Multiplexed single cell transcriptomics optimizes mesodermal patterning and hemogenic endothelial output from murine embryonic stem cells
تستخدم هذه الدراسة تقنية "sci-Plex" للترانسكريبتوميات أحادية الخلية لتحسين توليد الخلايا البطانية المكونة للدم من الخلايا الجذعية الجنينية الفأرية، وذلك عبر الكشف عن كيفية تحكم جرعة وتكامل مسارات إشارات "Activin" و"BMP4" زمنياً في تحديد الأنماط الميزودرمية وقرارات مصير الخلايا.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
داخل كل جنين في طور النمو، تجري محادثة صامتة ودقيقة بين الخلايا، تقرر أي منها سيصبح عضلة، وأيها سيصبح عظمًا، وأيها سيصبح الدم الذي يمد الحياة. تُجرى هذه المحادثة من خلال إشارات كيميائية، وهي جزيئات تعمل بمثابة تعليمات، تخبر الخلية إلى أين تذهب وماذا تصبح. في المراحل الأولى من الحياة، يجب على مجموعة محددة من الخلايا تُعرف بالخلايا الجذعية أن تتحول إلى نوع من الأنسجة يُسمى الميزوديرم (الطبقة الوسطى)، والذي ينشأ منه القلب والجهاز الدموي لاحقًا. لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن تركيز هذه الإشارات الكيميائية أمر بالغ الأهمية؛ فوجود كمية كبيرة جدًا من إشارة واحدة قد يدفع الخلية لتصبح خلية قلبية، بينما قد تدفعها كمية مختلفة لتصبح خلايا دم. ومع ذلك، فإن فهم كيفية اختلاط هذه الإشارات وتغيرها بدقة عبر الزمن لإنتاج خلايا الدم المحددة اللازمة لبالغ سليم كان يمثل تحديًا كبيرًا. وقد ثبت أن إنشاء هذه الخلايا الدموية في طبق مختبري أمر صعب لأن العملية معقدة للغاية، حيث كافح الباحثون لمحاكاة الظروف الدقيقة الموجودة داخل جنين حي.
لقد قطع فريق من الباحثين في مركز "فريد هوتش" للسرطان وجامعة واشنطن خطوة كبيرة إلى الأمام باستخدام أداة جديدة قوية لمراقبة هذه العملية وهي تحدث في الوقت الفعلي. لقد عملوا مع الخلايا الجذعية الجنينية للفئران، وهي خلايا قادرة على التحول إلى أي نوع من أنواع الخلايا في الجسم. وبدلاً من اختبار حالة كيميائية واحدة في كل مرة، استخدموا طريقة تسمى "sci-Plex"، والتي تسمح لهم بتعريض آلاف الخلايا للعديد من التوليفات المختلفة من إشارتين كيميائيتين رئيسيتين في آن واحد. هاتان الإشارات تُعرف باسم "أكتيفين" (Activin) و"بي إم بي 4" (BMP4). ومن خلال تطبيق نطاق واسع من شدة هاتين الإشارتين على الخلايا الجذعية، تمكن الباحثون من مراقبة استجابة الخلايا لكل مزيج ممكن، وتتبع تغيراتها على مستوى الخلايا الفردية. سمح هذا النهج ليس فقط برؤية النتيجة النهائية، بل برؤية الرحلة بأكملها لكيفية اتخاذ الخلية الجذعية لقرار مصيرها بناءً على المقدار الدقيق وتوقيت الإشارات التي تتلقاها.
اكتشف الباحثون أن توقيت وقوة هذه الإشارات الكيميائية أمر حاسم. ووجدوا أنه من خلال ضبط مستويات "أكتيفين" و"بي إم بي 4"، يمكنهم توجيه الخلايا الجذعية لتصبح أنواعًا محددة من الأنسجة التي تحاكي ما يحدث في جنين فأر حي. فعندما تعرضت الخلايا لمستويات عالية من "أكتيفين" وكمية متوسطة من "بي إم بي 4"، كانت أكثر عرضة لتصبح نوعًا من الأنسجة يسمى "الميزوديرم الصفيحة الجانبية" (lateral plate mesoderm). وهذا النسيج يعد خطوة انتقالية حاسمة لأنه يحتوي على السلائف لـ "البطانة المكونة للدم" (hemogenic endothelium)، وهي خلايا وعائية دموية خاصة لديها القدرة الفريدة على التحول إلى خلايا دم. أظهرت الدراسة أن هذا المزيج المحدد من الإشارات، عند تطبيقه في اللحظة المناسبة من تطور الخلايا، أنتج أعلى عدد من هذه الخلايا السلفية الواعدة.
