أنباء وآراء

أوّل نموذج مكتمل لنمو الجنين البشري

تشكّل الأجنة البشرية في بداية نموها بِنيةً تُسمى بالكيسة الأريمية. وقد تمكّن فريقان بحثيان حتى الآن من استحداث بِنًى شبيهة بالكيسة الأريمية البشرية من خلايا في طبَق استزراع، ليوفروا بذلك نموذج دراسة ثمين يخدم علم الأجنة البشرية الآخذ في التطوُّر.

يي جينج، وجيانبينغ فو
  • Published online:

يُعد الفهم الجيد للمراحل المبكرة من النمو البشري شديد الأهمية في سياق السعي لتحسين تقنيات التلقيح بالمساعدة، والحيلولة دون خسارة الحَمل ونشوء العيوب الخلقية. بيد أنّ دراسة النمو البشري في بداياته لا تزالُ تشكِّلُ تحدّيًا، إذ إنّ الأجنة البشرية المتوفرة لذلك قليلة، ولا تزال الأبحاث في هذا الصدد خاضعة لقدر كبير من القيود الأخلاقية والقانونية. من ثم، فإنّ ظهور تقنياتٍ تستخدم خلايا مستزرعة في المختبرات من أجل إنتاج نماذج من الأجنة الثديية، يفتح الباب أمام عديد من الفرص المشوقة. وقد أحرزت دراستان نُشرتا مؤخرًا في دورية Nature تطورات مهمة في هذا المجال، لتبرهنا على إمكانية تحفيز الخلايا الجذعية الجنينية البشرية، أو الخلايا المُعاد برمجتها، المأخوذة من أنسجة البالغين، بحيث تُنَظِّم ذاتها في طبَق استزراع، لتشكِّل بِنًى شبيهة بالأجنة البشرية في بداياتها. ويُعد هذا أوّل نموذج جنيني بشري متكامل يحوي أنماطًا من الخلايا من جميع السلالات الخلوية التأسيسية في الجنين وأنسجته الداعمة.

تخضع البيضة المُلَقَّحة في الثدييات إلى سلسلة من الانقسامات الخلوية في الأيام الأولى من نمو الجنين، وهو ما يؤدي إلى تشكّل بنيةٍ تُسمى بـ"الكيسة الأريمية". وتحتوي هذه البنية على طبقة خلوية خارجية تُسمى بطبقة الخلايا الأديمية الظاهرية الغذائية، تحيط بتجويف يحتوي على مجموعة خلوية تُسمى بالكتلة الخلوية الداخلية (ICM). ومع نمو الكيسة الأريمية، تنقسم الكتلة الخلوية الداخلية إلى مجموعتين متجاورتين من الخلايا: هما مجموعة خلايا الأديم الظاهر وخلايا الأريمة التحتية (المعروفة بالأديم الباطن البدائي في أجنة الفئران). بعد ذلك، تنغرس الكيسة الأريمية في النسيج الرحمي، لتمهِد بذلك لما يُسمَّى بعملية "تكون المُعَيدة"، وهي عملية تؤدي فيها خلايا الأديم الظاهر إلى ظهور ثلاث طبقات خلوية أساسية ستُشكّل الجنين بأكمله لاحقًا. ومن ثم، تشكِّل الخلايا الأديمية الظاهرية الغذائية معظم المشيمة، في حين تشكّل الأريمة التحتية بعض طبقات بِنية تُسمَّى الكيس المُحّي، وهي ضرورية لإمداد الجنين بالدم في المراحل المبكرة.

