پزشکی بازساختی و سلول‌های بنیادی

 آکسولوتل (Ambystoma mexicanum) نوعی سمندر آبزی است که به دلیل توانایی در بازسازی نخاع، قلب و اندام هایش به خوبی شناخته شده است.  این دوزیستان همچنین در طول زندگی خود نورون های جدیدی نیز می سازند.  در سال 1964، محققان مشاهده کردند که آکسولوتل های بالغ می توانند بخش هایی از مغز خود را بازسازی کنند، حتی اگر بخش بزرگی به طور کامل برداشته شود.  اما یک مطالعه نشان داد که بازسازی مغز آکسولوتل توانایی محدودی برای بازسازی ساختار بافت اصلی دارد.

پژوهشگر اصلی مطالعه می گوید: به عنوان محققی که در حال مطالعه فرایند بازسازی در سطح سلولی است، من و همکارانم در آزمایشگاه تروتلین در ETH زوریخ و آزمایشگاه تاناکا در مؤسسه آسیب شناسی مولکولی در وین به این فکر کردیم که آیا آکسولوتل ها میتوانند تمام انواع سلولهای مختلف را در مغزشان بازسازی کنند، از جمله  ارتباطاتی که یک ناحیه مغز را به ناحیه دیگر متصل می کند.

 در مطالعه ای که اخیراً منتشر شد، ما اطلسی از سلولهایی ایجاد کردیم که بخشی از مغز آکسولوتل را تشکیل می دهند، که هم نحوه بازسازی و هم تکامل مغز در گونه ها را پرده برداری می کند.

 انواع سلول های مختلف عملکردهای متفاوتی دارند.  آنها می توانند در نقش های خاصی تخصص پیدا کنند زیرا هر کدام ژن های متفاوتی را بیان می کنند.  درک اینکه چه نوع سلولی در مغز وجود دارد و چه کاری انجام می دهد به روشن شدن تصویر کلی از نحوه عملکرد مغز کمک می کند.  همچنین به محققان اجازه می دهد تا در سراسر تکامل مقایسه انجام دهند و سعی کنند روندهای بیولوژیکی را در بین گونه ها بیابند.

 یکی از راههای فهمیدن اینکه کدام سلول ها کدام ژن را بیان می کنند، استفاده از تکنیکی به نام توالی یابی RNA تک سلولی (scRNA-seq) است.  این ابزار به محققان اجازه می دهد تا تعداد ژن های فعال در هر سلول از یک نمونه خاص را بشمارند.  این یک تصویر فوری از فعالیت های هر سلول ارائه می دهد.

 این ابزار در درک انواع سلول های موجود در مغز حیوانات مفید بوده است.  دانشمندان از scRNA-seq در ماهی ها، خزندگان، موش ها و حتی انسان ها استفاده کرده اند.  اما یک قطعه اصلی از پازل تکامل مغز گم شده است: دوزیستان.

 تیم ما تصمیم گرفت روی تلانسفالن آکسولوتل تمرکز کند.  در انسان، تلانسفالون بزرگترین بخش مغز است و شامل ناحیهای به نام نئوکورتکس است که نقش کلیدی در رفتار و شناخت حیوانات دارد.

 در طول تکامل های اخیر، اندازه نئوکورتکس در مقایسه با سایر نواحی مغز به شدت افزایش یافته است.  به طور مشابه، انواع سلول هایی که به طور کلی تلانسفالن را تشکیل می دهند، در طول زمان به شدت متنوع شده اند و پیچیدگی بیشتری پیدا کرده اند و این منطقه را به منطقه ای جذاب برای مطالعه تبدیل کرده است.

 ما از scRNA-seq برای شناسایی انواع مختلف سلول هایی که آکسولوتل تلنسفالون را میسازند، از جمله انواع مختلف نورون ها و سلول های پیش ساز، یا سلول هایی که می توانند به تعداد بیشتری از خودشان تقسیم شوند یا به انواع سلول های دیگر تبدیل شوند، استفاده کردیم.

 ما شناسایی کردیم که وقتی سلول های پیش ساز به نورون تبدیل میشوند، چه ژن هایی فعال هستند، و دریافتیم که بسیاری از آنها قبل از تبدیل شدن به نورون های بالغ، از یک نوع سلول میانی به نام نوروبلاست - که قبلاً وجود آن در آکسولوتل ناشناخته بود - عبور میکنند.

 سپس بازسازی مغز آکسولوتل را با برداشتن یک بخش از تلانسفالون آنها مورد بررسی قرار دادیم.  با استفاده از یک روش تخصصی scRNA-seq، ما توانستیم تمام سلول های جدید را در مراحل مختلف بازسازی، از یک تا 12 هفته پس از آسیب، ضبط و توالی یابی کنیم.  در نهایت، ما متوجه شدیم که تمام انواع سلول هایی که حذف شده بودند، به طور کامل بازسازی شده اند.

 ما مشاهده کردیم که بازسازی مغز در سه مرحله اصلی اتفاق می افتد.  مرحله اول با افزایش سریع تعداد سلول های پیش ساز شروع می شود و بخش کوچکی از این سلول ها فرآیند بهبود زخم را فعال می کنند. در فاز دو، سلول های پیش ساز شروع به تمایز به نوروبلاست می کنند. در نهایت، در فاز سه، نوروبلاست ها به همان نوع نورون هایی که در ابتدا از بین رفته بودند، تمایز می یابند.

 به طور شگفت انگیزی، ما همچنین مشاهده کردیم که اتصالات عصبی قطع شده بین ناحیه برداشته شده و سایر نواحی مغز دوباره به هم متصل شده است.  این برقراری ارتباط مجدد نشان می دهد که منطقه بازسازی شده نیز عملکرد اولیه خود را بازیافته است.

 افزودن دوزیستان به پازل تکاملی به محققان این امکان را میدهد تا چگونگی تغییر مغز و انواع سلولهای آن در طول زمان و همچنین مکانیسم های بازسازی را استنباط کنند.

 وقتی داده های اکسولوتل خود را با گونه های دیگر مقایسه کردیم، متوجه شدیم که سلول های تلانسفالن آنها شباهت زیادی به هیپوکامپ پستانداران، ناحیه ای از مغز که در شکل گیری حافظه نقش دارد و قشر بویایی، ناحیه ای از مغز که در سیگنال های حس بویایی عمل می کند، نشان میدهند.  ما حتی برخی از شباهت ها را در یک نوع سلول آکسولوتل به نئوکورتکس، ناحیه ای از مغز که برای ادراک، تفکر و استدلال فضایی در انسانها شناخته میشود، یافتیم.

 این شباهت ها نشان می دهد که این نواحی از مغز ممکن است از نظر تکاملی حفظ شده باشند، یا در طول تکامل قابل مقایسه باشند، و نئوکورتکس پستانداران ممکن است یک نوع سلول اجدادی در تلانسفالن دوزیستان داشته باشد.

 در حالی که مطالعه ما روند بازسازی مغز را روشن میکند، از جمله اینکه کدام ژن ها درگیر هستند و چگونه سلولها در نهایت به نورون تبدیل می شوند، ما هنوز نمی دانیم چه سیگنال های خارجی این فرآیند را آغاز میکنند.  علاوه بر این، ما نمی دانیم که آیا فرآیندهایی که شناسایی کردیم هنوز برای حیواناتی که بعداً در زمان تکامل یافته اند، مانند موش یا انسان قابل تعمیم است یا خیر.

 اما ما معمای تکامل مغز را به تنهایی حل نمی کنیم.  آزمایشگاه Tosches در دانشگاه کلمبیا تنوع انواع سلولی را در گونه دیگری از سمندر، Pleurodeles waltl بررسی کرد، در حالی که آزمایشگاه Fei در آکادمی علوم پزشکی گوانگدونگ در چین و همکاران در شرکت علوم زیستی BGI به بررسی نحوه چیدمان فضایی انواع سلولی در قسمت جلویی مغز آکسولوتل ها پرداختند.

 شناسایی تمام انواع سلول ها در مغز آکسولوتل همچنین به هموار کردن راه برای تحقیقات نوآورانه در پزشکی بازساختی کمک می کند. مغز موش ها و انسانها تا حد زیادی توانایی خود را برای ترمیم یا بازسازی خود از دست داده است.  مداخلات پزشکی برای آسیب های شدید مغزی در حال حاضر بر درمان های دارویی و سلول های بنیادی برای تقویت یا ارتقای فرایند ترمیم تمرکز دارند.

 بررسی ژن ها و انواع سلول هایی که به آکسولوتل ها اجازه می دهند تا بازسازی تقریباً کاملی را انجام دهند، ممکن است کلید بهبود درمان آسیب های شدید و گشودن پتانسیل بازسازی کامل در انسان باشد.

https://neurosciencenews.com/axolotls-brain-regeneration-21355/