قدرة الخلايا على التكاثر

في الخلايا الجرثومية الأولية للفئران ، تتضمن إعادة برمجة الجينوم بأكملها، المؤدية إلى القدرة على التمايز إلى أي نوع من الخلايا، محو البصمات فوق الجينية . وتُسهّل هذه العملية إزالة مثيلة الحمض النووي النشطة ، والتي تشمل مسار إصلاح استئصال قاعدة الحمض النووي الإنزيمي. ^{[ 12 ]} يتضمن هذا المسار محو مثيلة CpG (5mC) في الخلايا الجرثومية الأولية عبر التحويل الأولي لـ 5mC إلى 5-هيدروكسي ميثيل سيتوزين (5hmC)، وهو تفاعل مدفوع بمستويات عالية من إنزيمات ثنائي أوكسيجيناز عشرة-أحد عشر، TET-1 و TET-2 . ^{[ 13 ]}

الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات، والتي تُختصر عادةً بخلايا iPS أو iPSCs، هي نوع من الخلايا الجذعية متعددة القدرات تُستخلص اصطناعياً من خلية غير متعددة القدرات، عادةً ما تكون خلية جسدية بالغة ، عن طريق تحفيز التعبير "القسري" لبعض الجينات وعوامل النسخ . ^{[ 16 ]} تلعب عوامل النسخ هذه دوراً رئيسياً في تحديد حالة هذه الخلايا، كما تُبرز حقيقة أن هذه الخلايا الجسدية تحتفظ بنفس المعلومات الوراثية للخلايا الجنينية المبكرة. ^{[ 17 ]} وقد طُوّرت القدرة على تحفيز الخلايا إلى حالة متعددة القدرات لأول مرة في عام 2006 باستخدام خلايا ليفية من الفئران وأربعة عوامل نسخ، هي Oct4 و Sox2 و Klf4 وc- Myc ؛ ^{[ 18 ]} هذه التقنية، التي تُسمى إعادة البرمجة ، حاز بفضلها شينيا ياماناكا وجون جوردون لاحقاً على جائزة نوبل في الطب أو علم وظائف الأعضاء. ^{[ 19 ]} تبع ذلك في عام 2007 نجاح استحداث الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات البشرية (iPSCs) المشتقة من الخلايا الليفية الجلدية البشرية باستخدام طرق مشابهة لتلك المستخدمة في استحداث خلايا الفئران. ^{[ 20 ]} تُظهر هذه الخلايا المستحثة سمات مشابهة لتلك الخاصة بالخلايا الجذعية الجنينية (ESCs)، ولكنها لا تتطلب استخدام الأجنة. تشمل بعض أوجه التشابه بين الخلايا الجذعية الجنينية والخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات: القدرة على التمايز إلى أنواع مختلفة من الخلايا، والشكل ، والقدرة على التجديد الذاتي (وهي سمة تعني قدرتها على الانقسام والتكاثر إلى ما لا نهاية)، والتعبير الجيني . ^{[ 21 ]}

يُعتقد أيضًا أن العوامل فوق الجينية تُشارك في إعادة برمجة الخلايا الجسدية لتحفيز قدرتها على التمايز إلى أنواع متعددة من الخلايا. وقد طُرحت نظرية مفادها أن بعض هذه العوامل قد تعمل على إزالة العلامات فوق الجينية الجسدية الأصلية لاكتساب علامات جديدة تُساهم في الوصول إلى حالة التمايز. كما يُعاد تنظيم الكروماتين في الخلايا الجذعية المُستحثة متعددة القدرات (iPSCs) ليُصبح مشابهًا للكروماتين الموجود في الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs)، حيث يكون أقل تكثفًا وبالتالي أكثر سهولة في الوصول إليه. وتُعد تعديلات الكروماتين الحقيقي شائعة أيضًا، وهو ما يتوافق مع حالة الكروماتين الحقيقي الموجودة في الخلايا الجذعية الجنينية. ^{[ 21 ]}

نظراً لتشابهها الكبير مع الخلايا الجذعية الجنينية، فإن الأوساط الطبية والبحثية مهتمة بالخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات (iPSCs). إذ يُحتمل أن يكون للخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات نفس الآثار والتطبيقات العلاجية للخلايا الجذعية الجنينية، ولكن دون استخدام الأجنة في هذه العملية، وهو موضوع مثير للجدل في مجال الأخلاقيات الحيوية. وقد اعتُبرت القدرة على التمايز إلى خلايا جذعية محفزة متعددة القدرات غير متمايزة بمثابة نهاية لاستخدام الخلايا الجذعية الجنينية المثير للجدل . ومع ذلك، وُجد أن الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات قد تُسبب الأورام ، وعلى الرغم من التقدم المحرز، ^{[ 16 ]} لم تتم الموافقة عليها للاستخدام في الأبحاث السريرية في الولايات المتحدة حتى وقت قريب. حالياً، تُستخدم الخلايا السلفية الدوبامينية المشتقة من الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات الذاتية في تجارب علاج مرض باركنسون. ^{[ 22 ]} كما وُوجهت عقبات أخرى، مثل انخفاض معدلات التكاثر والشيخوخة المبكرة، عند إنتاج الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات، ^{[ 23 ]} مما يعيق استخدامها كبديل للخلايا الجذعية الجنينية.