النماذج الجنينية المختبرية الأولى لمحاكاة تشكُّل الكيسة الأريمية من خلال خلايا مستزرعة (وهي بِنًى تُعرَف بأشباه الكيسة الأريمية) استخدَمت خلايا جذعية من الفئران تماثِل الخلايا الجذعية الموجودة في الأديم الظاهر، والأرومات المغذية والأديم الباطن البدائي في الكيسة الأريمية بهذه الحيوانات. بيد أنه إلى الآن، لم يُمكِن استحداث أشباه مماثلة للكيسة الأريمية من الخلايا البشرية. وقد استخدَمَت نماذجُ سابقة للمراحل المبكرة من النمو البشري خلايا جذعية بشرية مماثلة في نموها لخلايا الأديم الظاهر قبل تكوّن المُعيدة وبعد الانغراس. ومع أنها قادرة في حد ذاتها على محاكاة بعض مراحل النمو البشري بعد الانغراس، فإنها افتقرت إلى سلالات خلوية خاصة بطبقة الخلايا الأديمية الظاهرية الغذائية، أو الأرومة التحتية أو كليهما.

ويقدم الباحث ليكيان يو وزملاؤه، والباحث شياودونج ليو وزملاؤه في الدراستين سالفتي الذكر توصيفًا لأشباه كيسات أريمية. ويبدو أن مفتاح اكتشافهما التقني هذا يكمُن في جانبين: أولها، استخدام خلايا ممثِّلة للسلالات الخلوية في الكيسة الأريمية البشرية، وثانيهما، تحسين بروتوكولات الاستزراع القائمة.

بدأ يو وزملاؤه تجاربهم إمّا بخلايا جذعية جنينية بشرية مأخوذة من كيسات أريمية بشرية، أو بخلايا جذعية متعددة القدرات (استُحدِثت من خلايا بالغة). ومن الأهمية بمكان، أن كلا نوعَي الخلايا الجذعية هذين يشبه في نموه الخلايا الأديمية الظاهرية في الكيسة الأريمية، ويمكنهما أيضًا إنتاج سلالات شبيهة بطبقة الخلايا الأديمية الظاهرية الغذائية والأرومة التحتية. في المقابل، قام ليو وزملاؤه بإعادة برمجة خلايا جلدية بالغة تُسمى بالأرومات الليفيّة لِتُشكِّل مجموعة خلوية مُختلَطة احتوت على خلايا ذات خصائص تعبير جيني مشابهة لتلك التي تتميز بها خلايا الأديم الظاهر والطبقة الأديمية الظاهرية الغذائية والأرومة التحتية. وكما هو الحال في بروتوكولات إنتاج أشباه الكيسات الأريمية الخاصة بالفئران، تضمّنَت كلتا المقارَبتين استنبات الخلايا في أطباق استزراع ثلاثية الأبعاد، تُسمى بأطباق أجريويل، ومعالَجتها في وسط نمو سائل، يحتوي على عوامل كيميائية لضبط نشاط التأشير الضروري لنمو الكيسة الأريمية (انظر الشكل 1). كما عالج يو وزملاؤه الخلايا باستخدام نوعين مختلفين من أوساط الاستزراع على التوالي، من أجل تحفيز تمايز الخلايا إلى سلالتين ممثِّلتين للطبقة الأديمية الظاهرية الغذائية والأرومة التحتية.

