שיטת התרבות תאי הגזע הראשונה שמייצרת מודל מלא של השלבים המוקדמים של מערכת העצבים המרכזית האנושית פותחה על ידי צוות מהנדסים וביולוגים באוניברסיטת מישיגן, במכון ויצמן למדע ובאוניברסיטת פנסילבניה.
מודלים כאלה יפתחו דלתות למחקר יסודי כדי להבין התפתחות מוקדמת של מערכת העצבים המרכזית האנושית וכיצד היא עלולה להשתבש בהפרעות שונות".
Jianping Fu, פרופסור להנדסת מכונות ב-UM ומחבר מקביל של המחקר בטבע
המערכת היא דוגמה לאורגנואיד אנושי תלת מימדי – תרביות תאי גזע המשקפות מאפיינים מבניים ותפקודיים מרכזיים של מערכות איברים אנושיים, אך הן עותקים חלקיים או לא מושלמים אחרת.
"אנחנו מנסים להבין לא רק את הביולוגיה הבסיסית של התפתחות המוח האנושי, אלא גם מחלות – מדוע יש לנו מחלות הקשורות למוח, הפתולוגיה שלהן וכיצד נוכל להמציא אסטרטגיות יעילות לטיפול בהן", אמר גואו-לי מינג. שיחד עם Hongjun Song, שניהם פרופסורים פרלמן למדעי המוח ב-UPenn ומחברי המחקר, פיתחו פרוטוקולים לגידול והנחיית התאים ואפיינו את המאפיינים המבניים והתאיים של המודל.
לדוגמה, אורגנואידים שפותחו באמצעות תאי גזע שמקורם במטופל עשויים לשמש לזיהוי אילו תרופות מציעות את הטיפול המוצלח ביותר. כבר היום משתמשים באורגנואידים במוח ובחוט השדרה לחקר מחלות נוירולוגיות ונוירופסיכיאטריות, אך לעתים קרובות הם מחקים חלק אחד של מערכת העצבים המרכזית ואינם מאורגנים. המודל החדש, לעומת זאת, משחזר את ההתפתחות של כל שלושת החלקים של המוח וחוט השדרה העובריים בו זמנית, הישג שלא הושג בדגמים קודמים.
"המערכת עצמה ממש פורצת דרך", אמרה אורלי ריינר, יו"ר ברשטיין-מייסון פרופסור לנוירוכימיה בויצמן ומחברת שותפה של המחקר שפיתחה כלים תאיים לזיהוי סוגי תאים עצביים במודל. "מודל המחקה את המבנה והארגון הזה לא נעשה בעבר, והוא מציע אפשרויות רבות לחקר התפתחות המוח האנושי ובמיוחד מחלות מוח התפתחותיות."
בעוד שהמודל נאמן להיבטים רבים של ההתפתחות המוקדמת של המוח וחוט השדרה, הצוות מציין כמה הבדלים חשובים. ראשית, היווצרות הצינור העצבי – השלב הראשון של התפתחות מערכת העצבים המרכזית – שונה מאוד. לא ניתן להשתמש במודל כדי לדמות הפרעות הנובעות מסגירה לא נכונה של הצינור העצבי כמו עמוד השדרה ביפידה.
במקום זאת, המודל התחיל עם שורה של תאי גזע בערך בגודל של הצינור העצבי שנמצא בעובר בן 4 שבועות – כ-4 מילימטרים באורך ו-0.2 מילימטרים ברוחב. הצוות הדביק את התאים לשבב בדוגמת תעלות זעירות שהצוות השתמש בהן להחדרת חומרים שאפשרו לתאי הגזע לגדול והנחו אותם לבניית מערכת עצבים מרכזית.
