גנים אינם המניע היחיד המורה לתאים לבנות מבנים, רקמות ואיברים רב-תאיים. במאמר חדש שפורסם ב תקשורת טבעמדען תאי גזע של USC ליאונרדו מורסוט והביולוג החישובי מאט תומסון של Caltech מאפיינים את השפעתו של מניע התפתחותי חשוב אחר: צפיפות תאים, או כיצד תאים ארוזים בצורה רופפת או הדוקה בחלל נתון. הן במודלים חישוביים והן בניסויי מעבדה, צוות המדענים השתמש בצפיפות תאים ככלי יעיל לשליטה כיצד תאי עכבר מתעצבים את עצמם למבנים מורכבים.
מאמר זה מייצג התקדמות לקראת מטרת התמונה הגדולה שלנו של הנדסת רקמות סינתטיות. לרקמות סינתטיות יכולות להיות אינסוף יישומים רפואיים, החל מבדיקת תרופות או טיפולים פוטנציאליים ועד מתן שתלים או השתלות לחולים".
ליאונרדו מורסוט, עוזר פרופסור לביולוגיה של תאי גזע ורפואה רגנרטיבית, והנדסה ביו-רפואית, בית הספר לרפואה קק של USC
המחקר השתמש בשני סוגים של תאי עכברים-;תאי רקמת חיבור ותאי גזע-;מהונדסים לשאת מערכת תקשורת תאית סינתטית או "מעגל גנטי". המעגל הזה מבוסס על משהו שמורסוט פיתח בשם "synNotch", שהוא חלבון שמדענים מהנדסים גנטית לתוך תא כדי לשמש כ"חיישן". ממוקם על פני התא, חיישן מבוסס חלבון זה מזהה אות חיצוני שמפעיל את התא להגיב – בדרך כלל על ידי הפעלת גן מוגדר על ידי המשתמש.
עבור סדרת הניסויים הספציפית הזו, המדענים השתמשו ב-synNotch כדי להפעיל מעגל הכולל פלואורסצנטי ירוק ודרך להפיץ את האות הלאה, למרות שניתן להשתמש בו כדי להפעיל כל גן. הקרינה הקלה על צפייה בתאים כשהם יוצרים דפוסים. לדוגמה, בתחום של תאים, המדענים יכלו ליצור תבנית של טבעות פלואורסצנטיות ירוקות הנובעות מנקודה מרכזית.
גילוי לא צפוי
בעת ביצוע הניסויים הללו, הבחין המחבר הראשון מרקו סנטורלי, פוסט-דוקטורט במעבדת מורסוט, שתאים זהים מבחינה גנטית לא תמיד מייצרים את אותם דפוסים.
"היינו רואים תוצאות שונות של הדפוס כאשר נתחיל עם תאים זהים מבחינה גנטית במספרים שונים", אמר מורסוט. "אז זה היה תמוה בהתחלה. אני זוכר שמרקו נכנס ואמר לי פעם שהניסוי עבד, אבל רק בחצי מהצלחת. וכשהסתכלנו על זה יותר טוב, התחלנו לראות שיש שיפוע של תא. צפיפות שנראתה קשורה להבדלים בדפוסים."
מעל צפיפות תאים מסוימת, synNotch הפעיל אפקט חלש יותר ולא ייצר את אותם דפוסים. עוד יותר מסבך עניינים, צפיפות התאים השתנתה ללא הרף כאשר התאים מתרבים בקצבים משתנים ללא הרף – תוך אינטראקציה בדרכים מורכבות עם המעגל הגנטי synNotch.
האם זה מחשב?
הסופר הראשון פראנב ס. בהמידיפטי, מועמד בתוכנית USC-Caltech MD-PhD שהיה חבר במעבדות Morsut ו-Thomson כאחד, החל להתעניין בבניית מודל חישובי שיוכל לחזות ולהבהיר את התנהגות התא המורכבת והדינמית הזו. .
"בשבילי, זו הייתה אחת הפעמים הראשונות בחיי שבה מודלים חישוביים הצליחו לחזות התנהגויות שנראות כמו מה שקורה בפועל בתאים", אמר תומסון, שהוא עוזר פרופסור לביולוגיה חישובית ב-Caltech וחוקר. עם המכון למחקר רפואי מורשת. "כאן, זה עזר לנו להנחות אותנו לחשוב על האופן שבו צפיפות התאים, קצב התפשטות, האיתות וכל הדברים השונים האלה מתמזגים."
מורסוט הוסיף: "שמחנו שיש לנו את המודל החישובי כדי באמת לחקור ולקבל תחושה של מה הם הדפוסים השונים האפשריים, וכיצד לעבור מאחד לשני".
בהנחיית המודל החישובי, המדענים הצליחו להשתמש בצפיפות תאים כדי ליצור מגוון של דפוסי ניאון הניתנים לחיזוי שהתפתחו על פני פרקי זמן ספציפיים.
זה בסדר להיות קצת צפוף
כדי להבין כיצד צפיפות התאים מפעילה את ההשפעות הללו, הסופר הראשון Josquin Courte, פוסט דוקטורט במעבדת Morsut, ערך סדרה של ניסויים שהניבו תגלית מפתיעה. צפיפות תאים גדולה יותר גורמת ללחץ שמוביל להתמוטטות מהירה יותר של לא רק synNotch בפרט, אלא גם חיישני פני השטח של התא בכלל.
משמעות הדבר היא שצפיפות תאים היא כלי ישים רחב להנחיית תאים מהונדסים והן טבעיים לבנות מגוון עצום של מבנים, רקמות ואיברים.
"הטבע הסתמך על צפיפות תאים בשילוב עם מעגלים גנטיים כדי ליצור את המגוון המדהים של מבנים, רקמות ואיברים רב-תאיים", אמר מורסוט. "עכשיו אנחנו יכולים לאמץ את אותה אסטרטגיה כדי לקדם את המאמצים שלנו לבנות מבנים רב-תאיים סינתטיים – ובסופו של דבר רקמות ואיברים – לרפואה רגנרטיבית."
לגבי המחקר
מחברים שותפים נוספים הם: Benjamin Swedlund, Naisargee Jain, Kyle Poon, Victoria A. MacKrell, Trusha Sondkar, and Giorgia Quadrato מ-USC; דומיניק שילדקנכט מ-Caltech; Andriu Kavanagh מ-USC ואוניברסיטת קליפורניה סטייט, Northridge; ומטיאס מלאגוטי וסאלי לואל מאוניברסיטת אדינבורו.
עבודה זו מומנה על ידי המכון הלאומי לרפואה כללית (מענק R35 GM138256) והקרן הלאומית למדע (מעניקה CBET-2034495 ו-CBET-2145528). תמיכה נוספת הגיעה מארגון Human Frontier Science Program (HFSP) (מענק LT000469/2019-L), מכון קליפורניה לרפואה רגנרטיבית, הקרן הבלגית האמריקאית לחינוך (BAEF), יוזמת צ'אן צוקרברג (מענק 2023-332386), קרן הקהילה של עמק הסיליקון, המכון למחקר רפואי מורשת, קרן דיוויד ולוסייל פקארד, קרן Wellcome (מענק 220298), ופרס סטארט-אפ של צוות חדש של בית הספר למדעי הביולוגיה של אוניברסיטת אדינבורו.
