ما الذي تستطيع الأجنة الاصطناعية فعله وما لا تستطيع فعله الآن وفي المستقبل

Magdalena Zernicka-Goetz هي أستاذة Bren للبيولوجيا والهندسة البيولوجية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وأستاذ بيولوجيا الخلايا الجذعية وتطويرها في جامعة كامبريدج.

في هذه المقابلة ، نناقش التطورات الحديثة في التقنيات التي تسمح لنا باستخدام الخلايا الجذعية لإنشاء هياكل شبيهة بالجنين مع دماغ وحتى قلب ينبض في طبق. نستكشف كيف يتم بناء هذه الأجنة "الاصطناعية" وحدود تشابهها مع الأجنة الطبيعية المزروعة من البويضات المخصبة. تشرح أيضًا كيف يمكنهم مساعدتنا في فهم سبب فشل الحمل ، وكيفية بناء الأعضاء من الصفر ، وحتى كيفية تجديد أجسام الشيخوخة. لكنها كشفت أولاً عن البصيرة الرئيسية التي سمحت لنا بتنمية هذه النماذج الجنينية في طبق لفترة أطول من أي وقت مضى: وهي أن الخلايا التي يتكون منها الجسم لا يمكنها القيام بذلك بمفردها.

---

ما هو الجنين الاصطناعي ، وما الذي يمكن استخدامه؟

المستقبل: للبدء ، هل يمكن أن تشرح ما هو الجنين الاصطناعي؟

ماغدالينا زيرنيكا جويتز: لأكون صادقًا ، أنا لا أحب هذا المصطلح كثيرًا. إنه أمر محير لأن الناس سيتساءلون ، مما يتكون هذا؟ 

لكننا نستخدمها بسبب إنه اختصار للقول إننا قمنا بتركيب بنية تشبه الجنين من لبنات البناء. في مختبرنا ، نستخدم ثلاثة أنواع من اللبنات الأساسية. تعكس إحدى لبنات البناء الخلايا الجذعية لكل نوع من الخلايا التي ستبني أجسامنا البالغة. إنها تسمى الخلية الجذعية الجنينية. والكتلتان الأساسيتان الأخريان هما الخلايا الجذعية لما يسمى بالبنى فوق الجنينية. واحد منهم مشهور ، المشيمة. هذا هو الذي يربط الطفل بجسم الأم الذي من خلاله يرضع الطفل. الثاني من هذه الهياكل خارج المضغ أقل شهرة ، لكنه يسمى كيس الصفار. هذا نوع من الكيس الذي ينمو فيه الجنين.

بشكل عام ، ما هي بعض الأشياء التي قد نرغب في القيام بها مع نماذج الأجنة الاصطناعية؟

لذلك ، على سبيل المثال ، أظهرنا أنه يمكن استخدام هذه النماذج لفهم وظيفة جينات معينة والتي تعتبر حاسمة لبعض مراحل التطور. نحن نعلم ، على سبيل المثال ، أن هناك جينًا مهمًا لنمو الدماغ والعين. لكننا لا نعرف بالضبط كيف تعمل من نماذج أجنة الفأر الحقيقية ، لأننا لا نستطيع متابعة العملية برمتها من البداية إلى النهاية بهذه الدقة. يمكنك الآن استخدام الخلايا الجذعية الجنينية ، حيث يمكنك التخلص من هذا الجين ومعرفة المزيد عن مرحلة تطور هذا الجين المهم ولأي سبب. يمكنك أيضًا التخلص من هذه الجينات في نقاط زمنية مختلفة ومعرفة العواقب. 

لن تكون قادرة على النمو والتطور كما نفعل نحن ، لكنها يمكن أن تعطينا نظرة ثاقبة مهمة في أجزاء الحياة التي هي في هذه اللحظة لغز كامل.

