آخرین مطالب

چگونه بافت ها اشکال پیچیده ای را تشکیل می دهند که عملکرد اندام را فعال می کند —


از لوله‌های صاف سرخرگ‌ها و سیاهرگ‌های ما گرفته تا پاکت‌های بافتی اندام‌های داخلی، بدن ما از بافت‌هایی ساخته شده است که به شکل‌های پیچیده‌ای چیده شده‌اند که به انجام عملکردهای خاص کمک می‌کنند.

اما چگونه سلول‌ها در طول توسعه خود را با چنین پیکربندی‌های پیچیده‌ای جمع می‌کنند؟ چه نیروهای اساسی این فرآیند را هدایت می کنند؟

اکنون، محققان دانشکده پزشکی هاروارد یک فرآیند مکانیکی را کشف کرده‌اند که طی آن ورقه‌های سلولی به کانال‌های نیم دایره‌ای ظریف و حلقه‌ای گوش داخلی تبدیل می‌شوند.

منتشر شده در 22 دسامبر در سلولتحقیقات انجام شده در گورخرماهی نشان می دهد که این فرآیند شامل ترکیبی از اسید هیالورونیک تولید شده توسط سلول ها است که با آب متورم می شود و رابط های نازکی بین سلول ها که نیروی این تورم را برای شکل دادن به بافت هدایت می کند.

اگرچه این کار در گورخرماهی انجام شده است، اما مکانیسمی اساسی برای چگونگی شکل گیری بافت ها نشان می دهد – به گفته محققان، مکانیزمی که احتمالاً در بین مهره داران حفظ می شود و همچنین ممکن است پیامدهایی برای مهندسی زیستی داشته باشد.

الگویی از شفافیت

نویسنده ارشد این مطالعه، شان مگاسون، استاد زیست‌شناسی سیستمی در مؤسسه بلاواتنیک در HMS، و تیمش چگونگی تبدیل سلول‌ها به ساختارهای پیچیده و سه‌بعدی را مطالعه می‌کنند. برای پاسخ به این سوال، آنها به یک ارگانیسم مدل کلاسیک – و ایده آل – روی آوردند: گورخرماهی.

آکانکشی مونجال، نویسنده اول این مطالعه، که این تحقیق را به عنوان یک محقق انجام داد، توضیح داد: “آنها شفاف هستند، بنابراین ما فقط آنها را زیر میکروسکوپ می‌چسبانیم و کل این فرآیند را از یک سلول تا یک لارو که می‌تواند شنا کند و تمام قسمت‌هایش را دارد، بررسی می‌کنیم.” محقق فوق دکتری در HMS و اکنون استادیار زیست شناسی سلولی در دانشگاه دوک است.

این قسمت ها شامل کانال های نیم دایره ای، سه لوله پر از مایع در گوش داخلی است که برای تعادل و جهت گیری در فضا مورد نیاز است. اطلاعات کمی در مورد نحوه تشکیل کانال های نیم دایره ای وجود دارد، تا حدی به این دلیل که در بسیاری از گونه ها توسط گوش میانی و بیرونی پوشیده شده است. با این حال، در گورخرماهی، کانال‌ها نزدیک به سطح هستند و به محققان اجازه می‌دهند تا رشد آنها را زیر میکروسکوپ تماشا کنند.

مونجال گفت: “این یک فرصت هیجان انگیز برای ما بود تا ببینیم چگونه یک اندام سه بعدی از یک صفحه سلولی ساده تشکیل می شود.” ما می‌توانیم با دسترسی کامل به گوش داخلی جنین نگاه کنیم.»

مگاسون افزود: “گوش داخلی مدلی برای نحوه کار سلول ها با هم برای ساختن ساختارهای پیچیده ای است که برای عملکرد موجودات مورد نیاز است.” ما به این فکر می‌کردیم که ساختار زیبایی است، اما نمی‌دانستیم چه چیزی پیدا خواهیم کرد.»

کاری که آنها پیدا کردند آنها را شگفت زده کرد.

