רק שבועיים לאחר ההפריה מתחיל להופיע הסימן הראשון להיווצרות 3 הצירים של גוף האדם (ראש/זנב, גחון/גב וימין/שמאל). בשלב זה, המכונה גסטרולציה, יריעת תאים שטוחה וחסרת תכונה מתקפלת לכדי שרטוט חי לגוף, טרנספורמציה חולפת לצירים ושכבות שיקבעו כיצד כל רקמה תתפתח. עם זאת, הרגע הכל כך חשוב הזה עמד מזמן מעבר להישג ידו של המדע, והתרחש מוקדם מדי ועמוק בתוך הרחם כדי ללמוד ישירות.
כעת, מחקר חדש מגלה ששלב מרכזי זה בהתפתחות האנושית מונחה על ידי משחק גומלין מדויק בין אותות כימיים לכוחות פיזיקליים. פורסם ב תא גזע של תאהמאמר מציג כלי עובר סינתטי מבוסס אור המאפשר לחוקרים להפעיל חלבוני מפתח התפתחותיים הידועים כמחוללים גסטרולציה. כשהצוות השתמש באור כדי להפעיל את אחד מהחלבונים הללו, BMP4, הם גילו שרמזים כימיים לבדם לא הספיקו – הטרנספורמציה החלה רק כאשר התאים היו גם בתנאים המכניים הנכונים. התוצאות חושפות תלות הדדית מהותית בין מכניקת רקמות לאיתות מולקולרי, ומציעות מודל נאמן יותר של התפתחות אנושית מוקדמת ובסיס פוטנציאלי לטיפולי התחדשות ופוריות עתידיים.
כעת אנו יכולים ליצור ארגון עצמי וסוגי תאים שונים, רק על ידי הזרקת אור עליו. זה איפשר לנו לגלות תגלית גדולה על תפקידם של כוחות מכניים בהתפתחות העוברית".
עלי H. Brivanlou, ראש המעבדה לאמבריולוגיה סינתטית, אוניברסיטת רוקפלר
התקדמות האופטוגנטיקה שופכת אור חדש
גסטרואציה מתחילה בשבירת הסימטריה. יריעה אחידה של תאים עובריים מתארגנת לציר תלת מימדי של ראש אל זנב – השרטוט המרחבי שקובע היכן ייווצרו בסופו של דבר הראש, עמוד השדרה והגפיים. Brivanlou ועמיתיו סתרו את המסתורין של שלב התפתחותי מפתח זה במשך עשרות שנים, בעזרת מודלים של בעלי חיים ומחקרי מעבדה של תאי גזע עובריים אנושיים. "הקיבה מתרחשת ברחם זמן קצר לאחר ההשתלה, כך שלא ניתן לחקור אותה ללא שימוש בתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים, בַּמַבחֵנָה," אומר ריקרדו דה סנטיס, מנהל מרכז משאבי תאי הגזע האנושי הפלוריפוטנטי ברוקפלר ומחבר ראשון של מחקר זה, יחד עם הפיזיקאי התיאורטי לורן ג'וטראס-דובה. "המטרה שלנו הייתה לפתוח צוהר לרגע של התפתחות שלא ניתן לחקור אחרת. in vivo."
עבודה קודמת הוכיחה כי מולקולות איתות ביוכימיות, כגון BMP4, משפיעות על התנהגויות של תאים ורקמות כדי לווסת את ההתפתחות העוברית. אבל מחקרים בעוברי צפרדעים ואפרוחים העלו שזה רק חלק מהסיפור. נראה כי מתח מכני, גיאומטריית רקמות וכוחות פיזיקליים שונים מילאו תפקיד בהעברת עוברי בעלי חיים להתפתחות. "הרבה נתונים סוף סוף מגיעים, וכעת ברור שתפקידו של איתות מכני לא מוערך מספיק", אומר דה סנטיס.
דה סנטיס פיתח כלי אופטוגנטי המאפשר לצוות לחקור את יחסי הגומלין בין אותות ביוכימיים וכוחות מכניים, בהקשר של התפתחות אנושית. על ידי הנדסת תאי גזע עובריים אנושיים שיגיבו לאור, המערכת שלו אפשרה לחוקרים להפעיל גנים התפתחותיים בדיוק יוצא דופן. כאשר נחשפו לאורך גל מסוים של אור, התאים תוכננו להפעיל מתג גנטי שמפעיל לצמיתות את BMP4. מערך זה גם אפשר למדענים לבחור בדיוק מתי והיכן האות מופעל בגוש התאים העובריים, מה שאיפשר להם לבדוק, בפעם הראשונה, כיצד גיאומטריית רקמות ולחץ מכני בכל מקום פיזי בעובר יכולים להשפיע על ההתפתחות.
עליית כוחות מכניים
כאשר הצוות השתמש במערכת מבוססת אור זו כדי להפעיל איתות BMP4 בתאי גזע אנושיים, תפקידם של כוחות מכניים התברר במהירות. בתרבויות שבהן BMP4 הופעל בסביבות בלתי מוגבלות, במתח נמוך, הגסטרולציה מעולם לא התאחדה במלואה. BMP4 לבדו הספיק כדי להוליד סוגי תאים חוץ-עובריים, כמו אלה היוצרים את השפיר, אך הדגימה לא הצליחה ליצור את המזודרם והאנדודרם, השכבות הממשיכות לבנות את איברי הגוף. זה הוכיח שמורפוגנים לבדם אינם מספיקים כדי להשיג גסטרולציה.
