لأول مرة، تم زراعة نموذج للدماغ البشري بجميع أنواع الخلايا في المختبر.

تم إنتاجه من الخلايا الجذعية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الدماغ المتكامل متعدد الخلايا (الدماغ المتكامل متعدد الخلايا – miBrain)، الذي يجمع جميع الأنواع الرئيسية لخلايا الدماغ، بما في ذلك الخلايا العصبية والدبقية والأوعية الدموية، في ثقافة واحدة. فهو يعيد إنتاج الخصائص والوظائف الرئيسية للأنسجة العصبية، ويمكن تخصيصه بسهولة من خلال تحرير الجينات، ويمكن إنتاجه بكميات كافية لإجراء أبحاث واسعة النطاق.

على الرغم من أن كل عينة أصغر من عملة الروبل، فإن miBrain له قيمة هائلة للباحثين ومطوري الأدوية الذين يحتاجون إلى نماذج مختبرية حية أكثر تعقيدًا لفهم بيولوجيا الدماغ وعلاج الأمراض بشكل أفضل.

“miBrain هو النظام الوحيد في المختبروالتي تحتوي على جميع أنواع الخلايا الرئيسية الستة الموجودة في الدماغ البشري. “في أول تطبيق له، سمح لنا باكتشاف كيف أن إحدى العلامات الجينية الأكثر شيوعًا لمرض الزهايمر تغير تفاعلات الخلايا، مما يؤدي إلى علم الأمراض”، كما يقول البروفيسور لي هوي تساي من جامعة كاليفورنيا. معهد بيكاور للتعلم والذاكرة مع.

ميزة مزدوجة

ومن الواضح أنه كلما كان النموذج أكثر دقة في إعادة إنتاج تعقيد الدماغ، كلما كان أكثر ملاءمة للتنبؤ بالبيولوجيا البشرية ودراسة العلاجات.

من الممكن إنشاء مزارع بسيطة، تتألف من نوع واحد فقط أو بضعة أنواع من الخلايا، بأعداد كبيرة بسهولة وسرعة نسبية، ولكنها لا تستطيع أن تخبر الباحثين عن التفاعلات التي لا تعد ولا تحصى والتي تعتبر ضرورية لفهم الصحة أو المرض. تجسد التجارب على الحيوانات مدى تعقيد الدماغ، ولكنها غالبًا ما تكون صعبة ومكلفة، وتؤدي إلى نتائج بسرعة أقل من المتوقع، وقد لا تتطابق مع النتائج البشرية.

يجمع miBrain بين فوائد كلا النوعين من النماذج، ويحافظ على قدر كبير من القدرة على تحمل التكاليف وسرعة مزارع الخلايا المزروعة في المختبر، بينما يسمح للباحثين بالحصول على نتائج تقترب بشكل أوثق من البيولوجيا البشرية المعقدة. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام المواد الحيوية المانحة يخصص النموذج لمريض معين.

“يعد miBrain إنجازًا علميًا مثيرًا للإعجاب. إن الاتجاه نحو عدد أقل من التجارب على الحيوانات في تطوير الأدوية يجعل مثل هذه الأنظمة أدوات ذات أهمية متزايدة لاكتشاف وتطوير أهداف علاجية جديدة لدى البشر”، يؤكد روبرت لانجر، الأستاذ في معهد كوخ.

مجموعتين رئيسيتين

واجه إنشاء نموذج دماغ ناجح تحديين رئيسيين استغرق التغلب عليهما سنوات عديدة. أولاً، الركيزة التي سيعمل فيها النظام بنجاح. استلهم الباحثون من البيئة المحيطة بالخلايا في الأنسجة الطبيعية، المصفوفة خارج الخلية (ECM). يحاكي Neuromatrix المعتمد على الهيدروجيل من miBrain ECM للدماغ بمزيج خاص من السكريات والبروتيوغليكان والغشاء القاعدي الذي يوفر سقالة لخلايا الدماغ مع تعزيز نموها وتطورها.

ثانيا، نسب الخلايا. على مدى العقود القليلة الماضية، ظلت النسبة الفعلية لأنواع الخلايا موضع نقاش، وحتى يومنا هذا لا يُعرف سوى مبادئ توجيهية تقريبية للغاية – على سبيل المثال، 45-75% لخلايا قليلة التغصن من جميع الخلايا أو 19-40% للخلايا النجمية.

حصل الباحثون على ستة أنواع من الخلايا من الخلايا الجذعية المحفزة المتبرع بها من قبل المرضى واختبروا أن كل نوع مزروع يعيد تلخيص خلايا الدماغ الطبيعية بشكل وثيق. تم بعد ذلك تعديل النسبة تجريبيًا حتى تم العثور على النسبة المثالية، مما أدى إلى تكوين وحدات وعائية عصبية وظيفية ومنظمة بشكل صحيح. هذه عملية كثيفة العمالة للغاية، حيث أن كل نوع من الخلايا مبرمج وراثيا وينمو بشكل منفصل – ولكن في النهاية تبين أنه يمثل ميزة.

تقول أليس ستانتون، من كلية الطب بجامعة هارفارد، وهي باحثة سابقة في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر تساي: “تسمح البنية المعيارية لجهاز miBrain بالتحكم الدقيق في التركيب الخلوي، وعلم الوراثة، وأجهزة الاستشعار، مما يجعله مثاليًا لنمذجة الأمراض واختبار الأدوية”.

اكتشاف مرض الزهايمر

تم اختبار قدرات miBrain من خلال دراسة المكون الوراثي للتسبب في مرض الزهايمر. ومن المعروف أن متغير الجين APOE4 يساهم بشكل كبير في خطر الإصابة بهذا الاضطراب. يتم إنتاج بروتين APOE بواسطة الخلايا النجمية. تم إجراء التجارب على ثقافات الخلايا النجمية المعزولة وتلك المدمجة في miBrain؛ تم نشر نتائجهم في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

اتضح أن تراكم بروتين تاو والأميلويدات – علامات التفاعل المناعي لمرض الزهايمر – يحدث فقط عندما تعمل الخلايا النجمية مع جين “معيب” في التفاعل مع الخلايا الدبقية الصغيرة؛ بشكل منفصل، فإنها تقريبا لا تنتج البروتينات الضارة.

في المستقبل، يخطط فريق البحث لإضافة ميزات جديدة إلى miBrains لصياغة خصائص الدماغ العامل بشكل أكثر دقة، على سبيل المثال استخدام الموائع الدقيقة لإضافة التدفق عبر الأوعية الدموية أو تقنيات تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) أحادية الخلية لتحسين التنميط العصبي.

ولكن حتى الإصدار الحالي له آفاق واسعة جدًا. وقال ستانتون: “نظرًا لتعقيدها ونمطيتها، فإن الاتجاهات المستقبلية لا حصر لها”.