تفکر مرسوم این است که پروتئین‌های اکتین و میوزین به‌عنوان موتورهای ریز درون سلول‌ها عمل می‌کنند و آنها را به جهات مختلف فشار می‌دهند و می‌کشند تا بافتی را به شکلی خاص تا کنند. با این حال، محققان کشف کردند که کانال های نیم دایره ای گورخرماهی از طریق فرآیند کاملا متفاوتی شکل می گیرند. در طول رشد، سلول ها اسید هیالورونیک تولید می کنند که شاید به عنوان یک عامل ضد چروک در محصولات زیبایی شناخته شده است. هنگامی که در ماتریکس خارج سلولی قرار می گیرد، اسید متورم می شود، بی شباهت به پوشک در استخر شنا نیست. این تورم نیروی کافی برای حرکت فیزیکی سلول‌های مجاور ایجاد می‌کند، اما از آنجایی که فشار در همه جهات یکسان است، محققان تعجب کردند که چگونه بافت در یک جهت کشیده می‌شود و نه در جهت دیگری کشیده می‌شود و شکلی کشیده را تشکیل نمی‌دهد. این تیم دریافتند که این کار توسط اتصال دهنده های نازک بین سلول ها – به نام سیتوسینچ – که نیرو را محدود می کند، انجام می شود.

منجل گفت: «مثل این است که یک کرست را روی یک بادکنک آبی قرار دهید و آن را به یک ساختار مستطیل تغییر شکل دهید. این ترکیب تورم و سوزش به تدریج یک صفحه تخت از سلول ها را به شکل لوله ها در می آورد.

مگاسون گفت: “کار ما روش جدیدی را برای انجام کارها نشان می دهد.” وی افزود که امیدوار است مردم را تشویق کند تا مکانیسم های دیگری را که ممکن است در شکل دادن به بافت ها دخیل باشند را در نظر بگیرند. سلول‌ها باید از نیروهای مختلفی استفاده کنند تا بتوانند آنچه را که نیاز دارند، انجام دهند و زمان دقیقاً نشان خواهد داد که تعادل بین رویکردهای مولکولی اکتین و میوزین و رویکردهای فیزیکی بیشتر فشار چیست.»

مگاسون و مونجل اضافه کردند که کشف آنها احتمالاً پیامدهای گسترده تری دارد.

ژن‌هایی که تولید اسید هیالورونیک را در کانال‌های نیم‌دایره‌ای گورخرماهی کنترل می‌کنند، در کانال‌های نیم‌دایره‌ای پستانداران نیز وجود دارند که نشان می‌دهد ممکن است فرآیند مشابهی در حال وقوع باشد. علاوه بر این، اسید هیالورونیک در بخش‌های مختلف بدن انسان، از جمله پوست و مفاصل، یافت می‌شود، که نشان می‌دهد ممکن است در شکل‌دهی بسیاری از بافت‌ها و اندام‌ها نقش داشته باشد – راهی برای تحقیقات آینده.

اگر اینطور باشد، مطالعه ژن‌های دخیل در تولید اسید هیالورونیک می‌تواند به محققان کمک کند تا نقایص مادرزادی در اندام‌هایی را که اسید هیالورونیک باعث رشد آنها می‌شود، درک کنند.

مونجال گفت: «این احتمالاً یک مکانیسم گسترده و حفاظت‌شده در میان گونه‌ها و اندام‌ها است.

این مکانیسم همچنین می‌تواند در مهندسی زیستی نیز به کار رود، جایی که محققان در تلاش هستند تا سلول‌های بنیادی را به شکل‌گیری جوانه‌ها، لوله‌ها و سایر اشکال پیچیده با هدف نهایی پرورش اندام‌ها در آزمایشگاه تحریک کنند.

مگاسون خاطرنشان کرد که اندام های رشد یافته در آزمایشگاه هنوز در حال پیشرفت هستند، اما یک گام کلیدی تجزیه و تحلیل چگونگی شکل گیری اندام ها در یک ارگانیسم است. مگاسون گفت: “ما در تلاش هستیم تا مراحل ساخت یک عضو پیچیده مانند گوش داخلی را در داخل بدن تشریح کنیم و سپس آن مراحل را به صورت کمی درک کنیم.” ما امیدواریم که این زمینه را برای رشد سلول‌ها به هر الگو و شکلی که می‌خواهیم ایجاد کند.»

این کار توسط مؤسسه ملی بهداشت (R01DC015478)، مؤسسه ملی بهداشت کودک و توسعه انسانی یونیس کندی شرایور (K99HD098918) و یک برنامه علمی درازمدت مرزهای انسانی پشتیبانی شده است.