يمكننا أيضًا النظر في دور بيئة معينة أو مستقلبات معينة. على سبيل المثال ، تُنصح النساء الحوامل بتناول حمض الفوليك لأنه يساعد على النمو العصبي. لكن في أي مرحلة يكون الأمر مهمًا بالضبط ، ما الذي يفعله هذا حقًا؟ 

هل هناك فرصة لفهم سبب انتهاء العديد من حالات الحمل مبكرًا بشكل أفضل ، بالنظر إلى أن هذه النماذج تحاكي نفس مراحل التطور المبكرة؟ 

نعم بالتاكيد. من المهم جدًا إدراك أن غالبية حالات الحمل تفشل في الوقت الذي لا نعرف فيه أننا حامل. الأسبوعان الأولين من التطوير هشان للغاية لأن هناك معالم رئيسية يجب تحقيقها في الوقت المناسب. 

أولاً ، علينا إنتاج خلايا جذعية لهذه الأنسجة الثلاثة التي ذكرتها ، اثنتان خارج المضغة ، وأخرى جنينية. علينا أن نصنعها بالطريقة الصحيحة ، ومن ثم يجب أن تتفاعل تلك الأنسجة مع بعضها البعض. لكن الوقت مهم أيضًا. لا يمكنك تمديد الحمل ، على سبيل المثال ، 15 شهرًا. هذا يدل على أن معالم معينة يجب أن تتحقق في نقاط زمنية معينة.

فقط نوع واحد من الخلايا الجذعية يبني الجسم حقًا ، لكن النوعين الآخرين هما قوى إرشادية ، مثل الأم والأب.

لذلك عندما لا تحدث هذه المراحل التنموية بشكل صحيح ، أو تتأخر ، أو تحدث مبكرًا جدًا ، يتم إجهاض الأجنة. أو عندما يكون الاتصال بين هذه الأنواع الثلاثة من الخلايا غير طبيعي إلى حد ما ، أو لا يحدث على الإطلاق ، مرة أخرى ، يتم إجهاض الأجنة. لهذا السبب تفشل الكثير من حالات الحمل. الآن ، مع هذه النماذج ، نحن قادرون على النظر في كيفية حماية الطفل داخل جسد الأم. هذا هو الأمل وهذا دافع مهم جدًا بالنسبة لي. 

أود أن أؤكد على الرغم من أننا نتحدث الآن عن نماذج أجنة الفئران الاصطناعية. لكن من الواضح أن هذا نوع من النموذج الأولي لبناء نماذج ثلاثية الأبعاد لجنين بشري ، ولكن حتى ذلك الحين لن يكون في الواقع جنينًا بشريًا. لن تكون قادرة على النمو والتطور كما نفعل نحن ، لكنها يمكن أن تعطينا نظرة ثاقبة مهمة في أجزاء الحياة التي هي في هذه اللحظة لغز كامل.

إذن ، أين نحن مع نماذج الأجنة البشرية الاصطناعية أو حتى زراعة الأجنة البشرية في المختبر؟

لذا ، فإن نماذج الأجنة البشرية ليست موجودة بعد. لا يوجد بعد هيكل شبيه بالجنين مبني من الخلايا الجذعية البشرية ، على حد علمي. عندما بدأنا في بناء نماذج لأجنة الفئران المشتقة من الخلايا الجذعية ، تساءل الكثير من الناس عن سبب عدم قيامنا بذلك باستخدام الخلايا الجذعية البشرية ، وأنا متأكد من أن العديد من زملائي يحاولون بناء نموذج مشابه باستخدام الخلايا الجذعية البشرية. لكنها ليست تافهة. أولاً ، لا تتطور الخلايا الجذعية البشرية والخلايا الجذعية للفأر بالطريقة نفسها. إنهم بحاجة إلى ظروف مختلفة للحفاظ عليها في الثقافة. للتأكد حقًا من أننا نعرف كيفية القيام بذلك ، سيكون نموذج الماوس نموذجًا أوليًا. 

