محققان با ارگانوئیدهای مغز درمان شخصی می کنند

مغز در سن پنج سالگی در پشت مطالعات نوآورانه برای درمان معلولیت بیماریهای ژنتیکی در کودکان قرار دارد. دنیس کالن به بررسی حد پزشکی شخصی می پردازد. این مقاله در ابتدا در مجله Cosmos Print ، سپتامبر 2024 منتشر شد.

درب انکوباتور را در یک آزمایشگاه قفل شده در طبقه چهارم انستیتوی مهندسی مهندسی و فناوری نانو در دانشگاه کوئینزلند (AIBN) باز کنید و صدها مغز کوچک متعلق به یک دختر پنج ساله به نام Talula Moon پیدا خواهید کرد.

در ردیف هایی از ظروف پتری واقع شده و به محلول حاوی نمک ، قندها ، ویتامین ها و فاکتورهای رشد وصل شده است ، هر یک از آنها تقریباً اندازه دانه کوسکوس خام است.

اگرچه آنها کوچک هستند ، اما می خوابند و می خوابند ، رشد می کنند و تغییر می کنند ، اتصالات سیناپسی جدیدی را ایجاد می کنند و قدیمی ها را اصلاح می کنند و همان امواج آلفا ، بتا و گاما را مانند هر فرد زنده نشان می دهند ، اگر آنها را به سوء استفاده الکتریکی (EEG) وصل کنید.

اگرچه محققان آنها را به عنوان “مینی مغز” مکالمه می نامند ، اما همکار ارشد تحقیقاتی AIBN ، هانا لسون ، اعتراف می کند که این کمی اشتباه است.

او می گوید: “این ارگانوئیدهای قشر مغز هستند ، آنها مغز میانی یا خلفی ندارند و هیچ مغز وجود ندارد.”

به درستی ، آنها ارگانوئیدهای مغز هستند – مینیاتوری ، قسمتهای ساده از مغز قشر مغز که توسط سلولهای بنیادی در شرایط آزمایشگاهی رشد می کنند.

آنها می توانند ساختار و عملکرد یک مغز واقعی را تقلید کنند ، اما در مقیاس بسیار کوچکتر.

به مدت پنج سال ، لیسون در تلاش است تا با نظارت بر فعالیت الکتریکی وی ، اسرار موجود در آنها را حل کند.

آنها با کمک سلولهای پوستی از تالل ایجاد شدند ، سپس سه سال پس از تشخیص بیماری ژنتیکی نادر به نام پاراپلژی ارثی اسپاناپلژی نوع 56 (SPG56).

وضعیت دژنراتیو باعث ضعف و اسپاسم تدریجی (سفتی) اندام تحتانی می شود و به دلیل جهش تنها در یکی از 30،000 ژن ژن – ژن CYP2U1 رخ می دهد.

SPG56 معمولاً به روشی مغلوب اتوزومال به ارث می رسد ، به این معنی که تالولا دو نسخه از ژن جهش یافته را به ارث برده است ، یکی از والدینش برای تجلی این بیماری. برادر بزرگتر او کاملاً سالم است.

کابوس برای کریس و گلدن ویترود ، والدین تالولا ، در سال 2020 با 14 ماهگی آغاز شد.

طی چند ماه ، کودک نو پا روشن به خزیدن بازگشت و اندکی پس از آن تالولا دیگر نتوانست صحبت کند یا حتی سر خود را بلند کند.

گلدن در وب سایت وب سایت قمار ما می گوید: “هنگامی که او شروع به خفه کردن با غذا و نوشیدنی کرد ، ما به وضعیت ترور و توصیه های هولناک برای متخصصان مغز و اعصاب ، آزمایش خون ، MRI و مطالعات هدایت عصبی نمی توانند به سرعت به سرعت بیایند.”

پس از ماهها مطالعات پزشکی ، کل توالی ژنوم (WGS) هر ژن را در بدن تالولا نقشه می کند و جهش را که باعث بیماری می شود ، مشخص می کند.

خبر ویرانگر این بود که هیچ درمانی و درمانی وجود ندارد.

در آگوست سال 2021 ، خانواده ماه بنیادی خیریه به نام ژنتیک درمانی برای بچه ها ایجاد کردند که اولین مأموریت وی برای یافتن درمانی برای SPG56 بود.

کریس و گلدن در سال 2021 با محققان AIBN ملاقات کردند تا مسیر را به جلو بارگیری کنند.

Aibn Ernst Walvetang ، رهبر ارشد گروه ، می گوید ، مدلهای حیوانات بعید به نظر می رسد.

وی توضیح می دهد: “مدل موش (از این بیماری) به اندازه لری خوشحال بود ، فقط قدم می زد ، کار خود را انجام می داد ، حتی اگر او فاقد همان ژن آن دسته از کودکانی بود که در صندلی های چرخدار به پایان رسیدند و به شدت بیمار شدند.”

