توسعه یک ارگانوئید عصبی انسان مانند ساختن یک هواپیما در حالی است که در باند فرود می آید. بله، این یک کلیشه است، اما مناسب است. در میان چیزهای دیگر، توضیح می‌دهد که چرا ارگانوئیدهای عصبی انسان هنوز فاقد یک نام‌گذاری ثابت هستند – چه رسد به کتابچه راهنمای کاربر.

ما نباید از [اصطلاح] مینی مغز استفاده کنیم. دکتر سرجیو پی پاشکا، استاد روانپزشکی و علوم رفتاری در دانشگاه استنفورد و مدیر برنامه اندام زایی مغز استنفورد، خاطرنشان می کند که این نادرست و تحقیرکننده است. او اضافه می‌کند که باید از “حیوانات انسانی” نیز اجتناب شود، “زیرا ما سلول‌ها را انسانی نمی‌کنیم.”

اگرچه هنوز نام دقیق و مناسب آن مورد توافق قرار نگرفته است، دانشمندان می توانند توصیفات ثابتی را ارائه دهند. به عنوان مثال، ارگانوئیدها را می توان به عنوان مدل های سلولی خودسازمانده، سه بعدی، توصیف کرد که معمولاً از سلول های بنیادی پرتوان انسانی مشتق می شوند. بنت جی نوویچ، دکترا، استاد زیست‌شناسی عصبی، دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA)، می‌گوید که ارگانوئیدهای عصبی سلول‌های مختلفی را که معمولاً در مغز انسان یافت می‌شوند، ترکیب می‌کنند و تحت شرایط آزمایشگاهی به روشی تقریبی سازمان‌دهی می‌شوند.

تلاش‌های رسمی و سیستماتیک برای ایجاد یک نام‌گذاری منسجم شامل یک مقاله چشم‌انداز اخیر در مجله نیچر است. در این مقاله، گروه کوچکی از محققان ارگانوئیدی چارچوبی را برای نام‌گذاری «مدل‌های چند سلولی انسان در توسعه سیستم عصبی و بیماری، از جمله ارگانوئیدها، مونتاژوئیدها و پیوندها » ارائه می‌کنند.. آنها اصطلاحات mini-brain، brain-in-a-dish و whole-brain را رد می کنند. در مقابل، آنها اصطلاحات ارگانوئیدهای عصبی و ارگانوئیدهای سیستم عصبی را تایید می کنند. علاوه بر این، از آنجایی که ارگانوئیدهای سیستم عصبی از مناطق خاصی از مغز هستند، پیشنهاد اضافی این است که اصطلاحات خاص منطقه مانند ارگانوئیدهای قشری، ارگانوئیدهای شبکیه، ارگانوئیدهای هیپوتالاموس و ارگانوئیدهای نخاعی را ایجاد کنید.

ارگانوئیدهای عصبی از اشیاء تبلیغاتی به سیستم هایی تبدیل شده اند که به اندازه کافی برای حمایت از مطالعات مفید هستند. پائولا آرلوتا، دکترا، رئیس دپارتمان سلول‌های بنیادی و زیست‌شناسی احیاکننده هاروارد، خاطرنشان می‌کند که اگرچه پیشرفت‌ها همچنان ادامه دارد، ارگانوئیدهای عصبی موجود در حال حاضر برای مطالعه مکانیسم‌های بیماری یا اصول رشد مغزی مورد استفاده قرار می‌گیرند که غیر از این نمی‌توان آنها را مورد مطالعه قرار داد.

بنابراین، توسعه ارگانوئیدهای عصبی کمی شبیه ساختن هواپیمایی است که در حال پرواز است. آرلوتا می‌گوید: ارگانوئیدهای عصبی، مانند بسیاری از شگفتی‌های فناوری، با «هیجان‌انگیز زیاد» شروع شدند – احتمالاً در زمانی که خیلی زود بود. اما او می‌افزاید که این هیجان موجه بود: «می‌توانستید از طریق آن ببینید—می‌توانید ببینید که این تحقیق زمینه جدیدی و شیوه‌ای جدید از تفکر را آغاز می‌کند».

