بناء الدماغ في المختبر

يقوم العلماء بنسخ العضو الأكثر تعقيدًا في الطبيعة، على أمل حل ألغاز أمراض الدماغ، من مرض التوحد إلى مرض الزهايمر

بقلم يورغن أ. كنوبليش، تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل وشبكة أورت إسرائيل 09.02.2017

• غالبًا ما يتم الحصول على المعرفة حول الدماغ البشري من التجارب على الفئران والجرذان والحيوانات الأخرى. أدمغة هذه الأنواع تشبه الدماغ البشري في نواحٍ عديدة، لكنها تفتقر إلى مساحة سطحية شديدة التعقيد، وهو اختلاف يؤثر على الوظيفة العصبية.
• قد تفسر الخصائص الفريدة للدماغ البشري لماذا لم تؤد الدراسات التي أجريت على القوارض إلى تطوير علاجات جديدة لأمراض الدماغ التي تتراوح من الفصام إلى مرض الزهايمر. شجع هذا الفشل على البحث عن طرق جديدة لإجراء تجارب علم الأعصاب.
• أحد الخيارات هو تنمية الجزء الأكبر من الدماغ النامي في أطباق المختبر. ومن المحتمل أن تزود هذه "العضويات" باحثي الدماغ بمعلومات لا يمكن الحصول عليها من التجارب على الفئران. ويتم استخدامها بالفعل لدراسة فيروس زيكا.

"ما لا أستطيع بناءه، لا أستطيع فهمه" - ريتشارد فاينمان، 1988

كل ما يجعلنا بشرًا موجود في 1.4 كيلوجرام من الأنسجة الصفراء التي يتكون منها الدماغ البشري. هذا هو المكان الذي تتطور فيه أفكارنا، وهذا هو المكان الذي نشعر فيه بالحب أو الكراهية، وهذا هو المكان الذي تولد فيه أفكار البشرية الأكثر إبداعًا أو شرًا. هذا الهيكل الشبيه بالجوز هو أيضًا العضو الأكثر تعقيدًا الذي خلقته الطبيعة. يحتوي الدماغ على ما يقرب من 86 مليار خلية عصبية، أو الخلايا العصبية، التي تحتاج إلى أن تتشكل في الوقت المناسب، وتهاجر إلى المكان الصحيح، وأن يتم توصيلها بالطريقة الصحيحة حتى نتمكن من البقاء والازدهار.

إن التحدي الأكبر الذي يواجه علم الأحياء الحديث هو فهم كيفية تطور وعمل الدماغ البشري. معظم ما تعلمناه عن هذا العضو منذ ولادة علم الأعصاب قبل أكثر من 100 عام، جاء من تجارب أجريت على الحيوانات، غالبًا الفئران والجرذان. يمكن للعلماء تبرير هذا النهج لأن الفئران والبشر يشتركون في بنية دماغية مشتركة: لديهم العديد من أنواع الخلايا المتطابقة، ويعتمدون بشكل أساسي على نفس الأجزاء من الدماغ لأداء عمليات عقلية مماثلة. لكن البشر والقوارض يختلفون في نقطة واحدة مهمة: سطح دماغ الفأر أملس، في حين أن دماغ الإنسان مطوي في طيات عديدة.

قد يبدو هذا الاختلاف غير مهم بالنسبة لمعظمنا. لكن علماء الأحياء العصبية يعتقدون أن الطيات مهمة للغاية لنشاط الدماغ البشري. إنها تجعل من الممكن إدخال العديد من الخلايا العصبية في نفس الحجم، وهي أيضًا علامة بارزة على الحيوانات "الذكية"، مثل القرود والقطط والكلاب والحيتان. وقد أظهر علماء الأحياء التطورية أن الطيات تنشأ من اختلاف آخر بين الفئران والبشر: فالخلايا العصبية في العديد من مناطق الدماغ تنشأ من سلسلة معينة من الخلايا السليفة الموجودة فقط بأعداد صغيرة في الفئران.