الشكل 1. إنتاج أشباه الكيسات الأريمية البشرية. الكيسات الأريمية هي بِنًى تتشكل في مراحل مبكرة من نمو الثدييات، وتتكون من ثلاثة أنماط من الخلايا، تكوِّن لاحقًا الجنين، والمشيمة، ونسيجًا داعمًا يُسمى الكيس المُحّي. وقد أفاد فريقان بحثيان بالتوصُل إلى مقاربات لإنتاج أشباه كيسات أريمية بشرية، تحاكي بدقة عمل الكيسات الأريمية.أ. استخدمَ ليكيان يو وزملاؤه خلايا جذعية متعددة القدرات (hPSCs)، يمكنها إنتاج سلالات خلوية من كل الأنماط الخلوية في الكيسة الأريمية. وكانت هذه الخلايا الجذعية إما معزولةً من كيسات أريمية بشرية أو مُنتَجةً من خلايا جذعية بالغة أُعيدت برمجتها. وقد وضع مؤلفو الدراسة الخلايا الجذعية متعددة القدرات في أطباق استزراع نماذج ثلاثية الأبعاد تُسمى بأطباق أجريويل، واستخدموا عملية استزراع من خطوتين ليُطلِقوا تشكُّل أشباه كيسات أريمية بشرية.ب. في المقابل، أعاد شياودونج ليو وزملاؤه برمجة خلايا بشرية بالغة لتشكِّل أنماطًا خلوية تتميز بخصائص تعبير جيني تناسب الأنماط الخلوية الثلاثة الموجودة في الكيسات الأريمية ( تمّ أيضًا استحداث خلايا مجهولة النمط، مُشار إليها بألوان مختلفة). واستخدموا عملية استزراع ثلاثية الأبعاد من خطوة واحدة لتوليد أشباه الكيسات الأريمية. (احتوت أشباه الكيسات الأريمية في كلا البروتوكولين على بعض الخلايا مجهولة النمط، غير موضحة هنا).

الشكل 1. إنتاج أشباه الكيسات الأريمية البشرية. الكيسات الأريمية هي بِنًى تتشكل في مراحل مبكرة من نمو الثدييات، وتتكون من ثلاثة أنماط من الخلايا، تكوِّن لاحقًا الجنين، والمشيمة، ونسيجًا داعمًا يُسمى الكيس المُحّي. وقد أفاد فريقان بحثيان بالتوصُل إلى مقاربات لإنتاج أشباه كيسات أريمية بشرية، تحاكي بدقة عمل الكيسات الأريمية.أ. استخدمَ ليكيان يو وزملاؤه خلايا جذعية متعددة القدرات (hPSCs)، يمكنها إنتاج سلالات خلوية من كل الأنماط الخلوية في الكيسة الأريمية. وكانت هذه الخلايا الجذعية إما معزولةً من كيسات أريمية بشرية أو مُنتَجةً من خلايا جذعية بالغة أُعيدت برمجتها. وقد وضع مؤلفو الدراسة الخلايا الجذعية متعددة القدرات في أطباق استزراع نماذج ثلاثية الأبعاد تُسمى بأطباق أجريويل، واستخدموا عملية استزراع من خطوتين ليُطلِقوا تشكُّل أشباه كيسات أريمية بشرية.ب. في المقابل، أعاد شياودونج ليو وزملاؤه برمجة خلايا بشرية بالغة لتشكِّل أنماطًا خلوية تتميز بخصائص تعبير جيني تناسب الأنماط الخلوية الثلاثة الموجودة في الكيسات الأريمية ( تمّ أيضًا استحداث خلايا مجهولة النمط، مُشار إليها بألوان مختلفة). واستخدموا عملية استزراع ثلاثية الأبعاد من خطوة واحدة لتوليد أشباه الكيسات الأريمية. (احتوت أشباه الكيسات الأريمية في كلا البروتوكولين على بعض الخلايا مجهولة النمط، غير موضحة هنا).

كبر الصورة

واكتشف كلا الفريقين البحثيين ظهور أشباه كيسات أريمية بعد فترة تتراوح من ستة إلى ثمانية أيام من الاستزراع، وأنها تشكلت بكفاءة بلغت تقريبًا 20%، أي بكفاءة مضاهية لها في بروتوكولات إنتاج أشباه الكيسات الأريمية في الفئران. وكانت أشباه الكيسات الأريمية البشرية الناتجة مماثلةً من حيث الحجم والشكل للكيسات الأريمية الطبيعية، وتحمل العدد الإجمالي نفسه من الخلايا. كما احتوَت على تجويفٍ ومجموعة خلوية شبيهة بالكتلة الخلوية الداخلية.

