چه کارهایی که جنین های مصنوعی می توانند انجام دهند و نمی توانند در حال حاضر و در آینده انجام دهند

Magdalena Zernicka-Goetz استاد بیولوژی و مهندسی بیولوژیکی برن در موسسه فناوری کالیفرنیا و استاد زیست شناسی و توسعه سلول های بنیادی در دانشگاه کمبریج است.

در این مصاحبه، پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌هایی را مورد بحث قرار می‌دهیم که به ما اجازه می‌دهد از سلول‌های بنیادی برای ایجاد ساختارهای جنین مانند با مغز و حتی قلب تپنده در ظرف استفاده کنیم. ما چگونگی ساخت این جنین های مصنوعی و محدودیت های شباهت آنها به جنین های طبیعی رشد یافته از تخم های بارور شده را بررسی می کنیم. او همچنین توضیح می‌دهد که چگونه می‌توانند به ما کمک کنند تا بفهمیم چرا بارداری شکست می‌خورد، چگونه اندام‌ها را از ابتدا بسازیم، و حتی چگونه بدن‌های پیر را جوان کنیم. اما ابتدا، او بینش کلیدی را آشکار می کند که به ما امکان می دهد این مدل های جنین را در ظرفی طولانی تر از همیشه رشد دهیم: اینکه سلول هایی که بدن را تشکیل می دهند به تنهایی نمی توانند این کار را انجام دهند.

---

جنین مصنوعی چیست و در چه مواردی می توان از آن استفاده کرد؟

آینده: برای شروع، می توانید توضیح دهید که جنین مصنوعی چیست؟

ماگدالنا زرنیکا-گوتز: راستش را بخواهید من در واقع این اصطلاح را زیاد دوست ندارم. این گیج کننده است زیرا مردم تعجب خواهند کرد که این از چه چیزی ساخته شده است؟ 

اما ما از آن استفاده می کنیم زیرا این یک میانبر است بگوییم که ما یک ساختار جنین مانند را از بلوک های ساختمانی سنتز کرده ایم. در آزمایشگاه ما از سه نوع بلوک ساختمانی استفاده می کنیم. یک بلوک ساختمانی منعکس کننده سلول های بنیادی برای هر نوع سلولی است که بدن بالغ ما را می سازد. به آن سلول بنیادی جنینی می گویند. و دو بلوک ساختمانی دیگر سلول های بنیادی برای ساختارهای به اصطلاح خارج جنینی هستند. یکی از آنها معروف است، جفت است. این همان چیزی است که نوزاد را با بدن مادر که از طریق آن کودک تغذیه می شود، متصل می کند. دومین مورد از این ساختارهای خارج جنینی کمتر معروف است، اما کیسه زرده نامیده می شود. این نوعی گونی است که جنین در آن رشد خواهد کرد.

به طور کلی، برخی از کارهایی که ممکن است بخواهیم با مدل های جنین مصنوعی انجام دهیم چیست؟

بنابراین، برای مثال ما نشان داده‌ایم که این مدل‌ها می‌توانند برای درک عملکرد ژن‌های خاصی که برای برخی از مراحل توسعه حیاتی هستند، استفاده شوند. ما می دانیم، برای مثال، ژنی وجود دارد که برای رشد مغز و چشم مهم است. اما ما دقیقاً نمی دانیم که چگونه از مدل های جنین موش واقعی کار می کند، زیرا نمی توانیم کل فرآیند را از ابتدا تا انتها با این دقت دنبال کنیم. بنابراین اکنون می‌توانید از سلول‌های بنیادی جنینی استفاده کنید، که در آن می‌توانید آن ژن را از بین ببرید و در مورد مرحله رشد این ژن و برای چه اهمیتی بیشتری پیدا کنید. همچنین می توانید این ژن ها را در مقاطع زمانی مختلف از بین ببرید و عواقب آن را ببینید. 

مانند ما قادر به رشد و توسعه نخواهد بود، اما می تواند بینش مهمی در مورد تکه های زندگی که در این لحظه یک راز کامل هستند به ما بدهد.