وكشفت المزيد من الاستقصاءات أن الخلايا المتولدة في الطبق تشبه إلى حد كبير نوعين مختلفين من الخلايا المكونة للدم الموجودة في الطبيعة: تلك التي تظهر في كيس المح في مراحل التطور المبكرة، وتلك التي تتشكل داخل الجنين نفسه، وهي السلائف للخلايا الجذعية الدموية طويلة الأمد الموجودة لدى البالغين. وقد تمكن الباحثون من التمييز بين هذين النوعين من خلال النظر في علامات محددة على سطح الخلايا. ووجدوا أن الخلايا التي تشبه نوع كيس المح تعبر عن بروتين يسمى "LYVE1"، بينما لا تعبر عنه الخلايا التي تشبه النوع الموجود داخل الجنين. وهذا التمييز مهم لأن النوع الموجود داخل الجنين هو الذي يؤدي في النهاية إلى إنشاء الخلايا الجذعية المكونة للدم، وهي المعيار الذهبي لتجديد الدم. كما اختبر الفريق ما إذا كان إضافة مادة تسمى "حمض الريتينويك" (retinoic acid) يمكن أن يساعد في تحويل الخلايا نحو النوع الأكثر نضجًا، وهو النوع الموجود داخل الجنين. ووجدوا أن إضافة هذه المادة قد قللت بالفعل من عدد الخلايا الشبيهة بكيس المح وزادت من عدد الخلايا الشبيهة بداخل الجنين، مما يشير إلى وجود طريقة لمزيد من صقل هذه العملية.
وعلى الرغم من هذه النجاحات، فقد لاحظ الباحثون بحذر أنهم لم ينجحوا بعد في إنشاء خلايا جذعية دموية وظيفية كاملة وطويلة الأمد يمكن زرعها في فأر لتعيش إلى الأبد. وبينما نجحوا في توليد السلائف المبكرة وتحسين الظروف لجعلها، فإن الخطوة النهائية لتحويل هذه السلائف إلى الخلايا الجذعية القوية ذاتية التجدد الموجودة في الطبيعة لا تزال تمثل عقبة. وأشارت الدراسة إلى أن بعض الجينات، المعروفة بأنها ضرورية لهذا التحول النهائي في الجنين الحي، كانت مفقودة أو منخفضة جدًا في الخلايا المزروعة في الطبق. وهذا يشير إلى أن البيئة المختبرية لا تزال تفتقر إلى بعض المكونات الرئيسية أو إشارات التوقيت الموجودة في الإعداد الطبيعي.
تكمن قيمة هذا العمل في الخريطة التي يوفرها. فباستخدام طريقة "sci-Plex"، أنشأ الباحثون دليلاً مفصلاً يوضح بالضبط كيف تؤثر جرعات مختلفة من الإشارات الكيميائية على قرارات الخلايا. وتسمح هذه الخريطة للعلماء برؤية الاختلافات الدقيقة بين الخلايا التي تبدو متشابهة ولكن لها مصائر مختلفة. إنها تؤكد أن الطريق نحو إنشاء خلايا جذعية دموية في طبق ليس خطًا مستقيمًا واحدًا، بل هو مشهد معقد حيث يحدد توقيت وقوة الإشارات النتيجة. لا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة زراعة الخلايا الجيدية الدموية القابلة للزرع، لكنها تقدم خارطة طريق واضحة قائمة على البيانات حول كيفية الاقتراب من هذا الهدف. ومن خلال فهم الظروف الدقيقة التي تفضل إنشاء السلائف الصحيحة، يمكن للأبحاث المستقبلية التركيز على ملء القطع المفقودة لإنتاج خلايا جذعية دموية جاهزة حقًا للاستخدام السريري في نهاية المطاف.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.