قد تفسر هذه الاختلافات سبب عدم تأثير الطفرات الجينية الشائعة التي تسبب أمراضًا عصبية حادة لدى البشر تقريبًا عند إدخالها في الحمض النووي للفئران في محاولة لدراسة آليات الأمراض البشرية. إذا كانت الطفرات تؤثر على تطور أو الحفاظ على البنية الطبيعية للدماغ البشري أو وظيفة أنواع الخلايا الشائعة عند البشر فقط، فإن مثل هذه الدراسات محكوم عليها بالفشل. في الواقع، ربما تكون الخصائص الفريدة للدماغ البشري أحد الأسباب التي جعلت الدراسات التي أجريت على القوارض لم تؤد إلى تطوير أدوية فعالة لأمراض الدماغ مثل الفصام والصرع والتوحد.

أثارت الاختلافات بين أدمغة الفئران والبشر سباقًا من تجارب علم الأحياء العصبي للحصول على مزيد من المعلومات. تم تطويره مؤخرًا مختبري نهج مثير: تنمية الجزء الأكبر من الدماغ النامي على نطاق مصغر في طبق الثقافة. تسمى هذه الهياكل الدماغية عضوي، يزود علماء الأحياء العصبية بنموذج للدماغ البشري الذي يجب أن يوفر معلومات لا يمكن الحصول عليها من التجارب على الفئران. يمكن للباحثين فحص ما يحدث عندما يتعرض الدماغ الصفيحي، أو الدماغ الصغير، لبعض مسببات الأمراض، مثل فيروس زيكاعلى سبيل المثال، والتي يمكن أن تلحق الضرر بنمو الدماغ في أجنة النساء المصابات، أو ما يحدث عندما يتم بناء عضوي من خلال الهندسة الوراثية لمحاكاة الدماغ المتضرر نتيجة لمرض عصبي.

الدماغ في الصحن (أكثر أو أقل)

بدأ مختبري بدراسة الكائنات العضوية في عام 2012، عندمامادلين أ. لانكستر، الذي كان حينها طالبًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مجموعتي البحثية، طور طريقة لإعادة إنشاء العملية الأساسية التي تؤدي إلى تكوين الدماغ في الجنين البشري خلال الأسابيع العشرة الأولى من التطور في طبق استنباتي [انظر الرسم البياني]. تعتمد العملية التي قمنا بتطويرها على خلايا بشرية تسمى الخلايا الجذعية، والتي تتمتع بخاصية مذهلة تسمى تعدد القدرات. الخلايا الجذعية متعددة القدرات هي نوع الخلايا الموجودة في الأجنة في المراحل المبكرة من التطور. عندما تنمو في المزرعة في ظل الظروف المناسبة، يمكنها إنتاج أي نوع من الأنسجة: الأعصاب، العضلات، الدم، العظام، أو أي نوع آخر. في الجنين، تحتفظ هذه الخلايا الجديدة بقدرتها المتعددة لبضعة أيام فقط. ولكن في ظل الظروف المختبرية، يمكن للباحثين الاحتفاظ بها في هذه الحالة بشكل دائم وتحويلها في النهاية إلى أي نوع من الخلايا يرغبون فيه تقريبًا.

أولاً، نقوم بتنمية الخلايا في سائل يحتوي على جميع العناصر الغذائية اللازمة للنمو الجلد العصبي، جزء الجنين الذي يشكل الجهاز العصبي. عندما تتجمع الخلايا في ما يسمى بالكرة جسم الجنيننضع الكرة في مادة عجيبة تسمى ماتريجيل. يتم إنتاج هذا الجل، المشابه للغشاء الذي تستقر عليه الخلايا في الجنين، بواسطة خلايا مأخوذة من ورم سرطاني في الغضروف في فأر ونمت في طبق زرع. الماتريجيل غني بالعوامل التي تشجع الخلايا على الانقسام وتمنعها من الموت. إنه بمثابة قالب قوي بما يكفي لتلتصق به الخلايا، ولكنه أيضًا مرن بدرجة كافية بحيث يمكن أن يتغير شكله استجابةً للخلايا.

