بلاگ

دانشمندان بدون استفاده از اسپرم، تخمک یا رحم، موجودی را پرورش داده اند که شباهت زیادی به جنین انسان اولیه دارد.

تیم موسسه Weizmann می گویند که “مدل جنین” آنها که با استفاده از سلول های بنیادی ساخته شده است، شبیه یک نمونه کتاب درسی از یک جنین واقعی 14 روزه است.

حتی هورمون هایی ترشح کرد که آزمایش بارداری را در آزمایشگاه مثبت کرد. جاه طلبی مدل های جنینی ارائه راهی اخلاقی برای درک اولین لحظات زندگی ما است. هفته های اول پس از بارور شدن تخمک توسط اسپرم، دوره ای از تغییرات چشمگیر است. از مجموعه ای از سلول های نامشخص به چیزی که در نهایت در اسکن نوزاد قابل تشخیص می شود.

این زمان حیاتی منبع اصلی سقط جنین و نقایص مادرزادی است اما به خوبی شناخته نشده است.

پروفسور جاکوب هانا، از موسسه علوم ویزمن، به من می گوید: “این یک جعبه سیاه است و کلیشه ای نیست. دانش ما بسیار محدود است.”

مواد اولیه برای پرورش جنین انسان اولیه

تحقیقات روی جنین از نظر قانونی، اخلاقی و فنی بسیار مشکل است. اما اکنون میدانی به سرعت در حال توسعه وجود دارد که شبیه رشد جنین طبیعی است.

این تحقیق که در مجله Nature منتشر شده است، به عنوان اولین مدل جنین “کامل” برای تقلید از تمام ساختارهای کلیدی که در جنین اولیه پدیدار می شوند، توصیف شده است.

پروفسور هانا میگوید: “این واقعاً یک تصویر کتاب درسی از جنین 14 روزه انسان است که «قبلاً انجام نشده است”.

به جای اسپرم و تخمک، ماده اولیه سلول های بنیادی ساده بود که برای به دست آوردن پتانسیل تبدیل شدن به هر نوع بافتی در بدن، دوباره برنامه ریزی شدند. سپس از مواد شیمیایی برای تحریک این سلولهای بنیادی برای تبدیل شدن به چهار نوع سلول که در مراحل اولیه جنین انسان یافت میشوند، استفاده شد:

• سلول های اپی بلاست، که به جنین مناسب (یا جنین) تبدیل می شوند.
• سلول های تروفوبلاست که به جفت تبدیل می شوند
• سلول های هیپوبلاست که تبدیل به کیسه زرده حمایتی می شوند

در مجموع 120 مورد از این سلول ها در یک نسبت دقیق با هم مخلوط شدند و سپس، دانشمندان منتظر می مانند و تماشا می کنند. حدود 1 درصد از این مخلوط، سفر خود را آغاز کردند تا خود به خود خود را به ساختاری شبیه سازند، اما شبیه به جنین انسان نیستند.

پروفسور هانا میگوید: “من اعتبار زیادی به سلولها میدهم. شما باید ترکیب و محیط مناسبی را داشته باشید و این کار به سرعت انجام میشود. این یک پدیده شگفت انگیز است.”

به مدل های جنین اجازه داده شد تا 14 روز پس از لقاح با جنین قابل مقایسه باشند و رشد کنند. در بسیاری از کشورها، این محدودیت قانونی برای تحقیقات طبیعی جنین است.

• پیدا کردن پروتئین های مارکر سرطان با این ابزار جدید

فواید

امید است که مدل های جنینی بتوانند به دانشمندان کمک کنند تا چگونگی ظهور انواع مختلف سلولها را توضیح دهند، اولین گام ها در ساخت اندام های بدن را ببینند یا بیماری های ارثی یا ژنتیکی را درک کنند. در حال حاضر، این مطالعه نشان می دهد که سایر قسمت های جنین تشکیل نمی شوند مگر اینکه سلول های جفت اولیه بتوانند آن را احاطه کنند.

حتی صحبت از بهبود نرخ موفقیت لقاح آزمایشگاهی (IVF) با کمک به درک علت شکست برخی از جنین ها یا استفاده از مدل ها برای آزمایش بی خطر بودن داروها در دوران بارداری وجود دارد.

پروفسور رابین لاول بج، که در موسسه فرانسیس کریک در مورد رشد جنین تحقیق می کند، می گوید که این مدل های جنین “خیلی خوب به نظر می رسند” و “بسیار طبیعی به نظر می رسند”.

او میگوید: “فکر میکنم خوب است، فکر میکنم خیلی خوب انجام شده است. همه چیز منطقی است و من بسیار تحت تأثیر آن هستم”.

او می افزاید، اما نرخ فعلی شکست 99 درصدی باید بهبود یابد. درک اینکه چه چیزی در سقط جنین یا ناباروری مشکل دارد، اگر مدل در اکثر مواقع نتواند خودش را جمع کند، دشوار خواهد بود.

از نظر قانونی متمایز است

این کار همچنین این سوال را مطرح می کند که آیا می توان رشد جنین را از مرحله 14 روزه تقلید کرد. این امر حتی در بریتانیا غیرقانونی نخواهد بود، زیرا مدلهای جنین از نظر قانونی از جنین ها متمایز هستند.

پروفسور Lovell-Badge می گوید: “برخی از این کار استقبال می کنند – اما برخی دیگر آن را دوست ندارند.”

و هر چه این مدلها به یک جنین واقعی نزدیکتر شوند، سؤالات اخلاقی بیشتری را مطرح میکنند. آنها جنین های طبیعی انسان نیستند، آنها مدل های جنینی هستند، اما بسیار به آنها نزدیک هستند.

“پس آیا باید آنها را به همان روشی که یک جنین طبیعی انسان تنظیم می کند تنظیم کنید یا می توانید در مورد نحوه درمان آنها کمی آرام تر باشید؟”

پروفسور آلفونسو مارتینز آریاس، از دپارتمان علوم تجربی و بهداشتی در دانشگاه پومپئو فابرا، گفت که این “مهمترین تحقیق” است.

او گفت: “این کار برای اولین بار به ساخت کامل ساختار [جنین انسان] از سلولهای بنیادی در آزمایشگاه دست یافته است، بدین ترتیب دری برای مطالعه رویدادهایی که منجر به شکل گیری طرح بدن انسان می شود باز می شود.”

محققان تاکید میکنند که رسیدن به بارداری با استفاده از این مدلهای جنینی غیراخلاقی، غیرقانونی و در واقع غیرممکن است. جمع آوری ۱۲۰ سلول در کنار هم فراتر از نقطه ای است که یک جنین میتواند با موفقیت در لایه داخلی رحم کاشته شود.

محققان سلول های بنیادی انسانی را تشویق کردند تا کلیه های انسان در مراحل اولیه را در خوک ها تشکیل دهند. این اولین باری است که یک عضو انسانی در حیوان دیگری تولید میشود. محققان سلول های بنیادی می گویند این پیشرفت می تواند اندام های انسان را که در خوک رشد کرده است به واقعیت نزدیک کند و راه حل جدیدی را برای بسیاری از افرادی که در لیست انتظار برای پیوند هستند ارائه دهد.

خوان کارلوس ایزپیسوا بلمونته از آزمایشگاه های آلتوسمیگوید که تیمش روی رشد سلولهای بنیادی انسانی در گونه های دیگر آزمایش کرده اند، اما با کار فعلی درگیر نبوده است. این یک گام بزرگ رو به جلو در این زمینه است.

کلیه هایی که دانشمندان تولید کردند قرار نبود به بیماران پیوند بزنند، اما ایزپیسوآ بلمونته میگوید که تحقیقات جدید “اشاره به این دارد که هدف نهایی توسعه اندام های انسان در سایر پستانداران ممکن است.”

جراحان پیوندی که به دنبال رفع کمبود اندام های انسان هستند، قبلاً در روش های آزمایشی، کلیه ها و قلب های خوک را به تعدادی از افراد مرگ مغزی و بیماران پایانی کاشته اند.

اگرچه این ها از خوک هایی می آیند که از نظر ژنتیکی اصلاح شده بودند تا اندام های آنها از طرد فوری توسط گیرندگان انسانی جلوگیری کند، این استراتژی همچنان احتمالاً نیازمند درمان مادام العمر با داروهای سرکوب کننده سیستم ایمنی است.
در عوض رشد اندام های انسان در خوک ها یک جایگزین جذاب برای پیوند است. زیرا بیماران میتوانند اندامهایی را که از سلولهای بنیادی خودشان مشتق شده اند دریافت کنند، که نباید باعث حمله ایمنی شود.

بلمونته و سایر محققان پیشرفت هایی در جهت این هدف داشته اند. به عنوان مثال، مری گاری، زیستشناس سلولهای احیاکننده از دانشگاه مینهسوتا و همکارانش سلول های بنیادی انسانی را در جنین های اولیه خوک که از نظر ژنتیکی تغییر داده شده بودند، وارد کردند تا از رشد بافت های خاص جلوگیری کنند.

هنگامی که این جنین ها در خوک مادر جایگزین کاشته شدند، از سلول های انسانی برای ساختن برخی از بافت هایی که خودشان نمی توانستند بسازند استفاده کردند. تاکنون محققان نشان داده اند که این جنین های خوک میتوانند عضلات و پوشش رگهای خونی انسان را رشد دهند. اما هیچکس نتوانسته است این جنین ها را وادار به ساخت اندام هایی کند که حاوی چندین نوع سلول هستند.

تیمی به سرپرستی زیست شناسان سلولهای بنیادی، ژن دای، میگل استبان و گوانگجین پن از موسسه زیستپزشکی و سلامت گوانگژو، فکر کردند که دلیل آن را میدانند. سلولهای بنیادی انسانی بیرحمانه و با سلول های خوک همسایه شان ناهماهنگ هستند.

برای رفع مشکل اول، محققان سلول های انسانی را به صورت ژنتیکی تغییر دادند تا فعالیت دو ژن را افزایش دهند. سلولهای یک جنین با یکدیگر رقابت میکنند و این تغییر توانایی سلولهای انسان را برای رقابت با سلول های خوک افزایش داد و آنها را از خودکشی باز داشت.

مشکل دوم به این دلیل رخ داد که سلولهای انسانی از نظر تکاملی از هم ارزهای خوک خود جلوتر بودند. برای غلبه بر این مانع، دانشمندان سلول های انسانی را در یک محیط کشت تازه ابداع شده رشد دادند که آنها را به مرحله رشد اولیه بازگرداند. در نتیجه، سلول های انسانی می توانند بهتر با سلول های خوک همسایه ادغام شوند.

سپس دانشمندان این سلول های بنیادی ارتقا یافته انسانی را در جنین خوک که از نظر ژنتیکی تغییر داده شده بود و توانایی رشد کلیه را نداشتند، وارد کردند. پس از کاشت جنین ها در خوک های مادر جایگزین، محققان به آنها اجازه دادند تا حدود یک ماه رشد کنند و سپس آنها را برای تجزیه و تحلیل خارج کردند.

• عفونت لثه و از دست دادن دندان باعث کوچک شدن مغز و آلزایمر میشود

گزارشات در مورد رشد کلیه در بدن خوک

این تیم گزارش می دهد که تعدادی از جنین های خوک حاوی کلیه های اولیه انسان بودند. تا 65 درصد از سلولهای این اندام ها انسان بودند، که نشان میدهد سلول های بنیادی سلولهای کلیه را در محیط اطراف خوک تولید کرده اند.

این کلیه ها ابتدا یک آزمایشگاه هستند، اما دانشمندان قبل از ایجاد اندامی آماده برای پیوند به بیماران، کارهای بیشتری باید انجام دهند. از آنجایی که این تیم پیشرفت جنین ها را پس از حدود یک ماه متوقف کردند، کلیه های موقتی را رشد دادند که فقط برای چند هفته در اوایل رشد کار می کنند.

مجموعه دیگری از کلیه ها بعداً ایجاد میشوند و تا آخر عمر کار میکنند. اینها اندامهایی هستند که برای پیوند لازمند. علاوه بر این، دانشمندان می خواهند درصد سلول های انسانی را در اندام ها افزایش دهند. کلیه هایی که سلولهای خوک را در خود جای داده اند، اگر در بیماران قرار داده شوند، حملات ایمنی را تحریک میکنند.

رشد اندام های انسان در خوک ها نیز مسائل اخلاقی را به دنبال دارد. به عنوان مثال، سلولهای انسانی ممکن است در مغز یا سیستم های تولید مثلی حیوانات قرار بگیرند، به طور بالقوه توانایی های ذهنی آنها را تغییر دهند یا حتی باعث تولید اسپرم یا تخمک هایی شوند که دارای ژن های انسانی هستند.

دانشمندان برخی از سلول های مشتق از انسان را در مغز و نخاع جنین ها پیدا کردند، اما هیچ کدام را در سیستم تولید مثل شناسایی نکردند. استبان میگوید برای پیشبرد استراتژی پیوند، ممکن است محققان مجبور باشند تغییرات ژنتیکی بیشتری در سلولهای بنیادی انسان ایجاد کنند تا از این نفوذ جلوگیری کنند.

ژونگ وی لی، زیست شناس سلول های بنیادی از دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، می گوید رویکرد استبان و همکارانش برای تقویت سلول های بنیادی قبل از قرار دادن در جنین «بسیار صحیح است». اما سوالاتی در مورد سلول های کلیه انسان در جنین باقی می ماند. “آیا آنها سلول های کلیه خوب هستند؟ ما مدرک نداریم.» لی اضافه میکند که سوال بزرگ این است که آیا محققان میتوانند یک کلیه در مرحله بزرگسالی بسازند.

گری، شرکتی را تأسیس کرد که در تلاش برای تولید اندامهای انسان در خوک ها است، هشدار میدهد که تغییرات ژنتیکی محققان در سلولهای بنیادی انسان میتواند منجر به سرطان شود. او همچنین می خواهد تجزیه و تحلیل بیشتری از سلول های انسانی در کلیه ها و عملکرد اندام ها ببیند.
اثبات اینکه کلیه در حال رشد انسان است و این خوک ها تا زمان تولد و بعد از آن زنده می مانند، ضروری است.

استبان میگوید که محققان قصد دارند به جنین های مشابه با سلولهای بنیادی انسانی اجازه دهند برای مدت طولانی تری رشد کنند تا مشخص شود که آیا کلیه در مرحله بزرگسالی تشکیل میشود یا خیر. او هشدار می دهد که جدول زمانی برای تولید اندام های آماده پیوند نامشخص است. اما او خوشبین است. “من فکر می کنم که در عرض یک دهه ممکن است این یک واقعیت باشد.”

طبق مطالعه‌ای که به تازگی منتشر شد، به نظر می‌رسد پیری فرآیندهای سلولی را در پنج نوع بسیار متفاوت زندگی (انسان، مگس میوه، موش، موش و کرم) تحت تأثیر قرار می‌دهد. این یافته‌ها می‌تواند به توضیح عواملی که باعث پیر شدن می‌شود و پیشنهادهایی برای چگونگی معکوس کردن آن کمک کند.

لیندسی وو، بیوشیمیست در UNSW سیدنی در استرالیا، می‌گوید: “این یک حوزه واقعاً بنیادی جدید برای درک چگونگی و چرایی پیری ما باز می‌کند.”

با افزایش سن حیوانات، انواع فرآیندهای مولکولی درون سلول‌ها کمتر قابل اعتماد می‌شوند. جهش‌های ژنی بیشتر می‌شوند و انتهای کروموزوم‌ها جدا می‌شوند و کوتاه‌تر می‌شوند.
آندریاس بیر، زیست‌شناس محاسباتی در دانشگاه کلن در آلمان، می‌گوید: “بسیاری از مطالعات اثرات پیری را بر بیان ژن مورد بررسی قرار داده‌اند، اما تعداد کمی بررسی کرده‌اند که چگونه بر رونویسی تأثیر می‌گذارد. فرآیندی که در آن اطلاعات ژنتیکی از یک رشته DNA طرح‌واره به مولکول‌های RNA کپی می‌شود.”

کپی بی دقت در زمینه کاهش سرعت پیر شدن

برای پی بردن به این موضوع، بیر و همکارانش تغییرات رونویسی گسترده ژنومی را در پنج موجود زنده مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند: کرم نماتد، مگس میوه، موش، موش صحرایی و انسان، در سنین مختلف بالغ. محققان اندازه‌گیری کردند که پیر شدن چگونه سرعت حرکت آنزیمی که رونویسی را انجام می‌دهد، RNA پلیمراز II (Pol II)، در طول رشته DNA هنگام کپی کردن RNA تغییر می‌دهد.
آنها دریافتند که به طور متوسط، Pol II با افزایش سن سریعتر می شود، اما در هر پنج گروه، دقیق تر و مستعد خطاتر می شود. بیر می گوید: “ما شاهد عدم تطابق بیشتر بین اطلاعات خوانده شده و ژنوم مرجع بودیم.”

تحقیقات قبلی نشان داده بود که محدود کردن رژیم غذایی و مهار سیگنال‌دهی انسولین می‌تواند پیر شدن را در بسیاری از حیوانات به تاخیر بیندازد و طول عمر را افزایش دهد. بنابراین محققان سپس بررسی کردند که آیا این اقدامات بر سرعت Pol II تأثیری دارد یا خیر.
در کرم‌ها، موش‌ها و مگس‌های میوه که دارای جهش در ژن‌های سیگنال‌دهنده انسولین بودند، Pol II با سرعت کمتری حرکت کرد. این آنزیم همچنین در موش هایی که رژیم غذایی کم کالری داشتند، کندتر حرکت می کرد.

اما سوال نهایی این بود که آیا تغییرات در سرعت Pol II بر طول عمر تاثیر می گذارد یا خیر. بیر و تیمش بقای مگس‌های میوه و کرم‌هایی را که حامل جهشی بودند و سرعت Pol II را کاهش می‌داد، پیگیری کردند. این حیوانات 10 تا 20 درصد بیشتر از همتایان غیر جهش یافته خود عمر کردند. هنگامی که محققان از ویرایش ژن برای معکوس کردن جهش در کرم ها استفاده کردند، طول عمر حیوانات کوتاه شد.

بالا بردن سرعت

محققان متعجب بودند که آیا شتاب Pol II را می‌توان با تغییرات ساختاری در نحوه بسته‌بندی DNA درون سلول‌ها توضیح داد. برای به حداقل رساندن فضایی که اشغال می‌کنند، رشته‌های وسیعی از اطلاعات ژنتیکی در اطراف پروتئین‌هایی به نام هیستون‌ها به بسته‌هایی به نام نوکلئوزوم پیچیده می‌شوند.
با تجزیه و تحلیل سلول‌های ریه انسان و سلول‌های ورید ناف، محققان دریافتند که سلول‌های پیر حاوی نوکلئوزوم‌های کمتری هستند و مسیر Pol II را برای حرکت سریع‌تر هموار می‌کنند.
هنگامی که تیم بیان هیستون ها را در سلول ها تقویت کرد، Pol II با سرعت کمتری حرکت کرد. در مگس‌های میوه، سطوح بالای هیستون به نظر می‌رسید که طول عمر آنها را افزایش دهد.

کالین سلمان، که پیری پستانداران را در دانشگاه گلاسکو، بریتانیا مطالعه می‌کند، می‌گوید: “این مطالعه «یک کار واقعاً هیجان‌انگیز» است که نشان می‌دهد چگونه مکانیسم‌های پیری در گونه‌های مرتبط با هم سازگار است.”
همچنین راه را برای کشف اینکه چگونه Pol II می تواند هدفی برای داروهایی باشد که روند پیر شدن را کند می کنند باز می کند. تغییرات در فرآیند رونویسی Pol II در بسیاری از بیماری‌ها، از جمله انواع مختلف سرطان دخیل بوده است، و طیف وسیعی از داروها ساخته شده‌اند که Pol II و مولکول‌هایی را که آن را تسهیل می‌کنند، هدف قرار می‌دهند.
سلمان می‌گوید: “ممکن است فرصت‌هایی برای استفاده مجدد از برخی از این داروها برای بررسی اثرات آنها بر پیری وجود داشته باشد.”