ومع ذلك ، فإن الكثير من الناس ، بما في ذلك نحن، استخدام الخلايا الجذعية البشرية في المزرعة لبناء أنسجة ثلاثية الأبعاد أو أجزاء من الأجنة. نستخدمها لفهم ، على سبيل المثال ، كيف يتشكل التجويف الأمنيوسي (الكيس المغلق الذي يحتوي على السائل الأمنيوسي). هل سنتمكن من تصحيح تطوره عندما يحدث خطأ؟

لكنها مجرد جزء من جنين بشري ، نموذج في المراحل الأولى من الانغراس في جدار الرحم. في الوقت الحالي ، يمكننا زراعة الأجنة البشرية فقط حتى ما يسمى باليوم 14 ، وهذا هو تحد من حيث لا يمكننا المرور. 

تكوين هياكل شبيهة بالجنين في المختبر

هذا رائع. لذا ، كيف تصنع الجنين الاصطناعي للفأر؟

الطريقة التي نبني بها نماذج الأجنة الاصطناعية في مختبرنا فريدة نوعًا ما. لقد طورنا هذا النهج من خلال فهم كيفية بناء الجنين لنفسه في الحياة الطبيعية ، ونستخدم الدروس المستفادة من الجنين لتقليد هذه العملية في المختبر في طبق بتري. 

لذلك نستخدم الأنواع الثلاثة من الخلايا الجذعية. نحاول تجميعها معًا بالنسب الصحيحة ، وإنشاء البيئة المناسبة بحيث تكون الأنواع الثلاثة من الخلايا ، والخلايا التي ستنشأ منها ، سعيدة وترغب في التواصل مع بعضها البعض. 

هذا هو المهم: استخدام ثلاثة أنواع من الخلايا - وليس واحدًا - لأن التطور يحدث عادةً من خلال التفاعلات بين ثلاثة أنواع من الخلايا. فقط نوع واحد من الخلايا الجذعية يبني الجسم حقًا ، لكن النوعين الآخرين هما قوى إرشادية ، مثل الأم والأب.

لم أصف الأمر بهذا الشكل من قبل ، لكن يمكنك التفكير فيه بهذه الطريقة لأن هذين النوعين الآخرين من الخلايا يقدمان تعليمات ومعلومات إشارات ، لكنهما يبنيان أيضًا نوعًا من المنزل لتتغذى فيه الجنين.

دعونا نرجع قليلا. لقد حقق هذا المجال الكثير من التقدم في السنوات القليلة الماضية. هل يمكن أن تخبرني ما هي المعالم المهمة حقًا من حيث إحراز تقدم نحو بناء نموذج الجنين هذا؟

علي أن أقول حقيقتين معروفتين. أولاً ، يمكن الحفاظ على الخلايا الجذعية الجنينية في المزرعة وتكاثرها في الثقافة إلى أجل غير مسمى. كان هذا اكتشاف مارتن إيفانز ، الذي حصل على جائزة نوبل عن ذلك. علمنا أنه إذا أخذت بعضًا من هذه الخلايا ، ووضعتها مع جنين ، فإنها ستكون قادرة على المساهمة في أنسجة البالغين.

لذلك علمنا أن الخلايا الجذعية لديها هذه الإمكانية السحرية. لكن ما لم نكن نعرفه ، وما كان تقدمًا كبيرًا منذ حوالي 10 سنوات ، هو ما إذا كنا سنكون قادرين على بناء أجنة من تلك الخلايا حصريًا ، بدون الجنين المضيف. لم يكن الأمر مفاجئًا ، بالطبع ، كان خطوة بخطوة. لكن الطريقة التي تعلمنا بها كيفية القيام بذلك كانت من خلال ملاحظة كيفية قيام الجنين بذلك أولاً.

هناك مرحلة من التطور مبكرة جدًا ، تسمى مرحلة انغراس الأجنة ، والتي لا نعرف عنها إلا القليل ، خاصة بالنسبة للبشر. تم وضع الأيام القليلة الأولى من التطوير قبل هذه المرحلة بشكل جيد. تنشأ الأنواع الثلاثة من الخلايا التي تحدثت عنها خلال الأيام القليلة الأولى. 

[هذه] النماذج ليست مهمة فقط بالنسبة لنا لفهم التطور الجنيني ، ولكنها مهمة أيضًا لفهم نشأة أنسجة معينة تبني أعضائنا البالغة. نحن نحاول تحديد القواعد الأساسية التي يجب الوفاء بها.