وكانت نتائج هذه التجارب مذهلة حقا. عندما تم وضع الأجسام الجنينية في الماتريجيل، نمت لتصبح كرات بيضاء ثلاثية الأبعاد من الأنسجة تشبه الدماغ البشري الجنيني. عندما تتعرض الخلايا الجذعية للإشارات الكيميائية المناسبة التي تشجع نمو الدماغ لدى الجنين، فإنها تنمو وتنتج نسخًا طبق الأصل مثالية من الدماغ الأمامي البشري، وهي منطقة الدماغ المسؤولة عن وظائفنا العقلية العليا. تتضمن هذه المنطقة مكونات مثل القشرة (الهيكل الخارجي الكبير والمليء بالثنيات) fضفيرة الدم (المنطقة التي تنتج السائل النخاعي). ورأينا أيضًا هياكل أخرى توجه الخلايا إلى مكانها الصحيح في الدماغ النامي. تسمى هذه الهياكل البروز العقدية تساعد الخلايا الثانوية والجانبية في إنتاج الخلايا التي تخفف النشاط العصبي بشكل عام (أعصاب بينية) والمساعدة في إنتاجقرن آمون، تشارك في خلق الذكريات.

تقوم الخلايا الموجودة في العضو العضوي المتنامي بترتيب نفسها بنفس الطريقة التي تقوم بها تلك الموجودة في دماغ جنين بشري يبلغ من العمر 8 إلى 10 أسابيع. وفي حالات نادرة، تتطور في الكائنات العضوية أكواب بصرية صغيرة، أي انخفاضات في الأنسجة التي تحتوي على مواد ملونة (أصباغ)، كما يحدث عندما تبدأ العين البشرية في التشكل. وأيضًا، كما يحدث في الدماغ النامي، تنقسم الخلايا وتنتج أنواع الخلايا العصبية الموجودة في الجنين. وترسل الخلايا العصبية محاور عصبية: امتدادات طويلة تتصل بالخلايا العصبية الأخرى وتقوم ببناء الشبكة العصبية. وقبل أن تتشكل هذه الشبكات، تهاجر الخلايا العصبية من منطقة إلى أخرى، على غرار ما يحدث عند الجنين، وبالتالي يمكن دراسة ما يحدث عندما تنتهي الخلايا العصبية في المكان الخطأ، كما يحدث غالبا في الأمراض النفسية.

على أكتاف العمالقة

إن فكرة بناء الأنسجة في الثقافة ليست جديدة حقًا. كما هو الحال مع معظم الاكتشافات العلمية، تعتمد الموجة الحالية من أبحاث العضويات على سنوات من البحث، بعضها منذ أكثر من قرن من الزمان. في وقت مبكر من عام 1907، أظهر عالم الحيوان هنري ويلسون أن بعض الحيوانات البسيطة، مثل الإسفنج، على سبيل المثال، يمكنها إعادة تجميع نفسها بعد فصلها إلى خلايا مفردة، وهو دليل على أن الدماغ مجهز بخطة لربط مكوناته العديدة.

وفي عام 1939 اكتشف يوهانس هولتفرتر أن الخلايا المختلفة في جنين الضفدع تبحث عن بعضها البعض وتجدد شكلها حتى بعد انفصالها تمامًا. في القرن الثامن الميلادي، أدت هذه النتيجة إلى زيادة كبيرة في عدد دراسات "إعادة التجميع". في هذه الدراسات، تم إنشاء أعضاء حيوانية معقدة في المختبر، مثل شبكية العين وحتى القشرة الدماغية، عن طريق مزج أنواع مختلفة من الخلايا التي تتكون منها.

لقد ساعدت الكائنات العضوية التي تم تطويرها من الخلايا الجذعية بالفعل في دراسة وباء زيكا

بناءً على دراسات إعادة التجميع المبكرة التي أجريت في الفترة 2006-2010، قام العالم الياباني الراحل يوشيكي ساساي كان مركز ريكن لعلم الأحياء التنموي رائدًا في استخدام الخلايا الجذعية متعددة القدرات لإنشاء أنسجة عصبية، وخاصة شبكية العين البشرية. في الواقع، تقنية الدماغ العضوي لدينا هي مزيج من أساليبه مع البحث الرائد في مجال علم الأحياء هانز كولفرز من جامعة أوتريخت في هولندا، الذي قام بدمج الخلايا الجذعية مع مادة ماتريجيل لتطوير نظام زراعة يمكن استخدامه لتنمية أنسجة الأمعاء والمعدة وحتى الكبد والبنكرياس.

