طور علماء المعهد طريقة مبتكرة لفحص مئات الآلاف من الخلايا الغضروفية ثلاثية الأبعاد – ومعها كشفوا معلومات جديدة عن نمو العظام
يقال للأطفال "إذا لم تأكل، فلن تنمو"، لكن طولنا في مرحلة البلوغ يتحدد إلى حد كبير من خلال لوحات النمو: مناطق النمو عند طرفي العظام الطويلة في الجسم، على سبيل المثال عظام الجسم. الذراعين والساقين. خلال مرحلة الطفولة والمراهقة، تنمو الأنسجة الغضروفية الناعمة في هذه المناطق ويتم استبدالها تدريجيًا بأنسجة عظمية صلبة. يوضح البروفيسور: "إذا لم يكن الغضروف طبيعيًا، فلن يكون العظم طبيعيًا أيضًا - قصير جدًا، طويل جدًا أو مشوه". إيلي سيلتزر من قسم الوراثة الجزيئية، الذي يتخصص مختبره في دراسة الجهاز الهيكلي. ومؤخرًا، تم تطوير طريقة تصوير جديدة في مختبره تسمح بفحص عمليات النمو بشكل ثلاثي الأبعاد. بمساعدة الطريقة كشف الباحثون نتائج جديدة حول نمو العظام وكيف يسير هذا النمو بشكل خاطئ في نوع معين من التقزم.
منذ حوالي قرن من الزمان، أدرك العلماء أن الخلايا الغضروفية هي المفتاح لفهم عمليات النمو، ولكن حتى وقت قريب لم تكن هناك طرق فعالة لمراقبة العمليات التي تمر بها هذه الخلايا. أتاحت طرق التصوير الحالية إنتاج صور ثنائية الأبعاد فقط، وبالتالي فإن المعلومات المتعلقة بحجم الخلايا وتنظيمها في الفضاء كانت جزئية فقط. من ناحية أخرى، قدمت طرق التصوير عالية الدقة صورًا تفصيلية، ولكن فقط لأقسام صغيرة؛ لقد ضاعت الصورة الكبيرة.
وفي الدراسة الجديدة، التي قادتها سارة روبين، طالبة البحث في مختبر البروفيسور سيلتزر، طور العلماء طريقة MAPs ثلاثية الأبعاد، والتي تسمح بفحص مئات الآلاف من خلايا الغضروف بشكل ثلاثي الأبعاد. تتكون الطريقة من عدة خطوات: أولاً، جعل أنسجة الغضروف شفافة باستخدام المواد الكيميائية وفحصها تحت المجهر الضوئي؛ بعد ذلك، يتم تقسيم الصور المجهرية التي تم الحصول عليها إلى أجزاء، ويتم تمييز الخلايا في كل قسم باستخدام سلسلة من الخوارزميات وأدوات الذكاء الاصطناعي؛ وفي الخطوة الثالثة والأخيرة نعود إلى الصورة الكاملة ونرسم الخلايا التي فوقها حتى يتم الحصول على خريطة تفصيلية ثلاثية الأبعاد للوحة النمو بأكملها والتي تتضمن معلومات عن شكل الخلايا وحجمها وموقعها في الفضاء واتجاهاتهم.
وبفضل التفاصيل غير المسبوقة لهذه الطريقة، تمكن العلماء من دحض الافتراض الشائع حول نمو العظام. ومن المعروف أن خلايا صفيحة النمو مرتبة بشكل مشابه للطبقات الأثرية: حيث تولد خلايا جديدة في نهايات العظم والخلايا الأقدم التي خضعت لعمليات نمو مختلفة تقع بالقرب من مركز العظم. وفي دراسات سابقة، بدا كما لو أن الخلايا "الأقدم"، أي تلك الأقرب إلى مركز العظم، كانت أكبر بعشر مرات تقريبًا من الخلايا المجاورة لها. ومع ذلك، عندما قام علماء المعهد بفحص صفائح نمو الفئران باستخدام الطريقة الجديدة، اكتشفوا أن القفزة المفترضة في حجم الخلية هي في الواقع وهم ناتج عن التصوير ثنائي الأبعاد. في الواقع، تنمو الخلايا بشكل تدريجي أكثر.
كما سمحت هذه الطريقة للباحثين بفك لغزين يتعلقان بنوع من التقزم يسمى متلازمة جريبي. ومن المعروف أن هذه المتلازمة تنتج عن طفرة في الجين Gdf5لكن لم يكن من الواضح كيف تلعب طفرة في الجين دورا في تكوين المفاصل، مما يؤدي إلى أطراف قصيرة ومشوهة. علاوة على ذلك، تبدو صفائح النمو في مواضع المتلازمة طبيعية تمامًا. عندما اختبر العلماء الفئران المعدلة وراثيا مع طفرة جينية Gdf5 وباستخدام الطريقة الجديدة، وجدوا سلسلة من الاضطرابات في صفائح النمو التي لم يتم اكتشافها في الدراسات السابقة. وبذلك، كشف الباحثون أنه بصرف النظر عن تكوين المفاصل، يلعب الجين أيضًا دورًا في تنظيم عمليات النمو، وأن طفرة في الجين تؤدي إلى أن الخلايا الغضروفية لا تنمو بالمعدل الصحيح، فشكلها غير طبيعي. ليست طبيعية وأنها ليست موجهة في الاتجاه الصحيح. يقول روبن: "تخيل كرات من الرخام معبأة في كيس - إذا غيرنا شكلها، فلن نتمكن بعد الآن من ترتيبها في الحقيبة بنفس الطريقة". "وبالتالي، حتى الخلايا المشوهة في لوحة النمو لا يتم تنظيمها بشكل صحيح، وهذا يمنع العظام من الاستطالة بشكل صحيح."
ستسمح الطريقة الجديدة للعلماء بمواصلة دراسة العمليات التي تمر بها الخلايا في لوحة النمو - سواء في حالات النمو الطبيعية أو في اضطرابات النمو المختلفة. ستتيح هذه الطريقة أيضًا دراسة التأثيرات الخارجية على نمو العظام، على سبيل المثال، تأثير الجهاز العضلي. ويخلص البروفيسور سيلتزر إلى أنه "إذا كانت صفيحة النمو هي المحرك الذي يحرك نمو العظام، فقد رفعنا الغطاء لنرى عن كثب كيف تعمل وماذا يحدث عندما تنهار".
وشارك في الدراسة أيضًا الدكتور أنكيت أغاروال، وشارون كرياف، والدكتورة نيتا بليزنتال، ويوناتان سابوراي، والدكتور تومر ستيرن من قسم الوراثة الجزيئية؛ الدكتور يوسف عدي من قسم البنى التحتية لأبحاث علوم الحياة؛ البروفيسور يوهانس ستيغماير من جامعة RWTH Aachen؛ والبروفيسور بول فيوترا من جامعة إيكس مرسيليا.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