بعد تكوين هذه الأنواع الثلاثة من الخلايا ، تبدأ في التحدث مع بعضها البعض. لكن الطريقة التي يتواصلون بها لم تكن معروفة جيدًا ، لأن هذا هو الوقت الذي يغزو فيه الجنين جسم الأم ، أثناء عملية تسمى الزرع. لا يمكننا تقليد هذه العملية في المختبر ، لذلك لم نتمكن من ملاحظتها. لذا ، كانت خطوتنا الأولى هي تطوير طريقة لزراعة أجنة حقيقية ، فأر وبشر ، خلال تلك المرحلة في المختبر.

بمجرد أن تمكنا من تحقيق ذلك ، تمكنا من تتبع الخلايا وتسميتها وتتبعها لتحديد الوقت الذي تتكاثر فيه وتتفاعل مع بعضها البعض. عندما تابعنا تلك الأحداث ، أدركنا أننا نعرف الآن ما يكفي لنكون قادرين على محاكاة هذه الأحداث بالخلايا الجذعية التي تمثل الأنسجة الثلاثة. 

لقد كانت رحلة ، وكان المعلم الأول والأهم هو معرفة كيفية قيام الجنين بذلك. على وجه الخصوص ، إدراك أن الجنين يأخذ تعليمات من الأنسجة خارج المضغة. حتى الآن، لقد بنينا خمسة نماذج بإضافة مجموعات مختلفة من الخلايا خارج الجنينية إلى الخلايا الجنينية. ال النموذج الأول تم نشره في عام 2014 ، وكان آخر طراز نشرت للتو.

أخبرني عن هذه الخطوة التالية. ما الذي تم تحقيقه مع هذا النموذج الجديد من حيث مدى تقدم الأجنة وماذا يمكن أن تراه فيها؟ وكيف تبدو مقارنة بالبويضة المخصبة التي تتطور إلى جنين؟

يتطور النموذج الأخير الآن حتى اللحظة التي يتشكل فيها الرأس والقلب والجسيدات (أجزاء على طول محاور الجسم). هذا أمر لا يصدق ، لأننا لم نكن متأكدين مما إذا كانت هذه الهياكل الشبيهة بالجنين ستكون جيدة بما يكفي لتحقيق هذه المعالم. جميع أسلاف الدماغ موجودة ، وهيكل القلب ينبض ويضخ الدم. 

يمكن للدروس المستفادة من الجنين المبكر أن تعلمنا أيضًا كيفية تجديد الأنسجة ، لأن الأنسجة الجنينية هي أنسجة صغيرة.

إذن ما مدى تشابهها مع الأجنة الطبيعية؟ إنهما متشابهان للغاية ، لكنهما غير متطابقين. هذا مثير للاهتمام للغاية ، لأنه بعد ذلك يمكنك متابعة تطوير النماذج المتطابقة تقريبًا ، وتلك غير المتطابقة ، لفهم المبادئ الأساسية التي يتعين علينا الوفاء بها لجعل نوعًا معينًا من الأنسجة أو العضو مثاليًا.

هذا هو السبب في أن هذه النماذج ليست مهمة فقط بالنسبة لنا لفهم التطور الجنيني ، ولكنها مهمة أيضًا لفهم نشأة أنسجة معينة تبني أعضائنا البالغة. نحن نحاول تحديد القواعد الأساسية التي يجب الوفاء بها حتى يتم إنجاز هذه الأحداث بشكل صحيح. يمكنك البدء في معرفة ما يحدث ، وبما أنك تسمح للجنين ببناء نفسه ، يمكنك تحديد آليات هذه العملية وعندما يحدث خطأ.