ما همچنین می توانیم به نقش یک محیط خاص یا متابولیت های خاص نگاه کنیم. به عنوان مثال، به زنان باردار توصیه می شود که اسید فولیک مصرف کنند زیرا به رشد عصبی کمک می کند. اما دقیقاً در کدام مرحله مهم است، این واقعاً چه کاری انجام می دهد؟ 

آیا فرصتی برای درک بهتر این موضوع وجود دارد که چرا بسیاری از بارداری ها خیلی زود به پایان می رسند، با توجه به اینکه این مدل ها همان مراحل اولیه رشد را شبیه سازی می کنند؟ 

بله کاملا. درک این نکته بسیار مهم است که اکثر بارداری ها در زمانی که ما حتی نمی دانیم باردار هستیم با شکست مواجه می شوند. دو هفته اول توسعه بسیار شکننده است زیرا نقاط عطف مهمی وجود دارد که باید در زمان مناسب به دست آیند. 

ابتدا باید برای این سه بافتی که گفتم سلول های بنیادی تولید کنیم، دو تا خارج جنینی، یکی جنینی. ما باید آنها را به روش درست ایجاد کنیم و سپس آن بافت ها باید با یکدیگر تعامل داشته باشند. اما زمان نیز مهم است. شما نمی توانید بارداری را مثلا تا 15 ماه تمدید کنید. این نشان می دهد که نقاط عطف خاصی باید در مقاطع زمانی خاص به دست آیند.

تنها یک نوع سلول بنیادی واقعاً بدن را می سازد، اما دو نوع دیگر نیروهای هدایت کننده هستند، کمی شبیه مادر و پدر.

بنابراین وقتی این نقاط عطف رشد به درستی اتفاق نمی‌افتد، یا به تأخیر می‌افتد یا خیلی زود اتفاق می‌افتد، جنین‌ها سقط می‌شوند. یا وقتی ارتباط بین آن سه نوع سلول به نوعی غیرطبیعی باشد یا اصلا اتفاق نیفتد، دوباره جنین ها سقط می شوند. به همین دلیل است که بسیاری از بارداری ها با شکست مواجه می شوند. بنابراین اکنون، با این مدل‌ها، می‌توانیم به نحوه محافظت از نوزاد در بدن مادر نگاه کنیم. این امید است و این انگیزه بسیار مهمی برای من است. 

من می خواهم تاکید کنم که در حال حاضر ما در مورد مدل های جنین موش مصنوعی صحبت می کنیم. اما بدیهی است که این نوعی نمونه اولیه برای ساخت مدل های سه بعدی جنین انسان است، اما حتی در آن صورت واقعاً جنین انسان نخواهد بود. مانند ما قادر به رشد و توسعه نخواهد بود، اما می تواند بینش مهمی در مورد تکه های زندگی که در این لحظه یک راز کامل هستند به ما بدهد.

پس با مدل‌های جنین مصنوعی انسانی یا حتی کشت جنین‌های انسانی در شرایط آزمایشگاهی کجا هستیم؟

بنابراین، مدل های جنین انسان هنوز وجود ندارد. تا آنجا که من می دانم هنوز یک ساختار کامل جنین مانند از سلول های بنیادی انسان ساخته نشده است. زمانی که ما شروع به ساخت مدل‌های جنین موش مشتق از سلول‌های بنیادی کردیم، بسیاری از مردم پرسیدند که چرا این کار را با سلول‌های بنیادی انسانی انجام نمی‌دهیم، و من مطمئن هستم که بسیاری از همکاران من در تلاش هستند تا مدلی مشابه با استفاده از سلول‌های بنیادی انسانی بسازند. اما بی اهمیت نیست. اول از همه، سلول های بنیادی انسان و سلول های بنیادی موش به یک شکل رشد نمی کنند. آنها به شرایط متفاوتی نیاز دارند تا در فرهنگ حفظ شوند. برای اینکه واقعاً مطمئن شویم که چگونه این کار را انجام دهیم، مدل ماوس یک نمونه اولیه خواهد بود. 

با این وجود، بسیاری از مردم، از جمله ما، از سلول های بنیادی انسانی در کشت برای ساختن بافت های سه بعدی یا قطعات جنین استفاده کنید. ما از آنها برای درک چگونگی تشکیل حفره آمنیوتیک (کیسه بسته حاوی مایع آمنیوتیک) استفاده می کنیم. آیا می‌توانیم توسعه آن را زمانی که اشتباه می‌کند اصلاح کنیم؟

اما این تنها بخشی از جنین انسان است، مدلی در مراحل اولیه لانه گزینی در دیواره رحم. در حال حاضر، ما می‌توانیم جنین‌های انسان را فقط تا به اصطلاح روز چهاردهم پرورش دهیم، این همان روز است محدود کردن جایی که ما نمی توانیم عبور کنیم. 

ایجاد ساختارهای جنین مانند در آزمایشگاه

این جذاب است. بنابراین، چگونه جنین مصنوعی موش را ایجاد می کنید؟

روشی که ما این مدل های جنین مصنوعی را در آزمایشگاه خود می سازیم به نوعی منحصر به فرد است. ما این رویکرد را از طریق درک چگونگی ساخت جنین در زندگی طبیعی توسعه دادیم و از درس‌های جنین برای تقلید از این فرآیند در آزمایشگاه در ظرف پتری استفاده می‌کنیم. 

بنابراین ما از سه نوع سلول بنیادی استفاده می کنیم. سعی می کنیم آنها را به نسبت درست کنار هم قرار دهیم، محیط مناسبی را ایجاد کنیم تا سه نوع سلول و سلول هایی که از آنها به وجود می آیند، خوشحال باشند و آرزو کنند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. 

این چیزی است که ضروری است: استفاده از سه نوع سلول - نه یک - زیرا به طور معمول رشد از طریق تعامل بین سه نوع سلول اتفاق می افتد. فقط یک نوع سلول بنیادی واقعاً بدن را می سازد، اما دو نوع دیگر نیروهای هدایت کننده هستند، کمی شبیه مادر و پدر.

من قبلاً هرگز آن را اینطور توصیف نکرده بودم، اما می توانید به این روش فکر کنید زیرا این دو نوع سلول دیگر دستورالعمل ها و اطلاعات سیگنالی را ارائه می دهند، اما آنها همچنین نوعی خانه برای تغذیه جنین می سازند.

بیایید کمی به عقب برگردیم. این رشته در چند سال اخیر پیشرفت زیادی داشته است. آیا می توانید به من بگویید که نقاط عطف واقعاً مهم از نظر پیشرفت در ساخت این مدل جنینی چه بوده است؟

باید دو واقعیت را بگویم که کاملاً مشخص است. اول اینکه سلول های بنیادی جنینی را می توان در کشت نگهداری کرد و به طور نامحدود در کشت تکثیر کرد. این کشف مارتین ایوانز بود که جایزه نوبل را برای آن دریافت کرد. ما می‌دانستیم که اگر تعدادی از آن سلول‌ها را بردارید و آنها را با یک جنین کنار هم بگذارید، می‌توانند به بافت‌های بالغ کمک کنند.

بنابراین می دانستیم که سلول های بنیادی این پتانسیل جادویی را دارند. اما چیزی که ما نمی‌دانستیم، و چیزی که حدود 10 سال پیش پیشرفت کرده بود، این بود که آیا می‌توانیم به طور انحصاری از آن سلول‌ها، بدون جنین میزبان، جنین بسازیم. مثل یک چیز ناگهانی نبود، البته مرحله به مرحله بود. اما روشی که یاد گرفتیم چگونه این کار را انجام دهیم، ابتدا مشاهده کردیم که جنین چگونه این کار را انجام می دهد.

مرحله ای از رشد وجود دارد که خیلی زود است، به نام مرحله لانه گزینی جنین، که ما اطلاعات کمی در مورد آن داریم، به ویژه برای انسان. چند روز اول توسعه قبل از این مرحله به خوبی انجام شده است. سه نوع سلولی که در مورد آنها صحبت کردم در همین چند روز اول بوجود می آیند. 

[این] مدل‌ها نه تنها برای درک جنین‌زایی برای ما مهم هستند، بلکه برای درک پیدایش بافت‌های خاصی که اندام‌های بالغ ما را می‌سازند نیز مهم هستند. ما در تلاشیم تا قوانین اساسی که باید رعایت شوند را شناسایی کنیم.

پس از تشکیل این سه نوع سلول، آنها شروع به صحبت با یکدیگر می کنند. اما نحوه ارتباط آنها به خوبی شناخته نشده بود، زیرا این زمانی است که جنین در طی فرآیندی به نام لانه گزینی به بدن مادر حمله می کند. ما نمی‌توانستیم این فرآیند را در شرایط آزمایشگاهی تقلید کنیم، بنابراین نمی‌توانیم آن را مشاهده کنیم. بنابراین، اولین قدم ما توسعه روشی برای کشت جنین، موش و انسان واقعی در آن مرحله بود. در آزمایشگاه.

به محض اینکه توانستیم به آن دست پیدا کنیم، توانستیم سلول ها را دنبال کنیم، آنها را برچسب گذاری کنیم و آنها را دنبال کنیم تا زمان تکثیر و تعامل آنها با یکدیگر را شناسایی کنیم. وقتی آن وقایع را دنبال کردیم، متوجه شدیم که اکنون به اندازه کافی می‌دانیم که بتوانیم این رویدادها را با سلول‌های بنیادی که سه بافت را نشان می‌دهند، تقلید کنیم. 

این یک سفر بود و اولین و مهمترین نقطه عطف این بود که بفهمیم جنین چگونه این کار را انجام می دهد. به ویژه، درک اینکه جنین از دو بافت خارج جنینی دستور می گیرد. تا حالا، ما پنج مدل را با افزودن ترکیبات مختلف سلول های خارج جنینی به سلول های جنینی ساخته ایم. را مدل اول در سال 2014 منتشر شد و آخرین مدل آن بود فقط منتشر شد.

در مورد این مرحله بعدی به من بگویید. چه چیزی با این مدل جدید از نظر پیشرفت جنین ها و آنچه می توانید در آنها ببینید به دست آمده است؟ و در مقایسه با یک تخمک بارور شده که به جنین تبدیل می شود چگونه به نظر می رسند؟

آخرین مدل اکنون تا لحظه ای که سر، قلب و سومیت ها (بخش هایی در امتداد محورهای بدن) تشکیل می شوند، توسعه می یابد. این باور نکردنی است، زیرا ما مطمئن نبودیم که آیا این ساختارهای جنین مانند برای رسیدن به این نقاط عطف به اندازه کافی خوب هستند یا خیر. تمام اجداد مغز در آنجا هستند و ساختار قلب می تپد و خون را پمپاژ می کند. 

دروس از جنین اولیه همچنین می تواند به ما یاد دهد که چگونه بافت ها را جوان کنیم، زیرا بافت های جنینی بافت های جوانی هستند.

پس چقدر شبیه جنین های طبیعی هستند؟ آنها بسیار شبیه هستند، اما یکسان نیستند. این بسیار جالب است، زیرا در این صورت می‌توانید توسعه مدل‌هایی را که تقریباً یکسان هستند و مدل‌هایی که نیستند، دنبال کنید تا اصول اولیه‌ای را که باید برای کامل کردن نوع خاصی از بافت یا اندام رعایت کنیم، درک کنید.

به همین دلیل است که این مدل‌ها نه تنها برای ما برای درک جنین‌زایی مهم هستند، بلکه برای درک پیدایش بافت‌های خاصی که اندام‌های بالغ ما را می‌سازند نیز مهم هستند. ما در تلاش هستیم تا قوانین اساسی را که باید رعایت شود تا این رویدادها به درستی انجام شوند، شناسایی کنیم. شما می توانید شروع کنید به بررسی آنچه در حال وقوع است، و از آنجایی که به جنین اجازه می دهید خود را بسازد، می توانید مکانیسم های آن فرآیند و زمانی که آنها اشتباه می شوند را بررسی کنید.