وأظهر التوصيف التفصيلي لأشباه الكيسات الأريمية هذه (بما في ذلك تحليل التعبير الجيني على نطاق جينوماتها، ومقارنة بياناتها مع بيانات الأجنة البشرية) أن سلالاتها الخلوية تشترك في بعض السمات الجزيئية مع الكيسات الأريمية في مرحلة ما قبل الانغراس. وكان التنظيم المكاني لهذه السلالات الخلوية المنتمية للأديم الظاهر، وطبقة الخلايا الأديمية الظاهرية الغذائية، والأرومة التحتية، مماثلًا لذاك الموجود في الأجنة البشرية قبل الانغراس. كما أظهرت هذه المجموعات الخلوية امتلاك أشباه الكيسات الأريمية لسماتٍ رئيسية من سمات السلالات الخلوية بالكيسة الأريمية، إذ أمكن استخدام السلالات المعزولة من أشباه الكيسات الأريمية في توليد أنماط متنوعة من الخلايا الجذعية. وقد بيّنَ يو وزملاؤه أنّ هذه الخلايا الجذعية عند استزراعها في كيسات أريمية بالفئران، تتمكّن من إنتاج خلايا قادرة على الاندماج مع خلايا من سلالات مناظرة لها في أجنة الفئران.

قام الباحثون بعد ذلك بتحليل نمو أشباه الكيسات الأريمية باستخدام اختبارٍ ثابتٍ يُحاكي عملية الانغراس في الرحم في أطباق استزراع. وكما هو الحال مع الكيسات الأريمية، عند استزراع أشباه الكيسات الأريمية تلك في هذا الاختبار لمدة تتراوح من أربعة إلى خمسة أيام بطبق استزراع، التصق بعضها بطبق الاستزراع وواصلَ النمو. وفي جزء من أشباه الكيسات الأريمية التي علِقت بطبق الاستزراع، أعادت السلالة الخلوية الممثِّلة للأديم الظاهر تنظيم نفسها لتشكِّل بنية تحتوي تجويفًا مركزيًا، يُذَكِّر بالتجويف قبل السلوي، الذي يتشكّل في الأديم الظاهر بالكيسات الأريمية بعد الانغراس. وقد انتشرَت السلالة الخلوية المنتمية للطبقة الأديمية الظاهرية الغذائية، في بعض أشباه الكيسات الأريمية، وأظهرت علامات تمايزٍ إلى أنماط خلوية مشيمية متخصّصة. كما لاحظ يو وزملاؤه في بعض أشباه الكيسات الأريمية تجويفًا ثانيًا في سلالة الخلايا المنتمية للأرومة التحتية، يشبه تجويف الكيس المُحِّي.

وإجمالًا، تظهر بيانات الفريقين البحثيين أنّ أشباه الكيسات الأريمية البشرية تُعد واعدة لنمذجة نمو الكيسات الأريمية مخبريًا قبل الانغراس، وفي المراحل المبكرة بعده. مع ذلك، ثمة عقبات ملحوظة يجب التغلُّب عليها. على سبيل المثال، لا يزال نمو أشباه الكيسات الأريمية يتسم بضعف الكفاءة، وهو يتفاوت في الخطوط الخلوية باختلاف المتبرعين، وفي المجموعات التجريبية المختلفة. كما يبدو أنّ السلالات الخلوية الثلاث تتطوّر بمعدلات مختلفة في أشباه الكيسات الأريمية، التي بدا أنها تنمو على نحو غير متزامن في طبق الاستزراع نفسه. وما زال التنظيم المكاني للسلالة الخلوية المنتمية للأرومة التحتية في أشباه الكيسات الأريمية بحاجة لتحسينه. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي أشباه الكيسات الأريمية على مجموعات خلوية مجهولة، ليس لها نظائر في الكيسات الأريمية البشرية الطبيعية.