يمكن للتعبير الجسدي لعوامل النسخ المُجتمعة أن يحفز مباشرةً مصائر خلوية جسدية أخرى مُحددة ( التحول الخلوي )؛ وقد حدد الباحثون ثلاثة عوامل نسخ خاصة بالسلالة العصبية قادرة على تحويل خلايا الأرومة الليفية للفئران (خلايا النسيج الضام) مباشرةً إلى خلايا عصبية وظيفية بالكامل . ^{[ 24 ]} تُشكك هذه النتيجة في الطبيعة النهائية للتمايز الخلوي وسلامة الالتزام بالسلالة؛ وتُشير إلى أنه باستخدام الأدوات المناسبة، فإن جميع الخلايا قادرة على التمايز إلى أي نوع من الخلايا ويمكنها تكوين جميع أنواع الأنسجة.

تشمل بعض الاستخدامات الطبية والعلاجية المحتملة للخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات (iPSCs) المستخلصة من المرضى استخدامها في عمليات زرع الخلايا والأنسجة دون خطر الرفض الشائع. ويمكن لهذه الخلايا أن تحل محل النماذج الحيوانية غير المناسبة، بالإضافة إلى النماذج المختبرية المستخدمة في أبحاث الأمراض. ^{[ 25 ]}

اختبارات تكوين الأورام المسخية

مع استمرار توسع نطاق البحث والتطبيق للخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) والخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات (iPSCs) في نماذج الطب التجديدي، تبرز الحاجة إلى فحوصات جودة الخلايا المختبرة. يُعد اختبار تكوين الورم المسخي إجراءً مقبولاً على نطاق واسع، وهو فعال مع كل من الخلايا الجذعية الجنينية والخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات في الثدييات. ^{[ 26 ]} الورم المسخي هو ورم حميد (عادةً) يتميز بقدرته على تكوين الطبقات الجرثومية الثلاث: الأديم الظاهر (الأعصاب، والظهارة)، والأديم المتوسط ​​(العضلات، والعظام، والغضاريف)، والأديم الباطن (الأمعاء). ^{[ 26 ]}

يُجرى اختبار تكوين الورم المسخي عن طريق حقن خلايا اختبارية يُتوقع أن تكون خلايا متعددة القدرات في أنسجة مختلفة. تشمل بعض هذه الأنسجة، على سبيل المثال لا الحصر: كبسولة الكلية، والمنطقة داخل الخصية، والمنطقة العضلية في فئران تعاني من نقص المناعة. ^{[ 26 ] [ 27 ]} تتميز القدرة المحددة على التمايز بقدرة الخلية الاختبارية على تكوين ورم مسخي قادر على إنتاج الطبقات الجرثومية الثلاث المتميزة.

على الرغم من أن اختبار تكوين الورم المسخي يُعتبر المعيار الذهبي بين الباحثين، إلا أن العديد من المشكلات قد ظهرت في هذا الاختبار. ^{[ 26 ]} ومن أبرز هذه المشكلات عدم وجود معايير موحدة فيما يتعلق بالتفاصيل والعوامل المؤثرة في تكوين الورم المسخي. وتشمل المجالات التي تستدعي التوحيد القياسي مواقع الزرع ، وعمر الكائن الحي المستخدم في الاختبار (عادةً الفئران)، وعدد الخلايا المحقونة فيه. كما أن هذه الاختبارات مكلفة وتتطلب جهدًا تشغيليًا كبيرًا، بالإضافة إلى المخاوف الأخلاقية المتعلقة باستخدام الكائنات الحية في الاختبار. ^{[ 26 ]}

من المشكلات الأخرى لهذا النوع من الاختبارات احتمال حدوث أخطاء في قراءة النتائج النسيجية. فالخلايا التي لم تتم إعادة برمجتها بالكامل إلى خلايا جذعية مستحثة متعددة القدرات (iPSCs) والتي تُشكّل كتلًا خلوية ملحوظة، تشبه في خصائصها الأورام المسخية، قد تُصنّف على أنها متعددة القدرات رغم افتقارها إلى الطبقات الجرثومية الثلاث. كما لوحظت الحاجة إلى تتبع سلالات الخلايا وتمييز الخلايا المضيفة عن الخلايا المانحة. قد تُحفّز بعض مواد تحضير الخلايا استجابة التهابية أو استجابة مناعية ضد مستضد غريب . وقد تُسهم هذه الاستجابات في تحديد تمايز الخلايا المختبرة بشكل خاطئ. ^{[ 26 ]}