حيث قد تؤدي الأجنة الاصطناعية

أخبرني المزيد عما تريد ، شخصيًا ، أن تفعله بهذه النماذج. هل هناك أسئلة أو تحديات معينة تريد معالجتها؟

اهتماماتي الرئيسية ذات شقين. رقم واحد هو فهم كيفية إنشاء الحياة. لذا ، أستخدم هذا النموذج لمحاولة فهم هذه المرحلة الغامضة من الحياة حقًا عندما تتواصل الخلايا مع بعضها البعض ، لأول مرة ، لبناء شيء معقد مثلنا. ولكن هذا هو الوقت الذي تفشل فيه غالبية حالات الحمل. إذا تمكنا من فهم هذا ، فسنكون قادرين ، في المستقبل ، على المساعدة في منع تلك الإخفاقات. هذا هو أملنا.

إنه يشبه إلى حد ما كيفية بناء منزل ، أليس كذلك؟ أنت لا تعتمد على اللبنات الأساسية لفرز نفسها.

يمكن للدروس المستفادة من الجنين المبكر أن تعلمنا أيضًا كيفية تجديد الأنسجة ، لأن الأنسجة الجنينية هي أنسجة صغيرة. لذلك فهو يعلمنا عن بناء أعضائنا وبناء أنسجتنا. نأمل المعرفة من هؤلاء ستُستخدم الدراسات - خطوة بخطوة - لزرع الأعضاء أو إصلاح الأعضاء في أجسامنا البالغة عندما تفشل.

هل توجد حواجز طريق ، سواء كانت تقنية أو في فهمنا العلمي ، تعوق تطوير واستخدام هذه النماذج؟

نعم ، هناك ، بشكل أساسي حول تقنية إنشاء الهياكل الشبيهة بالجنين. عندما نجمع هذه الأنواع الثلاثة من الخلايا الجذعية معًا ، فإننا نعتمد على القوى الموجودة بينها لإنشاء الجنين المناسب. في بعض الأحيان تسير الأمور على ما يرام ، وأحيانًا لا تسير الأمور على ما يرام. نرى هذا التباين في الهياكل. لذلك ، سيتعين علينا تطوير أدوات للتحكم بشكل أفضل في هذه الأحداث. 

على سبيل المثال ، في هذا المؤتمر الذي أحضره حاليًا ، قضيت وقتًا في مناقشة علم البصريات الوراثي مع زميل. باستخدام الضوء ، يمكنه تحفيز استجابات معينة للخلية. لذا ، هل يمكننا استخدام هذه الأساليب الضوئية لمساعدتنا في توجيه عملية التنظيم الذاتي؟ 

لتوجيه العملية بأي طريقة؟

لهندسة أحداث معينة. على سبيل المثال ، عندما نفكر في إنشاء الأنسجة والأعضاء التي يمكن أن تحل محل الأنسجة التالفة ، للقيام بذلك بكفاءة ، نحتاج إلى فهم كيف يمكننا هندستها. إنه يشبه إلى حد ما كيفية بناء منزل ، أليس كذلك؟ أنت لا تعتمد على اللبنات الأساسية لفرز نفسها. أو ، إذا كان المبنى أقل من الكمال ، فسيكون ذلك غير مقبول. نود توجيه عملية البناء لإعطاء مراقبة الجودة. 

لذلك ، لسنا قادرين على أن نكون مهندسين أو معماريين بعد. نحن نحاول بدلاً من ذلك خلق بيئة للجنين ليبني نفسه ويفهم هذه العملية ومتابعتها ، ومساعدتها أو إرباكها. لكننا لم نبدأ بعد في عملية هندسة الأنسجة. هندسة الأنسجة مهمة جدًا جدًا ، وستكون مستقبل استبدال الأعضاء. الكثير من المرضى ينتظرون عمليات زرع الكبد ، أو غيرها من الأعضاء التي تفشل ، وهذا أمر مأساوي حقًا. إذا تمكنا من إنشاء وإصلاح تلك الأعضاء باستخدام المعرفة التي تأتي من دراساتنا ، فسيكون ذلك أمرًا لا يصدق على الإطلاق. ما نقوم به وما يفعله العديد من زملائي - ما يسمى بالهندسة الحيوية للأنسجة - هو إلى أين ستذهب في المستقبل.

تاريخ النشر أغسطس 30 ، 2022