تكمن عقبة أخرى في أنّ نمو أشباه الكيسات الأريمية البشرية ينحصر في مراحل ما بعد الانغراس، على العكس منه في أشباه الكيسات الأريمية الخاصة بالفئران. فضلًا عن ذلك، ستكون هناك حاجة إلى تنقيح ظروف الاستزراع والتجارب من أجل تحسين استزراع أشباه الكيسات الأريمية البشرية مخبريًا في مرحلة ما بعد الانغراس، بحيث يمتد لما يُعادل 14 يومًا في الجسم الحي. إذ تمنع قواعد أخلاقية صارمة استزراع الأجنة البشرية بعد هذه المرحلة، التي تكون بعدها البِنى الناتجة عن عملية تكوُّن المعيدة قد بدأت في الظهور. ومن شأن المنظومات المستخدمة في استزراع نماذج الكيسات الأريمية ثلاثية الأبعاد، التي تحفِّز بكفاءة النمو بعد الانغراس أن تحسّن قدرتنا على تحسين استنبات أشباه كيسات أريمية تصل إلى هذه المرحلة، وذلك عبر الحفاظ على البنى الطبيعية ثلاثية الأبعاد للأنسجة، وعلى العلاقات المكانية بين السلالات الخلوية المختلفة في أشباه الكيسات الأريمية.

وتُعد أشباه الكيسات الأريمية البشرية أول نماذج جنينية بشرية يتم الحصول عليها من خلايا مستزرعة مختبريًا، وهي تتمتع بكل السلالات الخلوية التأسيسية في الجنين، وأنسجته الداعمة. ومع تحسّن بروتوكولات استزراعها، ستصبح أكثر قدرةً على محاكاة الكيسات الأريمية البشرية بدقة أكبر. وهذا سيؤدي بلا أدنى شك إلى مواجهة بعض التساؤلات في مجال أخلاقيات علم الأحياء. على سبيل المثال، ماذا سيكون الموقف الأخلاقي من استزراع أشباه الكيسات الأريمية، وكيف سيتم تنظيم استزراعها؟ وهل يجب العمل بقاعدة الأربعة عشر يومًا في هذه الحالة؟ تجب الإجابة عن هذه الأسئلة قبل أن تمضي الأبحاث على أشباه الكيسات الأريمية بالحذر اللازم. ويُتوقع أن يرى كثيرون أن دراسة أشباه الكيسات الأريمية البشرية تفرض إشكاليات أخلاقية أقل من تلك التي تفرضها دراسة الكيسات الأريمية البشرية. غير أن البعض الآخر قد يرى في أشباه الكيسات الأريمية البشرية طريقًا نحو هندسة الأجنة البشرية. من هنا، تستدعي مواصلة تطوير النماذج الجنينية البشرية – بما فيها أشباه الكيسات الأريمية البشرية – المزيد من النقاش العام حول الأهمية العلمية لبحوث كهذه، والقضايا الاجتماعية والأخلاقية التي تثيرها.

References

  1. Fu, J., Warmflash, A. & Lutolf, M. P. Nature Mater. 20, 132–144 (2021). | article
  2. Yu, L. et al. Nature 591, 620–626 (2021). | article
  3. Liu, X. et al. Nature 591, 627–632 (2021). | article
  4. Rivron, N. C. et al. Nature 557, 106–111 (2018). | article
  5. Sozen, B. et al. Nature Cell Biol. 20, 979–989 (2018). | article
  6. Li, R. et al. Cell 179, 687–702 (2019). | article
  7. Warmflash, A., Sorre, B., Etoc, F., Siggia, E. D. & Brivanlou, A. H. Nature Methods 11, 847–854 (2014). | article
  8. Zheng, Y. et al. Nature 573, 421–425 (2019). | article
  9. Moris, N. et al. Nature 582, 410–415 (2020). | article
  10. Xiang, L. et al. Nature 577, 537–542 (2020). | article

يي جينج وجيانبينج فو: هما باحثان في كلية الهندسة الميكانيكية من جامعة ميشيجن، آن آربور، ميشيجن 48109 USA. ويعمل جيانبينج فو أيضًا في قسمي الهندسة الحيوية الطبية، وعلم الأحياء التطوري والخلوي في الجامعة ذاتها.