أدت النتائج المتعلقة بالخلايا الظهارية قبل وبعد الانغراس إلى اقتراح تصنيف القدرة على التمايز إلى حالتين: "الخلايا الساذجة" و"الخلايا المُهيأة"، واللتان تمثلان حالتي الخلايا الظهارية قبل وبعد الانغراس على التوالي. ^{[ 28 ]} ويتم التحكم في التدرج من الخلايا الساذجة إلى الخلايا المُهيأة عن طريق تقليل ازدواج Sox2/Oct4 على عناصر الحمض النووي SoxOct التي تتحكم في القدرة الساذجة على التمايز. ^{[ 29 ]} ويمكن إعادة ضبط الخلايا الجذعية متعددة القدرات المُهيأة من أنواع مختلفة إلى حالتها الساذجة باستخدام مزيج يحتوي على Klf4 وSox2 أو "super-Sox" - وهو عامل نسخ هجين ذو قدرة مُعززة على الازدواج مع Oct4. ^{[ 29 ]}

تُستخلص الخلايا الجذعية الأساسية الشائعة الاستخدام في العلوم، والتي تُعرف بالخلايا الجذعية الجنينية، من الأديم الظاهر قبل انغراس البويضة المخصبة. هذا الأديم الظاهر قادر على تكوين الجنين بأكمله، ويمكن لخلية واحدة منه أن تُساهم في جميع سلالات الخلايا إذا حُقنت في كيسة أريمية أخرى. من ناحية أخرى، يمكن ملاحظة عدة اختلافات ملحوظة بين الأديم الظاهر قبل وبعد انغراس البويضة المخصبة، مثل اختلاف الشكل، حيث يتغير شكل الأديم الظاهر بعد الانغراس إلى شكل يشبه الكأس يُسمى "أسطوانة البويضة"، بالإضافة إلى التغيرات الكروموسومية التي تحدث عندما يتعرض أحد كروموسومات X لتعطيل عشوائي في المرحلة المبكرة من أسطوانة البويضة، وهو ما يُعرف بتعطيل كروموسوم X. ^{[ 30 ]} خلال هذا التطور، تستهدف عوامل نمو الخلايا الليفية ، وإشارات Wnt ، وعوامل تحفيزية أخرى خلايا الأديم الظاهر للأسطوانة البيضية بشكل منهجي عبر كيس المح المحيط ونسيج الأرومة المغذية، ^{[ 31 ]} بحيث تصبح محددة بشكل توجيهي وفقًا للتنظيم المكاني. ^{[ 32 ]}

يتمثل أحد الاختلافات الرئيسية الأخرى في أن الخلايا الجذعية للأديم الظاهر بعد الانغراس غير قادرة على المساهمة في تكوين الكيسة الأريمية الخيمرية ، ^{[ 33 ]} مما يميزها عن أنواع الخلايا الجذعية متعددة القدرات الأخرى المعروفة. تُعرف سلالات الخلايا المشتقة من الأديم الظاهر بعد الانغراس باسم الخلايا الجذعية المشتقة من الأديم الظاهر ، والتي تم اشتقاقها لأول مرة في المختبر عام 2007. تُشتق كل من الخلايا الجذعية الجنينية والخلايا الجذعية للأديم الظاهر من الأديم الظاهر، ولكن في مراحل نمو مختلفة. تبقى القدرة على التمايز إلى أنواع مختلفة من الخلايا سليمة في الأديم الظاهر بعد الانغراس، كما يتضح من التعبير المحفوظ عن جينات Nanog و Fut4 و Oct-4 في الخلايا الجذعية للأديم الظاهر، ^{[ 34 ]} حتى مرحلة تكوين القطع الجسدية ، ويمكن عكس هذا التعبير في منتصف هذه المرحلة من خلال تحفيز التعبير عن جين Oct-4 . ^{[ 35 ]}

لوحظت القدرة على التمايز إلى أنواع متعددة من الخلايا في زراعة أنسجة المرستيم الجذري ، لا سيما من قبل كريم وآخرون (2015)، وكيم وآخرون (2018)، وروسبوبوف وآخرون (2017). وتُنظَّم هذه القدرة بواسطة منظمات مختلفة، بما في ذلك PLETHORA 1 و PLETHORA 2 ؛ و PLETHORA 3 و PLETHORA 5 و PLETHORA 7 ، والتي وجد كريم أن تعبيرها يُحفَّز بواسطة الأوكسين . (تُعرف هذه أيضًا باسم PLT1 وPLT2 وPLT3 وPLT5 وPLT7، ويتم التعبير عنها بواسطة جينات تحمل نفس الأسماء). ( حتى عام 2019 )ومن المتوقع أن يفتح هذا المجال أمام أبحاث مستقبلية حول القدرة على التمايز إلى أنواع متعددة من الخلايا في أنسجة الجذور. ^{[ 36 ]}

يعتمد الحفاظ على حالة التعددية الخلوية على شبكة متوازنة بدقة من عوامل النسخ، ومسارات الإشارات، والمنظمات فوق الجينية التي تعمل معًا للحفاظ على قدرة الخلية على التجديد الذاتي غير المحدود وإمكانية تمايزها إلى جميع أنواع الخلايا. تشكل عوامل النسخ الأساسية مثل OCT4 وSOX2 وNANOG الدائرة التنظيمية المركزية التي تدعم التعددية الخلوية عن طريق تنشيط الجينات الضرورية للتجديد الذاتي مع كبح إشارات التمايز. ^{[ 37 ]}