לאחר מכן הצוות הוסיף ג'ל שאפשר לתאים לצמוח בתלת מימד ואותות כימיים שדחפו אותם להפוך למבשרים של תאים עצביים. בתגובה, התאים יצרו מבנה צינורי. לאחר מכן, הצוות הציג אותות כימיים שעזרו לתאים לזהות היכן הם נמצאים בתוך המבנה ולהתקדם לסוגי תאים מיוחדים יותר. כתוצאה מכך, המערכת ארגנה את עצמה כדי לחקות את המוח הקדמי, המוח האמצעי, המוח האחורי וחוט השדרה באופן המשקף את ההתפתחות העוברית.
"כמהנדס, החלק המאתגר הוא ללמוד התפתחות עצבית וביולוגיה של תאי גזע", אמר Xufeng Xue, המחבר הראשון של המחקר ועמית פוסט-דוקטורט בהנדסת מכונות UM. "זה היה מאמץ צוות לגרום לזה לקרות, עם משתפי פעולה מדהימים ב-UPenn ווייצמן."
הצוות גידל את התאים במשך 40 יום, תוך שהוא מדמה התפתחות של מערכת העצבים המרכזית לכ-11 שבועות לאחר ההפריה. בזמן זה, הצוות הצליח להדגים את התפקידים של גנים ספציפיים בהתפתחות חוט השדרה וללמוד כיצד סוגי תאים מסוימים במערכת העצבים האנושית המוקדמת מתמיינים לתאים שונים בעלי תפקידים מיוחדים.
"במקרים רבים, מודלים של בעלי חיים פשוט אינם משחזרים לא את המאפיינים או את מידת החומרה הנראים במחלות מוח אנושיות כמו מיקרוצפליה", אמר סונג. "אפילו פרימטים לא אנושיים אינם זהים. אז בהקשר של ביולוגיה של המחלה ואסטרטגיות טיפול, מודל של תאים אנושי כמעט שאין לו תחליף."
הצוות מתכנן ליישם את המודל לחקר מחלות מוח שונות של בני אדם באמצעות תאי גזע שמקורם במטופל.
Xue מקווה להמשיך להשתמש במודל זה כדי לחקור את יחסי הגומלין בין חלקים שונים של המוח במהלך ההתפתחות. הוא גם מעוניין ללמוד כיצד המוח שולח הוראות לתנועה דרך חוט השדרה. קו חקירה זה, שיכול לשפוך אור חדש על הפרעות כמו שיתוק, יחייב את הנוירונים להתחבר למעגלים עובדים – דבר שלא נצפה במחקר זה.
אינסו היון, ביו-אתיקאי במוזיאון המדע בבוסטון שלא היה חלק מהמחקר, מציין שניסויים כמו אלה נבדקים מקרוב לפני שמתירים להם להתקדם.
"קבוצות מחקר חייבות להיות ברורות לגבי השאלה המדעית שהן מנסות לענות עליהן – ושמידת הפיתוח שהן מאפשרות במודל היא המינימום כדי לענות על השאלה", אמר.
המודל אינו כולל עצבים היקפיים או מעגלים עצביים מתפקדים – מאפיינים שהם קריטיים ליכולת של בני אדם לחוות את הסביבה שלנו ולעבד את החוויה הזו.
המחקר מומן על ידי יוזמת שיתוף הפעולה בין מישיגן-קיימברידג', אוניברסיטת מישיגן, מדינת מישיגן, ד"ר מרים ושלדון ג'י אדלסון למחקר רפואי, הקרן הלאומית למדע והמכונים הלאומיים לבריאות.
המחקר תואם את ההנחיות לשנת 2021 לחקר תאי גזע ותרגום קליני המומלצים על ידי האגודה הבינלאומית לחקר תאי גזע. כל הפרוטוקולים ששימשו בעבודה זו אושרו על ידי הוועדה לפיקוח על מחקר תאי גזע פלוריפוטנטיים באוניברסיטת מישיגן, אן ארבור.
הצוות הגיש בקשה להגנת פטנט בסיוע UM Innovation Partnerships ומחפש שותפים שיביאו את הטכנולוגיה לשוק.
