشمندان کمک کند تا چگونگی مشارکت بافت انسانی را در یک نتیجه آزمایشی مشخص کنند. Pasca تصور می کند که این رویکرد برای مطالعه اثرات توهین به مغز، مانند هیپوکسی (اکسیژن کم) و قرار گرفتن در معرض سموم یا داروها در رحم مفید خواهد بود. علاوه بر این، ژنتیک ارگانوئیدهای انسانی را می توان بهینه کرد تا ببینیم این تغییرات چگونه بر رشد، ساختار و عملکرد مغز تأثیر می گذارد.

او پیشنهاد کرد که این می تواند برای مطالعه فلج مغزی یا اوتیسم مفید باشد.

چن انتظار دارد که این رویکرد جدید برای مطالعه جنبه‌های رشد اولیه مغز در سطوح مولکولی و سلولی مفید باشد. مدل جدید حجم بیشتری از بافت انسانی را نسبت به مدل‌های گذشته در خود جای داده است و این یک مزیت اضافی است. او خاطرنشان کرد که بافت انسان خود را در لایه‌ها یا لوب‌هایی سازماندهی نمی‌کند که در مغز انسان واقعی می‌بینید، اما او فکر می‌کند هنوز چیزهای زیادی می‌توان از آن آموخت.

از نقطه نظر اخلاقی، پاسکا با کارشناسان در استنفورد و یک کمیته اخلاق خارجی در مورد رفاه حیوانات مورد استفاده در مطالعه مشورت کرد. مطالعاتی که شامل قرار دادن بافت مغز انسان در حیوانات می‌شود همچنین سؤالاتی را در مورد اینکه آیا این بافت اضافه‌شده می‌تواند به حیوانات توانایی‌های شناختی جدیدی بدهد یا خیر و در اصل آنها را شبیه انسان‌تر کند، ایجاد می‌کند. کمیته اخلاق نیز این نگرانی ها را مطرح کرد.

داستان های مرتبط

"مغزهای" کوچکی که در آزمایشگاه رشد کرده اند می توانند هوشیار شوند و احساس درد کنند - و ما آماده نیستیم

"مغزهای کوچک" اسرار چگونگی شکل گیری سلول های کلیدی مغز در رحم را آشکار می کند

آیا اندام‌های کوچک رشد یافته در فضا می‌توانند «مهتاب سرطانی» ما باشند؟

پاشکا خاطرنشان کرد: «ما هیچ ملک جدیدی را مشاهده نکردیم. تعجب آور نیست زیرا ما هنوز در مراحل اولیه توسعه هستیم. آنها ارگانوئیدها را تنها برای شش ماه رشد دادند، بنابراین ارگانوئیدهای انسانی تقریبا به اندازه بافت مغز جنین 6 ماهه رشد کردند.

اگر ارگانوئیدها به گونه ای بالغ شوند که شبیه انسان شوند - لایه ها و لوب های در حال رشد - ممکن است نگرانی بیشتری ایجاد کند. اما هم پاسکا و هم چن گفتند که به هر حال بازآفرینی این نوع توسعه در موش ممکن است سخت باشد.

چن استدلال کرد که بزرگی مغز انسان به پیچیدگی آن کمک می کند، و همچنین شامل مناطق تخصصی است که برای اجرای وظایف مختلف با هم کار می کنند. او گفت که سر موش نمی تواند مقیاس مغز انسان را پشتیبانی کند و در این مرحله، ارگانوئیدها سازمان و تخصص مشابهی را که ما در افراد می بینیم ایجاد نمی کنند.

پاشکا گفت: «اگر این اتفاق در گونه‌ای رخ دهد که مغز بزرگ‌تری دارد و از نظر تکاملی به انسان نزدیک‌تر است، بسیار مشکل‌سازتر خواهد بود». خوک ها و پستانداران غیر انسانی، مانند میمون ها، نمونه هایی هستند. به خصوص در مورد پیوند ارگانوئیدهای انسانی به میمون‌ها، «این آزمایشی است که من در این مرحله توجیه نمی‌کنم».

با آزمون مغز ما ببینید چقدر در مورد پیچیده ترین عضو بدن انسان می دانید!