شناسایی نقایص رشدی در اوتیسم با ارگانوئید مغز

به گزارش سیناپرس همدان، آیا مغز انسان پاشنه آشیل دارد که در نهایت منجر به اوتیسم می شود؟ با یک سیستم جدید انقلابی که ترکیبی از فناوری ارگانوئید مغز و ژنتیک پیچیده است، محققان اکنون می توانند به طور جامع، اثر جهش های متعدد را به صورت موازی و در سطح تک سلولی در ارگانوئیدهای مغز انسان آزمایش کنند.

این فناوری که توسط محققان گروه نابلیچ در مؤسسه بیوتکنولوژی مولکولی (IMBA) آکادمی علوم اتریش و گروه Treutlein در ETH زوریخ توسعه یافته است، امکان شناسایی انواع سلول‌های آسیب‌پذیر و شبکه‌های تنظیم‌کننده ژنی را فراهم می‌کند که زمینه ساز اختلالات طیف اوتیسم هستند. این روش ابتکاری بینش بی نظیری را در مورد یکی از پیچیده ترین اختلالاتی که مغز انسان را با پیامدهایی به چالش می کشد ارائه می دهد که ما را نسبت به تحقیقات بالینی اوتیسم امیدوار می کند. نتایج این تحقیقات در Nature منتشر شد.

در مقایسه با دیگر گونه های جانوری، مغز انسان ساختار خاص خود را دارد. برای رشد، مغز انسان بر فرآیندهای منحصر به فرد خاص انسان تکیه می کند، که به ما اجازه می دهد یک قشر پیچیده از لایه های متصل به هم را بسازیم. این فرآیندهای منحصر به فرد همچنین باعث می شود که اختلالات عصبی رشد در انسان ها بیشتر شود. به عنوان مثال، بسیاری از ژن‌هایی که خطر ابتلا به اختلال طیف اوتیسم (ASD) را ایجاد می‌کنند، برای رشد قشر مغز حیاتی هستند.

اگرچه مطالعات بالینی رابطه علیت بین جهش‌های ژنتیکی متعدد و اوتیسم را نشان داده‌اند، محققان هنوز نمی‌دانند که چگونه این جهش‌ها منجر به نقایص رشد مغز می‌شود، و به دلیل منحصربه‌فرد بودن رشد مغز انسان، مدل‌های حیوانی استفاده محدودی دارند. یورگن نوبلیچ، مدیر علمی IMBA، یکی از نویسندگان مرتبط با این مطالعه، می‌گوید: تنها مدل انسانی از مغز می‌تواند پیچیدگی‌ها و ویژگی‌های مغز انسان را خلاصه کند.

برای کمک به شکستن این جعبه سیاه، محققان گروه های تحقیقاتی یورگن نوبلیچ و باربارا تروتلین در IMBA و ETH زوریخ تکنیکی را برای غربالگری مجموعه کاملی از ژن های تنظیم کننده رونویسی کلیدی مرتبط با اوتیسم توسعه دادند. این پیشرفت به‌ طور ویژه ای تأثیرگذار است زیرا ژن‌های مورد نظر را می‌توان به طور همزمان در یک ارگانوئید موزاییکی مورد بررسی قرار داد، که نشان‌دهنده آغاز عصر غربالگری ژنتیکی پیچیده و کارآمد در بافت انسانی است.

در سیستم جدید توسعه یافته به نام “CHOOSE” (CRISPR-organoids human-scRNA-seq)، هر سلول در ارگانوئید حداکثر حامل یک جهش در یک ژن ASD خاص است. محققان توانستند اثر هر جهش را در سطح تک سلولی ردیابی کنند و مسیر تکامل هر سلول را ترسیم کنند.

چانگ لی، نویسنده اول و همکار این مطالعه، یکی از همکاران پسا دکتری در گروه نابلیچ می گوید: با این روش پرتوان، ما می توانیم به طور سیستماتیک لیستی از ژن های عامل بیماری را غیرفعال کنیم. همانطور که ارگانوئیدهای حامل این جهش ها رشد می کنند، ما تاثیر هر جهش را بر رشد هر نوع سلول تجزیه و تحلیل می کنیم.

با سیستم CHOOSE، تیم‌های IMBA و ETH زوریخ تحقیقات در مورد ژن‌های عامل بیماری را با یک جهش کامل پیش می‌برند و به محققان امکان دسترسی به روشی همه‌کاره و با کارایی بالا را می‌دهند که می‌تواند برای هر بیماری در هر سیستم مدل انسانی اعمال شود.

نکته مهم این است که CHOOSE تجزیه و تحلیل را در مقایسه با رویکردهای سنتی از دست دادن عملکرد ژنتیکی سرعت می بخشد. نابلیچ توضیح می‌دهد: ما می‌توانیم پیامدهای هر جهش را در یک آزمایش ببینیم، بنابراین زمان تجزیه و تحلیل را در مقایسه با روش‌های سنتی به شدت کوتاه می‌کنیم، با استفاده از رویکردی که برای چندین دهه فقط در موجوداتی مانند مگس میوه امکان‌پذیر بود. علاوه بر این، ما هنوز هم می‌توانیم از صد سال ادبیات علمی در مورد ژن‌های عامل بیماری بهره ببریم.