نویچ مشاهده می کند که میدان ارگانوئیدی در مدت زمان کوتاهی راه درازی را پیموده است و از زمان پیدایش خود در چندین مرحله حرکت می کند. مرحله اول صرف اثبات این شد که ارگانوئیدها می توانند ساخته شوند. فاز دوم، که در حال حاضر در حال انجام است، بر ایجاد مدل های فنوتیپی بیماری متمرکز است. مرحله سوم، که در حال حاضر شروع شده است، در مورد استفاده از ارگانوئیدهای مدل‌سازی بیماری برای تعیین مسیرهای بیماری و پیشبرد توسعه دارو است.

اگرچه این رشته بیش از یک دهه پیش آغاز شد، اما چشمگیرترین پیشرفت ها نسبتاً اخیراً رخ داده است. به گفته نویچ، این شتاب طی پنج تا شش سال گذشته افزایش یافته است. او اضافه می کند که در حالی که هنوز چالش ها و تمایل به افراط در تبلیغات وجود دارد، این فناوری در آستانه انجام بسیاری از کارها قرار دارد. او متقاعد شده است که وقتی نوبت به درک مکانیسم‌های اساسی رشد و بیماری مغز انسان می‌رسد، ارگانوئیدهای عصبی در چند سال آینده پیشرفت‌های بسیار بزرگی خواهند داشت. نوویچ می افزاید که برخی از تحقیقاتی که امروزه در حال انجام است – برای مثال، استفاده از ارگانوئیدها به عنوان راه های نوروژنتیک – به ارتباط واقعی با بیماران انسانی نزدیک می شود.

نویچ هشدار می دهد که آزمایش های ارگانوئیدی برای افراد ضعیف نیست. گفته می‌شود، وقتی او در حال بررسی کمک‌های مالی است، محققان بیشتری را می‌بیند که «هدف ارگانوئیدی را دنبال می‌کنند». اگرچه او از علاقه به این پلتفرم قدردانی می کند، اما نوویچ نگران است که محققان بیش از حد مشتاق بتوانند مشکلات احتمالی را نادیده بگیرند.

نوویچ این میدان را “غرب وحشی” می نامد، که عمدتاً به دلیل مشکلات مربوط به ثبات است. پروتکل های مختلفی برای ساخت ارگانوئیدها وجود دارد. علاوه بر این، آزمایشگاه های مختلف دارای بازه های زمانی متفاوتی هستند. بنابراین، یک ارگانوئید “هفته 5” ممکن است از یک آزمایشگاه به آزمایشگاه دیگر یکسان نباشد. این می تواند به ویژه در هنگام مقایسه مطالعات ترانسکریپتومیک چالش برانگیز باشد. او می‌گوید وقتی تفاوتی در پیشرفت رشد یا انواع سلول‌ها در یک ارگانوئید وجود داشته باشد، سوء تفاهم می‌تواند «واقعاً زشت» شود.

نوویچ در مقاله‌ای که اخیراً منتشر شده است، این نکته را نشان می‌دهد. یافته‌های این مقاله نشان می‌دهد که وقتی سلول‌هایی از یک نوع با روش‌های مختلف رشد می‌کنند، نتایج به‌طور قابل‌توجهی متفاوت امکان‌پذیر است – حتی زمانی که از پروتکل ارگانوئیدی یکسانی استفاده می‌شود. آرلوتا موافق است که تکرارپذیری مشکلی در این زمینه بوده است. اگرچه او فکر نمی کند که مشکل به طور کامل حل شده است، او خاطرنشان می کند که این زمینه “راه زیادی را برای رسیدگی به این موضوع طی کرده است.”

نویچ پیشنهاد می‌کند که این زمینه به مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های تعیین‌شده برای کنترل کیفیت نیاز دارد – مرجعی برای مقایسه جمعیت سلول‌ها بین آزمایشگاه‌ها. بدون دستورالعمل، همسویی یافته ها بسیار چالش برانگیز است.