وبصرف النظر عن استخلاص النتائج من هذه الدراسات المبكرة، فإن عملنا يستخدم الأساليب التي تم تطويرها مؤخرًا والتي أحدثت ثورة في مجال البحوث الطبية الحيوية. إحدى الطرق، المعروفة باسم إعادة البرمجة، تم تطويرها من قبل ياباني حائز على جائزة نوبل شينيا ياماناكا من جامعة كيوتو. وباستخدام سلسلة بسيطة من التغيرات الجينية، تعمل إعادة البرمجة على تحويل خلايا الجسم الناضجة مرة أخرى إلى خلايا جذعية متعددة القدرات، ويمكن القيام بذلك في أي خلية، من خلايا الجلد إلى خلايا الدم. وبالتالي يمكن للخلايا الجذعية المأخوذة من عينة من الجلد أو الدم أن تصبح أنواعًا مختلفة من خلايا الدماغ، ويمكن زراعة هذه الخلايا لتصبح عضويات. ولهذا السبب، فإن هذا النهج يتجنب الحاجة إلى استخدام الخلايا المأخوذة من الأجنة.

تتيح إعادة البرمجة إمكانية زراعة عضوي مناسب من مريض مصاب بمرض وراثي ومقارنة النتيجة مع نتائج الأشخاص الأصحاء للبحث عن العيوب الكامنة وراء المرض، لأن الخلل الجيني في خلايا المريض يجب أن يلحق الضرر بالعضوي بنفس القدر الذي يحدثه. فهو يضر بالجنين النامي. في الواقع، لقد استخدمنا بالفعل طريقة العضو العضوي للحصول على رؤى صغر الرأسوهي متلازمة يولد فيها المرضى بدماغ صغير للغاية. لقد اكتشفنا أن العضيات التي تتطور من خلايا مرضى صغر الرأس أصغر بكثير من المعتاد. ولأننا قادرون على تنمية خلايا المريض بأعداد غير محدودة، فيمكننا الآن إجراء تحليل مفصل لسلسلة الأحداث الجزيئية التي تؤدي إلى صغر الرأس في الجنين النامي. يجب أن ينطبق هذا أيضًا على أمراض الدماغ الأخرى: إن استخدام خلايا المرضى لتنمية الأعضاء العضوية قد يسمح لعلماء الأحياء العصبية بفهم أفضل للمشاكل في تكوين الدماغ التي تكمن وراء أمراض الدماغ: الفصام والصرع وغيرها من الأمراض التي يصعب أو يستحيل دراستها على الحيوانات.

وقد تكون العضيات المستمدة من الخلايا المعاد برمجتها لأفراد أصحاء فعالة أيضًا. والواقع أنها كانت مفيدة بالفعل في دراسة الوباء الحالي الناجم عن فيروس زيكا، والذي يفترض أنه تسبب في صغر حجم الرأس لدى بعض الأطفال الذين يولدون لنساء أصيبن بالفيروس أثناء الحمل. أثبتت العديد من المختبرات التي تعمل على الأعضاء العضوية، أولاً في البرازيل ثم في الولايات المتحدة الأمريكية، أن الفيروس يمكن أن يسبب صغر الرأس، وهي العلاقة التي كانت ستظل فرضية لولا هذه الطريقة الجديدة. عندما تصاب العضيات بفيروس زيكا، تموت خلاياها العصبية ويتم الحصول على عضيات أصغر بكثير من تلك التي لم تصاب، على غرار العضيات التي تم الحصول عليها من مريضنا المصاب بصغر الرأس الوراثي.

من المحتمل أن تساعد المواد العضوية في دراسة المرض الناجم عن فيروس زيكا. من خلال زراعة عدد كبير من الكائنات العضوية وإصابة كل منها بسلالة مختلفة من الفيروس من مناطق مختلفة من العالم، يمكننا أن نحاول أن نفهم لماذا يسبب الفيروس صغر الرأس في بعض المناطق دون غيرها. يمكننا أيضًا استخدام الأعضاء العضوية لاختبار سبب إصابة بعض الأشخاص فقط بصغر الرأس بعد التعرض لفيروس زيكا. يمكن أيضًا استخدام العضيات لتحديد نقاط التثبيت أو المستقبلات التي يستخدمها الفيروس لدخول الخلايا، وقد تكون ضرورية أيضًا لاختبار أدوية زيكا المحتملة قبل أن تتقدم إلى التجارب السريرية البشرية.