אבל כשהצוות הצביע על "השלט הרחוק" שלו על הקצוות של מושבות תאים סגורות, ועל תאים המשובצים בהידרוג'לים מעוררי מתח, השכבות החסרות של הגסטרולציה החלו להיווצר. ניסויים נוספים חשפו כיצד מתח מכני באמצעות YAP1 מכוון עדין את מסלולי האיתות הביוכימיים במורד הזרם בתיווך WNT ו-Nodal, אשר אומרים לתאים לאילו סוגי רקמות להפוך. מחקר קודם בהובלת עמית המחקר הבכיר פרנצ'סקו פיקולו, בשיתוף עם ג'ים הדספת המנוח, ראש המעבדה למדעי המוח החושי של רוקפלר, הוכיח שלרמות הגרעיניות של החלבון המכנו-סנסורי YAP1 תפקיד מכריע בוויסות הארגון העצמי במיקרו-דפוסים (Piccolo et al., 2022). המחקר הנוכחי חשף כי YAP1 הגרעיני פועל כבלם מולקולרי של גסטרולציה, ומונע מהטרנספורמציות הללו להתרחש מוקדם מדי. התוצאות מצביעות על כך שגסטרולציה יכולה להתחיל רק כאשר אותות מולקולריים ותאי מתח מכני, כך נראה, חייבים להיות מוכנים גם כימית וגם פיזית.
"הייתה כל כך הרבה ביולוגיה מולקולרית יפה על העובר, כל כך הרבה עבודה מדהימה על איתות. אבל אנחנו, כתחום, הזנחנו כוחות פיזיים", אומר בריבנולו. "עכשיו ברור שללא כוחות מכניים, לא נוכל ליצור תאים להתפתחות עוברית נכונה".
התוצאות לא רק מדגימות את כוחם של כלים אופטוגנטיים ואת חשיבותם של כוחות מכניים, אלא גם מספקות מסגרת חדשה להבנה כיצד עוברים אנושיים מתארגנים בשלבים המוקדמים ביותר. כדי להשלים את הניסויים, פיתח לורן ג'וטראס-דובה מודל מתמטי הפועל כ"תאום דיגיטלי" של עובר מתפתח. הדמיית מחשב זו מראה כיצד אותות ביוכימיים כמו BMP4, WNT ו- NODAL נעים דרך רקמות ומקיימים אינטראקציה עם כוחות פיזיקליים. באמצעות מדידות ממשיות של מתח מכני, המודל יכול לחזות כיצד דפוסי איתות וארגון רקמות מובילים לשכבות תאים ספציפיות. ההדמיות תואמות היטב את מה שנצפה בניסוי, מה שמוכיח שגם אותות ביוכימיים וגם מתח מכני חייבים לעבוד יחד כדי שמפל האיתות האמבריולוגי הזה יתארגן בעצמו. גישה משולבת זו מספקת דרך כמותית להבין כיצד העובר משתנה במהלך ההתפתחות המוקדמת. העוברים הסינתטיים המשודרגים הללו, שנבנו על פלטפורמת מיקרו-שבבים, מבוססים על עבודות ציון דרך ממעבדת Brivanlou, אשר בשנת 2014, הייתה הראשונה שהראתה שתאי גזע עובריים אנושיים שגדלו על שבבים יכולים להתארגן בעצמם ל"גסטרולואידים" דו-ממדיים המחקים דפוסי התפתחות מוקדמים.
בשלב הבא, הצוות מתכנן לחקור את קיומו האפשרי של מארגן מכני – מקביל המבוסס על כוח למרכזי איתות קלאסיים המעצבים את העובר המוקדם. הם חושדים שבנוסף לרמזים כימיים, העובר חייב לעמוד בתנאים פיזיים ספציפיים כדי להתקדם דרך אבני דרך התפתחותיות – מצב שהמחברים מכנים כשירות מכנית. "קיומו של מארגן מכני הוא מושג פרובוקטיבי שיכול להוכיח שינוי", אומר דה סנטיס.
מעבר להשפעה הרעיונית שלו, העובר האופטוגנטי בעל השלט הרחוק מציע פלטפורמה חסרת תקדים לניסויים, המאפשרת שליטה מונעת על ידי אור ברמזים התפתחותיים במיקרו-סביבות מהונדסות. מערכות כאלה יכולות לקדם רפואה רגנרטיבית ובריאות הרבייה, החל משכלול טיפולים בתאי גזע המופעלים לפי דרישה ועד להארה מדוע לעיתים נכשלים הריון מוקדם. "העבודה שלנו מתמקדת בביולוגיה בסיסית ובמדע בסיסי, אבל ההשלכות חשובות מאוד במונחים של תמיכה בפוריות", אומר דה סנטיס. "כשאנחנו משפרים את ההבנה שלנו לגבי הכללים הבסיסיים של העובר, אנחנו יכולים להשתמש במידע הזה כדי לתת לאנשים את ההזדמנויות הטובות ביותר לבניית משפחות עתידיות."
כבר עכשיו, העבודה הנוכחית מציעה מבט חסר תקדים על המקום שבו כולנו התחלנו. "לפעמים מדענים הולכים לאיבוד בכלים, בשבבים ובאורות, ואנחנו שוכחים שסוג זה של מחקר הוא מיוחד", אומר Brivanlou. "כשאני מסתכל על גסטרואציה, אני מרגיש שאני מסתכל במראה שמשקפת את העבר שלי. זה יותר מסתם מדע. זו הזדמנות להסתכל מאיפה כולנו באנו – אותו שלב קסום של התפתחות שהופך אותנו למה שאנחנו".