آرلوتا موافق است و فکر می کند که این موضوع در آینده نزدیک توجه زیادی را به خود جلب خواهد کرد. او می گوید که تعداد زیاد پروتکل ها تضمین می کند که چیزی به نام یک ارگانوئید مغز انسان وجود ندارد. و اگرچه میدان ارگانوئیدی هنوز نسبتا کوچک است، اما “دیوانه وار در حال گسترش است”. همانطور که این زمینه رشد می کند، نیاز به اطمینان از اینکه همه محققان در مورد تکرارپذیری، انواع سلول ها و مدل سازی بیماری ها به یک زبان صحبت می کنند نیز افزایش می یابد. نوویچ اظهار می کند که توسعه شیوه های ارگانوئید خوب کار در حال پیشرفت است. در حال حاضر، او در حال همکاری در یک مقاله مروری است که به این موضوع می پردازد و تلاش می کند تا نظرات بسیاری را که توسط دانشمندان مرکز تحقیقات ناتوانی های فکری و رشدی UCLA (IDDRC) هماهنگ می شود، هماهنگ کند. (UCLA IDDRC، جایی که Novitch به طور مشترک هسته تجزیه و تحلیل سلول ها، مدارها و سیستم ها را هدایت می کند، یکی از 14 IDDRC است که توسط موسسه ملی سلامت کودک و توسعه انسانی پشتیبانی می شود.) برای پیچیده‌تر کردن مسائل، کیت‌های تجاری به منظور ساده‌سازی آزمایش‌های ارگانوئیدی در حال تکثیر هستند. آرلوتا می گوید که کیت ها دقیقاً دلیل نیاز این رشته به استانداردها هستند. هنگامی که استانداردها ایجاد می شوند، تقریباً مهم نیست که پروتکل از کجا آمده است، تا زمانی که در نهایت وضوح و شفافیت وجود داشته باشد.

آزمایشگاه آرلوتا اخیراً مقاله‌ای منتشر کرده است که در آن «اطلس تک سلولی رونویسی، اپی ژنتیکی و فضایی رشد ارگانوئیدهای قشر مغز انسان» را ارائه می‌کند. همچنین، به گفته نویسندگان مقاله، هدف آن “تحقیق اولیه در مورد مکانیسم های رشد قشر مغز انسان” است. در این مقاله، آرلوتا و همکارانش توضیح می‌دهند که چگونه کل مسیر تکاملی را در فضای چند سلولی تک سلولی ردیابی کردند، و همچنین نحوه ساختن درخت دودمانی از سلول‌های مغز انسان را برای اولین بار در شرایط آزمایشگاهی توصیف کردند. نویسندگان همچنین پیشنهاد می‌کنند که درخت اصل و نسب آنها می‌تواند مطالعه مکانیسم‌های خاص انسان برای تمایز سلول‌های مغزی را تسهیل کند. مطالعه چنین مکانیسم‌هایی معمولاً دشوار یا غیرممکن در نظر گرفته می‌شود، زیرا سلول‌های مغز انسان عمدتاً در رحم رشد می‌کنند. در ارگانوئیدها، مطالعه فنوتیپ های ساختاری، مانند مطالعه مدار، بصری به نظر می رسد. اما بسیاری از محققان، از جمله Paşca و Arlotta، علاقه مند به استفاده از ارگانوئیدها برای مطالعه اختلالات عصبی روانی هستند. در بیماری عصبی روانپزشکی یا یک بیماری رشد عصبی مانند اوتیسم، قضیه متفاوت است – وقتی به مغز یک بیمار مبتلا به اسکیزوفرنی نگاه می کنید، هیچ چیز به وضوح اشتباه به نظر نمی رسد. اما آرلوتا استدلال می کند که ارگانوئیدها در این فضا مفید هستند زیرا اطلاعات ژنتیکی زیادی در ارتباط با خطر برخی از این بیماری ها وجود دارد.