جهش چندین ژن به صورت موازی و ردیابی اثرات آنها حجم عظیمی از داده ها را تولید می کند. برای تجزیه و تحلیل این مجموعه داده پیچیده، نویسنده همکار باربارا تروتلین و تیمش در ETH زوریخ از روش‌های کمّی بیوانفورماتیک و یادگیری ماشین استفاده کردند.

با استفاده از این داده‌های بیان تک سلولی با کارایی بالا، می‌توانیم کمیت را تعیین کنیم که آیا یک نوع سلول خاص به دلیل یک جهش مشخص، کم و بیش فراوان است یا خیر، و همچنین می‌توانیم مجموعه‌هایی از ژن‌هایی را شناسایی کنیم که معمولاً یا به طور مشخص تحت تأثیر هر جهش هستند. تروتلین توضیح می‌دهد که با مقایسه تمام جهش‌های ژنی، می‌توانیم چشم‌انداز فنوتیپی این اختلالات ژنتیکی مرتبط با بیماری را بازسازی کنیم.

با استفاده از سیستم CHOOSE، محققان نشان می‌دهند که جهش‌های 36 ژن که ناقلین را در معرض خطر بالای اوتیسم قرار می‌دهند، منجر به تغییرات نوع خاص سلولی در مغز انسان در حال رشد می‌شود. آنها تغییرات رونویسی حیاتی را شناسایی کردند که از طریق شبکه‌های رایج تنظیم می‌شوند، به نام «شبکه‌های تنظیم‌کننده ژن یا GRN. لی توضیح می‌دهد که GRN مجموعه‌ای از تنظیم‌کننده‌های مولکولی است که برای کنترل عملکرد سلولی خاص با یکدیگر تعامل دارند.

او می‌افزاید: ما نشان دادیم که برخی از انواع سلول‌ها در طول رشد مغز نسبت به سایرین حساس‌تر هستند و شبکه‌هایی را شناسایی کردیم که در برابر جهش‌های اوتیسم آسیب‌پذیرتر هستند.

نابلیچ می‌گوید: با این رویکرد، متوجه شدیم که ژن‌های ایجادکننده اوتیسم مکانیسم‌های مولکولی مشترکی دارند. با این حال، این مکانیسم‌های رایج می‌توانند منجر به اثرات کاملاً متمایز در انواع مختلف سلول شوند.

لی می گوید: برخی از انواع سلول‌ها در برابر جهش‌هایی که منجر به اوتیسم می‌شوند، آسیب‌پذیرتر هستند، به ویژه برخی از پیش‌سازهای عصبی، سلول‌های بنیان‌گذار که نورون‌ها را تولید می‌کنند. این تا جایی درست است که آسیب شناسی اوتیسم می تواند در مراحل اولیه رشد مغز ظاهر شود. این نشان می‌دهد که برخی از انواع سلول‌ها در آینده هنگام مطالعه ژن‌های اوتیسم نیازمند توجه بیشتری هستند.

برای تأیید اینکه آیا این یافته‌ها به اختلالات انسانی مرتبط هستند، محققان با پزشکان دانشگاه پزشکی وین همکاری کردند و ارگانوئیدهای مغزی را از دو نمونه سلول‌های بنیادی بیمار تولید کردند. هر دو بیمار دارای جهش در همان ژنی بودند که باعث اوتیسم شد.

نابلیچ می‌گوید و نشان می‌دهد که داده‌های ارگانوئیدی با مشاهدات بالینی مطابقت دارد: ارگانوئیدهای تولید شده از هر دو بیمار نقایص رشدی مشخصی را نشان دادند که به یک نوع سلول خاص مرتبط است. ما می‌توانیم این مشاهدات آزمایشگاهی را با مقایسه ساختارهای ارگانوئیدی با MRI قبل از تولد در مغز یکی از بیماران تایید کنیم.

این تیم علاوه بر به دست آوردن بینش بی نظیری در مورد آسیب شناسی اوتیسم، بر تطبیق پذیری و قابلیت انتقال سیستم CHOOSE تاکید می کند.

نابلیچ می‌گوید: ما پیش‌بینی می‌کنیم که تکنیک ما فراتر از ارگانوئیدهای مغزی برای مطالعه ژن‌های مرتبط با بیماری‌ها به‌طور گسترده به کار گرفته شود. با این روش جدید، دانشمندان و پزشکان ابزار غربالگری قوی و دقیق کنترل شده ای را به دست می آورند که زمان تجزیه و تحلیل را به طور قابل توجهی کوتاه می کند و بینش های ارزشمندی را در مورد مکانیسم های بیماری ارائه می دهد.

منبع: Nature

مترجم: سید سپهر ارومیهء