هناك تقنية أخرى تشجع على استخدام الكائنات العضوية وهي الهندسة الجينية: وهي مجموعة من الأساليب التي تسمح للباحثين بتغيير الشفرة الوراثية للخلايا. يمكن للعضيات المُصممة بحيث تحتوي على طفرات يشتبه في أنها تسبب المرض أن تسمح للباحثين بتحديد ما إذا كانت العيوب الجينية تؤدي بالفعل إلى المرض. في نهاية المطاف، سيتمكن الباحثون من اختبار ما إذا كان تصحيح هذه الطفرات سيؤدي إلى تكوين عضويات صحية. إذا كان الأمر كذلك، فقد يؤدي البحث إلى علاجات جديدة من شأنها القضاء على تأثير الطفرات.

ويمكن لهذه التكنولوجيا أيضًا اختبار ما إذا كانت الأدوية الجديدة تؤثر على أنسجة المخ بالطريقة المرغوبة، دون الحاجة إلى تجارب على الحيوانات، وبالتالي تقليل تكاليف تطوير الأدوية. كما ستسمح هذه الكائنات العضوية للعلماء بتحديد التأثيرات غير المرغوب فيها على نمو الدماغ البشري، وبالتالي منع استخدام الأدوية الضارة أثناء الحمل. لو تم اختبار الدواء سيئ السمعة بهذه الطريقة ثاليدومايد، الذي يضر بنمو الدماغ في وقت مبكر أثناء الحمل ويسبب تشوهات خلقية إضافية، ربما لم يكونوا قد حددوه لمنع الغثيان أثناء الحمل في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي.

أصبحت العضويات أداة مهمة جدًا لعلماء الأحياء التطورية أيضًا. ويمكن استخدامها لتحديد الجينات المسؤولة عن الحجم الهائل للدماغ البشري مقارنة بالرئيسيات الأخرى. لقد كشفت مقارنة الجينوم البشري مع الرئيسيات بالفعل عن الجينات التي قد تكون مسؤولة عن القدرات المعرفية، مثل اللغة، التي ينفرد بها البشر. إن فهم طرق عمل هذه الجينات ظل حتى الآن مسألة تخمين فقط. سيتمكن العلماء الآن من إدخال جينات من القرود والقردة العليا في الأعضاء العضوية لتحديد كيفية تأثيرها على نمو الدماغ. يمكن للباحثين أيضًا إدخال جينات أو مناطق كاملة من الجينوم في عضوي قرد لجعله يعمل بشكل أشبه بالإنسان.

هل يجب أن نخاف؟

من المفترض أن بعض الناس قد يخجلون من فكرة تنمية دماغ بشري في طبق. تظهر في ذهني أفلام مثل The Matrix والتي تطرح أفكارًا عن نمو الأدمغة في المختبر وتطور الأفكار أو حتى الشخصيات. هذه المخاوف ليس لها أي أساس. إن احتمال أن يطور الدماغ المزروع في المختبر أفكارًا خاصة به هو صفر. إن العضو العضوي ليس "إنسانًا" في وعاء ولن يصبح كذلك حتى في المستقبل البعيد. يجب أن يكون أي كائن واعي قادرًا على معالجة المعلومات من الحواس لتطوير تمثيل عقلي داخلي للواقع. العضويات غير قادرة على الرؤية أو السمع وليس لها أي مدخلات حسية. وحتى لو قمنا بتوصيلها بكاميرا وميكروفون، فسيظل من الضروري ترجمة المعلومات المرئية والصوتية إلى شكل يمكن فهمه لخلايا الدماغ الموجودة في الطبق، واليوم تطرح مثل هذه الترجمة تحديًا تقنيًا لا يمكن التغلب عليه تحدي.