با استفاده از این اطلاعات ژنومی، محققان می توانند ارگانوئیدی را پرورش دهند که ژنوم یک فرد را مدل می کند. این روشی را برای طراحی آزمایش ها به روشی بی طرفانه و ماجراجویانه فراهم می کند. تیم آرلوتا این رویکرد را برای مطالعه اوتیسم در کار منتشر شده در اوایل سال جاری در Nature اتخاذ کرد. این تیم ارگانوئیدها را از اهداکنندگان مختلف پرورش داد تا نقش سه ژن مختلف خطر اوتیسم (SUV420H1، ARID1B، یا CHD8) را کشف کند.

او می‌گوید: «ما نمی‌دانستیم که قرار است چه چیزی پیدا کنیم. اما ارگانوئیدها یک مولد فرضیه بودند که پژوهشگران قبلا هرگز مشابه آن را نداشتند. اکنون، برای اولین بار، مطالعات می توانند به اطلاعات ژنتیکی اجازه دهند تا یک مغز بدوی بسازند – با مدارها و چیزهایی که می توانید تماشا کنید، مطالعه کنید و فنوتیپ کنید.

ارگانوئیدها درک منحصر به فردی از کاری که ژنوم بیماران انجام می دهند ارائه می دهند. آرلوتا می‌گوید، ما می‌توانیم از اطلاعات ژنتیکی برای درک آنچه در حال وقوع است استفاده کنیم و اهداف و مولکول‌های سلولی را پیدا کنیم. این یک فرصت بزرگ است که در مدل های حیوانی وجود نداشت، صرفاً به این دلیل که آنها نیاز به ژنوم انسان را برطرف نکردند. ارگانوئیدها معمولا فاقد ورودی حسی هستند. این یک محدودیت سیستم است زیرا نقشی که فعالیت مغز در رشد و بلوغ مغز ایفا می کند را از دست می دهد. آرلوتا فکر می‌کند که «ادغام فعالیت، در فرآیند توسعه ارگانوئید، برای گام بعدی حیاتی خواهد بود».

گروه Paşca حدود هفت سال است که روی گام بعدی کار می کند. در پایان اکتبر، گروه او مقاله‌ای را در Nature5 منتشر کرد که نشان می‌داد چگونه ارگانوئیدهای عصبی انسان در مغز موش‌های تازه متولد شده بالغ می‌شوند. اگرچه ارگانوئیدها برای سال‌ها به مغز موش‌های بالغ پیوند زده شده‌اند، مغزهای جوان‌تر نتایج متفاوتی را به همراه داشته‌اند. هنگامی که ارگانوئیدهای عصبی انسان به قشر حسی تنی نوزادان پیوند زده شدند، رشد کردند (6 برابر بزرگتر از زمانی که در شرایط آزمایشگاهی رشد کردند)، تا حدی در مدارهای عصبی ادغام شدند و عملکرد خود را نشان دادند. علاوه بر این، بین فعالیت ارگانوئیدها و رفتار حیوانات ارتباط برقرار شد. و هنگامی که سبیل های موش ها لمس شد، ارگانوئیدها به تحریک پاسخ دادند.

گام بعدی برای Paşca پیوند مونتاژوئیدها یا گروه‌هایی از ارگانوئیدها با نسبت‌های مختلف نورون‌های تحریک‌کننده و مهارکننده است. فعل و انفعالات این سلول ها در قشر مغز برای درک بیماری هایی مانند صرع کلیدی است.

Paşca و همکارانش بر این باورند که استفاده از این سیستم به آنها اجازه می دهد تا سوالاتی را بپرسند که با استفاده از مدل های دیگر نمی توان آنها را پرسید. این سیستم قبلاً به دانشمندان کمک کرده است تا آزمایش داروها را برای بیماری‌های عصبی و تکاملی و عصبی آغاز کنند.

نکته کلیدی که باید به خاطر داشته باشید، نویچ تاکید می کند، این است که ارگانوئیدها سلول های انسانی هستند. به همین دلیل، ارگانوئیدها به محققان این فرصت را می دهند که بیماری ها را با وفاداری بیشتری نسبت به سایر سیستم ها مدل کنند. و این به تنهایی به محققین مزیت بزرگی نسبت به بسیاری از روش های دیگر که در گذشته استفاده شده است می دهد.

منبع

Neural Organoids Making Connections, Getting Real