Stepwise direct reprogramming of adult human dermal fibroblasts into tendon-like cells via transcription factor optimization and 3D culture

في عالم جراحة الأطفال، يمثل إصلاح ثقب في الحجاب الحاجز — وهو العضلة التي تفصل الصدر عن البطن وتساعدنا على التنفس — تحديًا عالي المخاطر. فعندما يكون الخلل كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن مجرد خياطته، غالبًا ما يعتمد الجراحون على رقع اصطناعية مصنوعة من مواد مثل مادة "البولي تترافلورو إيثيلين" الموسعة. وبينما يمكن لهذه الصفائح الاصطناعية أن تتماسك مع الجسم على المدى القصير، إلا أنها تعاني من عيب جوهري: فهي مادة ميتة؛ إذ لا يمكنها النمو، ولا تتكيف مع جسد الطفل المتوسع، كما تحمل مخاطر الإصابة بالعدوى أو التكلس بمرور الوقت. والهدف الأسمى للأطباء هو استبدال هذه الرقع الثابتة بأنسجة حية يمكن لجسم الطفل قبولها وتنمو معه. ولتحقيق ذلك، يستكشف العلماء طريقة تسمى "إعادة البرمجة المباشرة". تتضمن هذه العملية أخذ خلية ناضجة ومتخصصة من جزء واحد من الجسم وإعطاءها مجموعة جديدة من التعليمات لتتحول إلى نوع مختلف تمامًا من الخلايا، متجاوزة بذلك الحاجة إلى إنشاء خلايا جذعية أولاً. والسؤال الذي طرحه الباحثون هو ما إذا كان بإمكانهم تحويل خلية جلدية شائعة إلى خلية وترية، وهي مكون حيوي للحجاب الحاجز، لبناء إصلاح حي ومتنامٍ.

وضع فريق من الباحثين في جامعة كيوتو الطبية الإقليمية هدفًا للإجابة على هذا السؤال من خلال محاولة تحويل خلايا جلد بشرية بالغة إلى خلايا تشبه الأوتار. بدأوا بخلايا ليفية من الأدمة البشرية البالغة، وهي الخلايا العاملة الموجودة في الجلد والتي تنتج الكولاجين وتحافظ على بنية الأنسجة. هذه الخلايا وفيرة وسهلة الحصول عليها من المريض، مما يجعلها نقطة انطلاق مثالية. أدخل العلماء مجموعة محددة من الجينات في هذه الخلايا الجلدية باستخدام فيروس غير ضار. تعمل هذه الجينات كمفاتيح رئيسية، أو عوامل نسخ، تخبر الخلية بالبروتينات التي يجب صنعها وما هي الوظيفة التي ستؤديها. في البداية، اختبر الفريق مزيجًا من ستة عوامل مختلفة، بما في ذلك بعض العوامل المعروفة بتحفيز تطور الأوتار وأخرى تُستخدم لجعل الخلايا أكثر مرونة واستعدادًا للتغيير. أرادوا معرفة ما إذا كان هذا "الكوكتيل" يمكنه إجبار الخلايا الجلدية على نسيان هويتها الأصلية وتبني خصائص "الخلية الوترية" (tenoblast)، وهي الخلية التي تبني الأوتار وتحافظ عليها.

أظهرت التجربة أن مزيج العوامل الستة قد نجح؛ حيث بدأت الخلايا الجلدية في إنتاج مستويات عالية من بروتين "تينومودولين" و"ثرومبوسبوندين-4"، وهما بروتينان يعملان كعلامات واضحة لخلايا الأوتار. وعندما نظر الباحثون إلى الخلايا تحت المجهر، رأوا تحولًا جسديًا؛ فقد كانت الخلايا الجلدية الأصلية قصيرة ومغزلية الشكل، لكن الخلايا التي تمت إعادة برمجتها تمددت وأصبحت طويلة ونحيفة، لتشبه ألياف الوتر الحقيقي. ولضمان استقرار هذه الخلايا الجديدة، وضعها الفريق تحت جلد الفئران. وفي غضون أسبوع، نجت الخلايا وشكلت مجموعات صغيرة في الطعم، مما أثبت أن الخلايا المعاد برمجتها يمكن أن تستمر في جسم حي دون أن تموت فورًا أو تسبب التهابًا. أكد هذا النجاح الأولي أن المفهوم قابل للتطبيق، لكن الفريق أدرك أن استخدام ستة عوامل هو أمر أكثر تعقيدًا مما ينبغي، وأرادوا إيجاد أبسط وصفة وأكثرها كفاءة لتحقيق النتيجة نفسها.

من خلال عملية الاستبعاد، اختبر الباحثون تركيبات مختلفة من العوامل لإيجاد الحد الأدنى المطلوب. واكتشفوا أن أربعة عوامل كانت كافية: SCX، وMKX، وOCT3/4، وMYCL. وكشفت الدراسة أن كل عامل من هذه العوامل لعب دورًا متميزًا في عملية التحول؛ فواحد من العوامل، وهو OCT3/4، كان ضروريًا لتشغيل جين "التينومودولين"، بينما كان عامل آخر، وهو SCX، المحرك الأساسي لإنتاج "الثرومبوسبوندين-4"، بينما ساعد العاملان الآخران في جعل العملية تسير بسلاسة وكفاءة. كانت هذه النتيجة مهمة لأنها بسطت الإجراء، وقللت من عدد التعليمات الجينية اللازمة لإنشاء نوع الخلايا المطلوب. أطلق الباحثون على هذه الخلايا التي تم تحويلها بنجاح اسم "الخلايا الوترية المحولة مباشرة". وقد أكدوا أن هذه الخلايا تشبه خلايا الأوتار وتنتج البروتينات الصحيحة، رغم أنها بدأت كخلايا جلدية.

ثم بحث الفريق فيما إذا كان الوسط الذي تنمو فيه الخلايا يمكن أن يحسن تطورها. أظهرت الخلايا التي نمت في طبق مسطح، والمعروف باسم "الاستزراع ثنائي الأبعاد"، نتائج جيدة، لكن الباحثين تساءلوا عما إذا كانت بيئة طبيعية أكثر ثلاثية الأبعاد ستساعد في ذلك. قاموا بغمر بعض الخلايا المحولة في هلام (جل) مصنوع من الكولاجين، وهي مادة تحاكي السقالات الطبيعية للجسم. ووجدوا أن نقل الخلايا إلى هذا الهلام ثلاثي الأبعاد بعد أن قضت بالفعل بعض الوقت في الطبق المسطح قد عزز بشكل أكبر من تعبير علامات الأوتار. وتحديدًا، أظهرت الخلايا التي نُقلت إلى الهلام في مرحلة لاحقة من العملية أعلى المستويات من البروتينات الرئيسية. وهذا يشير إلى أن الخلايا تحتاج إلى ترسيخ هويتها الجديدة في بيئة بسيطة أولاً قبل أن يساعدها الهيكل المعقد ثلاثي الأبعاد على النضوج بشكل أكبر.

بينما كانت النتائج واعدة، كان الباحثون حذرين في الإشارة إلى حدود عملهم الحالي. فقد نجحوا في إنشاء خلايا تشبه وتعمل مثل خلايا الأوتار في المختبر ونجت لفترة قصيرة في الفئران، لكنهم لم يختبروا بعد ما إذا كانت هذه الخلايا يمكنها تحمل الإجهاد البدني للوتر الحقيقي أو ما إذا كان بإمكانها الاندماج الكامل في جسم نامٍ على المدى الطويل. لم تقم الدراسة بقياس قوة النسيج الجديد أو مدى جودة أدائه في جسم الإنسان. ومع ذلك، وفر العمل مسارًا واضحًا وخطوة بخطوة للمضي قدمًا. فمن خلال تحديد العوامل الأربعة المحددة وأفضل طريقة لاستزراع الخلايا، وضع الفريق أساسًا لإنشاء نسيج وتري خاص بكل مريض. ويمكن أن يؤدي هذا النهج في النهاية إلى تطوير رقع حية ومتنامية للأطفال الذين يعانون من فتق الحجاب الحاجز، مما يوفر حلًا يتكيف وينمو مع المريض بدلًا من أن يظل جسمًا غريبًا ثابتًا.