“برای بیماری های مؤثر بر مغز ، مدل های موش به سادگی این بیماری را به طور موثری بازپرداخت نمی کنند.”

سپس توجه محققان به بررسی چگونگی جهش باعث اثرات آن و چگونگی بهبود ژن درمانی آنها شد.

رویکرد ژن درمانی

لیسون با نمونه ای از سلولهای پوستی از تالولا با سکته مغزی ساده شروع به کار کرد.

سپس از فرآیند انقلاب به نام سلولهای بنیادی مکانی ناشی از برنامه (IPSC) استفاده می کند تا این سلول ها را به حالت مکانی بازگرداند. در این حالت ، آنها پتانسیل توسعه در هر نوع سلول در بدن ، از جمله مغز را داشتند.

او همان نمونه ها را برای والدین تالولا که به عنوان کنترل استفاده می شد ، گرفت. لیسون تخمین می زند که او حدود 800 ارگانوئید مغز هر یک از Talula ، Chris و Golden ایجاد کرده است. در حین نوشتن ، لیسون در حال ایجاد صدها نفر دیگر بود.

سپس ، با مشاهده و مقایسه ارگانوئیدهای مغز از طریق تجزیه و تحلیل های چندتایی (که داده های ژنومیک ، رونوشت ، اپی ژنتیک و پروتئومیک را ترکیب می کند) و با اندازه گیری فعالیت نورون از طریق یک توده چند الکتریکی ، به دنبال شناسایی چیزی است که برای این بیماری وجود دارد.

لیسون توضیح می دهد: “من به دنبال اختلافاتی بودم که مخصوص بیمار باشد ، زیرا اگر در جایی تفاوت مشاهده کنید ، پس از آن چیزی دارید که می توانید هنگام جستجوی معالجه اندازه گیری کنید.”
ژن جهش یافته CYP2U تالولا پدیدار شده است که یک گلوکز متابولیزه متفاوت است. لیسون همچنین تغییرات در سطح اسیدهای چرب را مشاهده می کند ، که برای عملکرد سالم مغز بسیار مهم هستند.

وی توضیح می دهد: “شما معمولاً مولکول های شکر خود را دریافت می کنید و سپس در چرخه اسید سیتریک تغذیه می کنید و آدنوزین تری فسفات (ATP) خود را تهیه می کنید.” ATP یک مولکول تعیین کننده در متابولیسم سلولی است که به عنوان یک تأمین کننده اصلی انرژی عمل می کند. “به نظر نمی رسد که این سلول ها از همان مکانیسم پیروی کنند.”

دو سال طول کشید تا این قطعات از پازل موزائیک در جای خود قرار بگیرند – اما بسیاری از ناشناخته ها باقی مانده اند.

“ما دقیقاً درک نکرده ایم که چگونه CYP2U1 این فرایندها را کنترل می کند یا اینکه چرا باعث ایجاد پاراپلژی اسپاستیک می شود.

چند بار نادر است؟

SPG56 تنها یکی از حدود 7000 بیماری نادر است که دارای اختلال در زندگی یا معلولیت مزمن است که درصد کمی از جمعیت را تحت تأثیر قرار می دهد.

براساس اعلام وزارت بهداشت و مراقبت از افراد مسن ، در استرالیا ، این بیماری در صورتی که کمتر از 5 در 10،000 نفر را تحت تأثیر قرار دهد ، نادر تلقی می شود.

علاوه بر SPG56 ، اشکال دیگری از پاراپلژی اسپاستیک ارثی وجود دارد. با هم ، آنها هنوز هم بسیار نادر هستند که برای هر 100000 نفر در سراسر جهان فقط 0.1-9.6 مورد وجود دارد و اکثریت آنها کودک هستند.

مانند سایر بیماریهای نادر ، تشخیص صحیح می تواند زمان ببرد ، زیرا این شرایط پیچیده است ، پزشکان اغلب آنها را به اندازه کافی نمی بینند و قبل از شناسایی جهش به توالی ژنوم نیاز دارند.

در این میان ، در بین شرکت های بزرگ دارویی ، حداقل اشتها وجود دارد تا بودجه را در تحقیقات غرق کنند. سرمایه گذاری آنها به دلیل تعداد کمی از افرادی که از محصول توسعه یافته بهره مند می شوند ، ترمیم نمی شوند.

و حتی اگر Big Pharma مطلوب باشد ، Wolvetang نشانگر مشکلات عملی مربوط به مطالعه بیماریهای نادر است.

وی می گوید: “آزمایشات بالینی حتی امکان پذیر نیست زیرا فقط پنج کودک در استرالیا وجود دارند که این بیماری را دارند.” (Talula در واقع تنها کودک شناخته شده در استرالیا با SPG56 است.)

“کنترل بالینی با کنترل و طراحی متقاطع پلاسبو دوسوکور؟ می توانید آن را فراموش کنید.”