جایی که جنین مصنوعی ممکن است منجر شود

کمی بیشتر در مورد آنچه که شخصاً می خواهید با این مدل ها انجام دهید به من بگویید. آیا سؤالات یا چالش های خاصی وجود دارد که می خواهید به آنها بپردازید؟

علایق اصلی من دو چیز است. شماره یک این است که بفهمیم زندگی چگونه ایجاد می شود. بنابراین، من از این مدل استفاده می کنم تا سعی کنم واقعاً این مرحله مرموز از زندگی را درک کنم، زمانی که سلول ها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند، برای اولین بار، تا چیزی به پیچیدگی خودمان بسازیم. اما این زمانی است که اکثر بارداری ها با شکست مواجه می شوند. اگر بتوانیم این را درک کنیم، در آینده می‌توانیم به جلوگیری از این شکست‌ها کمک کنیم. این امید ماست.

کمی شبیه نحوه ساختن خانه است، درست است؟ شما برای مرتب کردن خود به بلوک های سازنده تکیه نمی کنید.

دروس از جنین اولیه همچنین می تواند به ما یاد دهد که چگونه بافت ها را جوان کنیم، زیرا بافت های جنینی بافت های جوانی هستند. بنابراین به ما درباره ساختن اندام ها و ساختن بافت ها می آموزد. امیدوارم دانش از این مطالعات - گام به گام - برای پیوند اعضا یا ترمیم اندام‌ها در بدن بزرگسالان ما، در صورت عدم موفقیت مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

آیا موانع موجود، چه فنی و چه در درک علمی ما، وجود دارد که مانع توسعه و استفاده از این مدل‌ها شود؟

بله، عمدتاً در مورد فناوری ایجاد ساختارهای جنین مانند وجود دارد. وقتی این سه نوع سلول بنیادی را کنار هم قرار می دهیم، برای ایجاد جنین مناسب به نیروهای بین آنها تکیه می کنیم. گاهی اوقات خوب پیش می رود، گاهی اوقات خوب پیش نمی رود. ما این تنوع ساختارها را می بینیم. بنابراین، ما باید ابزارهایی را برای کنترل بهتر این رویدادها توسعه دهیم. 

به عنوان مثال، در این کنفرانسی که در حال حاضر در آن شرکت می کنم، زمانی را صرف بحث در مورد اپتوژنتیک با یکی از همکارانم کردم. با استفاده از نور، او می تواند پاسخ های خاصی از سلول را تحریک کند. بنابراین، آیا می‌توانیم از این رویکردهای اپتوژنتیک برای هدایت فرآیند خودسازماندهی کمک کنیم؟ 

برای هدایت فرآیند از چه راهی؟

برای مهندسی رویدادهای خاص. به عنوان مثال، وقتی به ایجاد بافت‌ها و اندام‌هایی فکر می‌کنیم که می‌توانند جایگزین بافت‌های آسیب‌دیده شوند، برای انجام کارآمد آن، باید بدانیم که چگونه می‌توانیم آنها را مهندسی کنیم. کمی شبیه نحوه ساختن خانه است، درست است؟ شما برای مرتب کردن خود به بلوک های سازنده تکیه نمی کنید. یا، اگر ساختمانی کمتر از کامل بود، غیرقابل قبول بود. ما می خواهیم روند ساخت و ساز را برای کنترل کیفیت راهنمایی کنیم. 

بنابراین، ما هنوز قادر نیستیم مهندس یا معمار باشیم. ما در عوض سعی می کنیم محیطی ایجاد کنیم تا جنین خودش را بسازد و این روند را درک کند و آن را دنبال کند و به آن کمک کند یا آن را مختل کند. اما ما هنوز در مرحله مهندسی بافت نیستیم. مهندسی بافت بسیار بسیار مهم است و آینده جایگزینی اعضا خواهد بود. بسیاری از بیماران منتظر پیوند کبد یا سایر اندام هایی هستند که از کار می افتند و این واقعاً غم انگیز است. اگر بتوانیم آن اندام ها را با استفاده از دانش حاصل از مطالعاتمان ایجاد و ترمیم کنیم، کاملاً باورنکردنی خواهد بود. کاری که ما انجام می دهیم و بسیاری از همکارانم انجام می دهند – به اصطلاح مهندسی زیستی بافت – این است که در آینده به کجا می رود.

ارسال شده در 30 آگوست 2022