إن العضيات ليست أدمغة وظيفية، ولكنها كتل من الأنسجة تحاكي الوظيفة الجزيئية والخلوية للعضو بمستوى استثنائي من التفاصيل. إنها تشبه قطع الأنسجة التي تمت إزالتها أثناء جراحة الدماغ، وليس كائنات واعية. ومع ذلك، فإن نمو الكائنات العضوية يثير أسئلة أخلاقية وقانونية. جميع الكائنات العضوية مصنوعة من خلايا مأخوذة من أشخاص يتمتعون بحقوق قانونية معينة. ولهذا السبب، يجب أن تستوفي الأبحاث المختبرية نفس الشروط القانونية والأخلاقية التي تنطبق على العينات المأخوذة من المرضى في أي دولة صناعية. وبطبيعة الحال، يتعين على المرضى الموافقة على استخدام خلاياهم لأغراض البحث. نفس المتطلبات القانونية تنطبق أيضًا على الكائنات العضوية. ولكن حتى عندما يتم شرح الفوائد بوضوح للمتبرعين، فإن فكرة أن خلاياهم ستنتج هياكل تشبه الدماغ ليست مريحة لهم دائمًا.

ماذا بعد؟

مزايا هذه الطريقة الخلوية تفوق أي عيوب محتملة. لقد وضعت عضيات الدماغ الأسس لإجراء التجارب الطبية ودراسات السمية في الأنسجة البشرية، دون الحاجة إلى تجارب على الحيوانات. ومع ذلك، فإن الإصدار الحالي لا يحتوي على أوعية دموية. لا يشكل نقص الأوعية الدموية أي صعوبة في المراحل المبكرة من تطور العضو العضوي، ولكن مع مرور الوقت تبدأ الخلايا في الموت بسبب نقص الأكسجين والمواد المغذية. من الناحية النظرية، من الممكن تزويد الأعضاء العضوية بالأوعية الدموية، إما بمساعدة طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة، أو عن طريق زراعتها من الخلايا الجذعية. ومن المعروف أن الأوعية الدموية تنمو في الدماغ، وقد يكون من الممكن محاكاة هذه العملية في الثقافات ثلاثية الأبعاد.

ويتمثل التحدي الآخر في إعداد الكائنات العضوية، والتي، مثل الدماغ الحقيقي، سيكون لها محاور اتجاه أمامية وخلفية، ومن أعلى إلى أسفل، ومن اليمين إلى اليسار. على عكس الجنين الحقيقي الذي يمتلك محاور جسم محددة جيدًا، لا تحتوي العضيات على محاور للبطن والظهر والرأس والذيل. ولهذا السبب، فإنها تتطور بشكل عشوائي، بحيث تدور أجزائها في اتجاهات مختلفة. في الدماغ النامي، توفر أنظمة الإشارات المعقدة للدماغ إحساسًا بالأعلى مقابل الأسفل، وقد تفعل نفس المواد الكيميائية في النهاية الشيء نفسه بالنسبة للعضيات. يمكن لطرق التكنولوجيا الحيوية الحديثة إنتاج مزارع الأنسجة التي تحتوي على المواد الكيميائية اللازمة لتشجيع نمو الخلايا أثناء التطور. قد تسمح هذه الطرق في النهاية بإنشاء عضويات ذات دماغ أمامي على جانب واحد ودماغ مؤخر على الجانب الآخر.

لقد بدأنا بالفعل في الترويج للبحث عن طرق للتغلب على هذه العوائق. لقد وصلنا إلى إنجازات تقنية لم نكن نحلم بها إلا منذ سنوات قليلة. بدأت الكائنات العضوية بالفعل في مساعدة وتعميق فهمنا للأمراض، كما أنها تساعد أيضًا في تطوير الأدوية. إن القدرة على تنمية أجزاء من الدماغ والعمل مع الأنسجة الحية فتحت فصلاً جديدًا تمامًا في الأبحاث البيولوجية، حيث أنها قدمت مزارع الأنسجة أقرب بكثير إلى الواقع، وفي بعض الأحيان حتى بديل معقول لاستخدام الحيوانات للبحث.

جيد ان تعلم

ظهور العقول المصغرة لاكتشاف ما يجعلنا بشرا: محاضرة للباحثة مادلين لانكستر التي شاركت في الدراسات الموضحة في المقال: