بسیاری از نقایص مادرزادی و سقط جنین‌های خودبخودی در مرحله رشد جنینی به نام نورولاسیون رخ می‌دهند، با این حال ما بینش بسیار کمی در مورد چگونگی این فرآیند حیاتی رشد در انسان داریم.
آزمایشگاه دانشگاه رایس Aryeh Warmflash یک کمک مالی 5 ساله به مبلغ 1.9 میلیون دلار از مؤسسه ملی بهداشت برای بهینه سازی و توسعه مدل های سلولی آزمایشی دریافت کرده است که می تواند فرآیندهای خودسازماندهی را که توسط سلول های اکتودرمی باعث ایجاد اعصاب مرکزی می شود روشن کند. سیستم، پوست و اندام های حسی.
آزمایشگاه Warmflash از تکنیکی به نام micropatterning استفاده می‌کند تا کلنی‌های سلول‌های اکتودرمی را به خود سازماندهی و تمایز به روش‌هایی که منعکس‌کننده رشد جنینی است، تبدیل کند. با مهندسی کردن سلول‌ها برای بیان نشانه‌های فلورسنت مختلف بر اساس نوع سیگنال پروتئینی که برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند، دانشمندان می‌توانند رفتارهای خودسازماندهی سلول‌ها را ردیابی و کمیت کنند.
این تحقیق می‌تواند راه‌هایی را برای جلوگیری یا مقابله با نقص‌های مادرزادی سیستم عصبی مرکزی ناشی از نورولاسیون غیرعادی ارائه دهد.
اساسی ترین سوالی که ما به آن علاقه داریم این است که چه چیزی رفتار سلول ها را برای جمع شدن در بافت های جنین هدایت می کند.
Aryeh Warmflash، دانشیار علوم زیستی و پیشگیری از سرطان و پژوهشگر موسسه تحقیقاتی تگزاس
برای بررسی این سوال، Warmflash و همکارانش از میکروالگوسازی و کشت سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی برای توسعه سیستم‌های خودسازماندهی که فرآیندهای سلولی کلیدی درگیر در جنین‌زایی را مدل‌سازی می‌کنند، استفاده کردند.
Warmflash گفت: “فناوری میکروالگوسازی فقط راهی برای کنترل دقیق هندسه ای است که در آن این کلونی سلول ها رشد می کنند.” “ریزالگوسازی به ما اجازه می دهد تا سطح را با تغییرات شیمیایی مختلف از قبل الگوبرداری کنیم تا بتوانیم بگوییم “خوب، ما می خواهیم سلول ها اینجا بمانند و نه آنجا.”
در یک کشت سلول های بنیادی استاندارد، سلول ها به صورت توده هایی با اندازه های مختلف رشد می کنند و به طور تصادفی به یک توده نامرتب و بسیار ناهمگن تمایز می یابند. اما اگر از الگوبرداری ریز برای مهار رشد تصادفی استفاده شود، سلول‌ها به شیوه‌ای سازمان‌یافته رفتار می‌کنند که منعکس‌کننده رفتار سلول‌ها در یک جنین واقعی است.
Warmflash گفت: “توسعه پستانداران یک فرآیند خودسازماندهی است.” این به این معنی است که در ابتدا، شما این گلوله سلولی را رشد می‌دهید که ساختاری کاملاً متقارن دارد، زیرا همه سلول‌های موجود در آن اساساً یکسان هستند.
“پس ارگانیسم هایی وجود دارند که این تقارن از قبل شکسته شده است. به عنوان مثال، هنگامی که مگس مادر یک تخم مگس می سازد، آن تخم قبلا نامتقارن است: فقط با نگاه کردن به آن، می توانید بفهمید که سر کجا خواهد بود و غیره.
در جنین پستانداران یا انسان، این تقارن در ابتدا ناگسستنی است. اما در نهایت، جنین باید بفهمد که “این طرف سر است و این قسمت پشت” و غیره. سلول ها باید بشکنند. ما می خواهیم بفهمیم که آنها چگونه این کار را انجام می دهند.”
در یک جنین، سلول های اکتودرمی خود را به یکی از چهار “سرنوشت” سلولی به عنوان سیستم عصبی، تاج عصبی، پوست یا اندام های حسی تقسیم می کنند. Warmflash و تیمش با میکروالگوسازی توانستند سیگنال‌های درون سلولی را به گونه‌ای دستکاری کنند تا به توزیع سرنوشت سلولی در الگوی چشم گاو نر دست یابند که الگوی اکتودرمی را در امتداد محور میانی-جانبی جنین تقلید می‌کند.
Warmflash می‌گوید: «ما سلول‌ها را وادار می‌کنیم تا با سیگنال‌های الگوسازی تمایز پیدا کنند و سپس آنها متوجه می‌شوند که چگونه خود را مرتب کنند. “آنها می گویند، “خوب، ما باید این چهار سرنوشت متفاوت را رقم بزنیم – نورون ها در مرکز قرار می گیرند و پوست در لبه قرار می گیرند، با سرنوشت های دیگر در میان.” این محور خط وسط به سمت است، اما یک محور دیگر تقریباً به طور همزمان شکل می‌گیرد، که محور سر تا پا است.
در حال حاضر، واقعاً مدل‌های خوبی برای چگونگی شکل‌گیری محور سر تا پا سیستم عصبی در انسان وجود ندارد، که سیستم عصبی را به مناطق بسیار گسترده‌ای الگو می‌دهد: مغز جلو، مغز میانی، مغز عقب و سپس نخاع. “
Warmflash امیدوار است که سیستم را به منظور مدل‌سازی محور رشد سر تا پا تنظیم کند، “جایی که به جای نورون‌ها در مقابل پوست در لبه کلنی، مرکز کلنی نورون‌های پیش‌مغز و تا لبه مغز خواهد بود. مستعمره نورون های نخاعی خواهد بود.
این کلنی به جای نمایش انواع مختلف اکتودرم آرایه‌شده در امتداد محور میانی-جانبی، سیستم عصبی را در امتداد محور طولی ساختار جنینی نشان می‌دهد. ما به نحوه ارتباط سلول‌ها برای انجام این کار علاقه‌مندیم.
علاوه بر این نقشه‌های دوبعدی از الگوهای سلولی خودسازماندهی، Warmflash امیدوار است از سیستم مدل‌سازی میکروالگو برای مطالعه مورفوژنز استفاده کند، که به نحوه اشغال فضا و شکل خاص یک بافت یا اندام اشاره دارد.
Warmflash گفت: «در این مدل اکتودرم، می‌توانید سلول‌ها را در بعد سوم تا شوند. “و آنها در واقع به روشی از بالا بسته می شوند که بسیار شبیه به روش بسته شدن لوله عصبی در طول توسعه است. ما به این موضوع علاقه مندیم زیرا شما سیگنالی بین سلول ها دارید که هم نوع سلولی که تبدیل می شوند را تغییر می دهد و هم بر آن تأثیر می گذارد. چگونه آنها حرکت می کنند و مجسمه سازی می شوند تا در واقع یک بافت کارآمد بسازند.
احتمالاً از نظر بالینی بسیار مرتبط است زیرا بسیاری از نقایص مادرزادی در واقع نقص بسته شدن لوله عصبی هستند.
این سیستم مدل‌سازی می‌تواند برای مطالعه جهش‌هایی که باعث نقص بسته شدن لوله عصبی می‌شوند، استفاده شود و امکان کشف چگونگی پیشگیری یا اصلاح چنین رویدادهایی را فراهم کند.
Warmflash گفت: «واقعاً مشخص نیست که جهش‌های خاص چگونه منجر به نقص‌های خاص می‌شوند. اما اینها چیزهایی هستند که می‌توانیم در این مدل‌ها مطالعه کنیم تا ابتدا بفهمیم که چگونه چیزها خراب می‌شوند و سپس امیدواریم بفهمیم که چگونه از وقوع آن چیزها جلوگیری کنیم.»