با این حال ، در مجموع ، تخمین زده می شود که 8 ٪ از استرالیایی ها با یک بیماری نادر زندگی می کنند ، که باعث می شود آنها به طرز شگفت آور گسترده شوند.

با توجه به اینکه چهار مورد از پنج بیماری نادر ژنتیکی هستند ، انتظار می رود که به سرعت در حال توسعه روشهای درمانی ژنتیکی نه تنها به افراد مبتلا به SPG56 ، بلکه بسیاری از بیماری های نادر دیگر نیز امیدوار باشد.

ژنتیک درمانی بر مارس مدرن به پزشکی شخصی تأکید می کند ، که بر تفاوت های فردی در ژنتیک ، محیط و سبک زندگی برای تطبیق تشخیص ، درمان و راهکارهای پیشگیرانه متمرکز است.

به همین ترتیب ، او رویکرد سنتی یک اندازه را به همه “به آزمایش های پزشکی و درمان معکوس می کند ، شاید بهترین نمونه از مسابقه برای واکسیناسیون گسترده این سیاره در برابر Covid-19 باشد.

تروجان

با تفاوت در متابولیسم و ​​فعالیت الکتریکی بین ارگانوئیدهای مغز تالولا و والدین شناسایی شده آن ، مرحله بعدی تهیه ژن عملکردی برای جایگزینی معیوب است.

والوتانگ می گوید: “مشکل این است که آزمایش این کار برای افراد بسیار دشوار است زیرا شما فقط یک شلیک در آن می گیرید.”

ژن عملکردی توسط یک ویروس وکتور عمومی ویروس مرتبط با ADO (AAV) تهیه می شود-که در آن قرار دارد و ژن های مورد نظر را جایگزین می کند.

والوتانگ می گوید: “این مانند اسب تروا است.” این امر به این دلیل است که از AAV برای “دزدیدن” کپی صحیح ژن در سلول ها استفاده می شود.

این بردار در محلول اطراف ارگانوئید مغز قرار می گیرد – معادل آزمایشگاهی از تهیه داروها از طریق مایع مغزی نخاعی.

در سال 2023 ، لایسون و دستیار دانشجویی Mojita Singh مجموعه ای از تحلیل ها را انجام دادند تا اطمینان حاصل شود که هیچ اثر سمی بر روی ارگانوئیدهای مغز وجود ندارد.

آنها به زودی خواهند فهمید که عملکرد ژن عملکردی چقدر مؤثر خواهد بود.

“ما می دانیم که این سمی نخواهد بود ، اما آیا جایگزینی این ژن در واقع مشکل را برطرف می کند؟” از لیسون می پرسد.

“آیا ما به اندازه کافی (از ژن درمانی) ارائه می دهیم؟ آیا به اندازه کافی سلولهای وارد می شویم؟”

سؤال استثنایی دیگر این است که آیا اثرات مضر SPG56 را می توان دوباره تأسیس کرد یا اینکه آیا ژن درمانی باید قبل از یک دوره توسعه بحرانی معرفی شود.

لیسون می گوید: “پنج نفر از تالولا و من ارگانوئیدهای مغز پنج ساله نداریم ، بنابراین من واقعاً نمی توانم به چنین سؤالاتی پاسخ دهم.”

“عاملی برای ناشناخته ها وجود دارد که سرانجام به مرحله قرارگیری (ژن درمانی) در تاللا می آییم ، که پیش بینی می کنیم سال آینده خواهد بود.”

فیزیوتراپی فشرده برای حفظ بخشی از عملکرد عضلات تالولا در برابر ویرانی SPG56 اعتبار دارد ، اما حتی در حال حاضر از ویلچر استفاده می کند و مشخص نیست که آیا ژن درمانی وضعیت آن را به میزان قابل توجهی تغییر خواهد داد.

لیسون امیدوار است که او این کار را انجام دهد و او در مورد Talula با یک دلبستگی ظاهری صحبت می کند.

لیسون می گوید: “او در اطراف ویلچر خود افزایش می یابد و فکر می کند مسخره است که از پشت مردم دزدکی حرکت می کند و شما را مانند یک بازی برچسب به مچ پا می اندازد.”

ورود به ناشناخته

به این امید که آنها زیاد سوار شوند ، هیچ تضمینی برای موفقیت وجود ندارد.

اگرچه از روشهای درمانی ژنتیکی برای درمان تعدادی از بیماری های مختلف استفاده شده است ، اما درمان تالولا اولین کسی است که در ارگانوئیدهای مغز آزمایش می شود – و این باعث عدم اطمینان می شود.

لیسون می گوید: “ما نمی دانیم که آیا یک ارگانوئید مغز به همان روشی که بیمار انجام می دهد واکنش نشان می دهد.”
در برابر این ملاحظات ، فرصتی فریبنده برای دیدن چگونگی تغییر درمان زندگی است.

لیسون می گوید: “تعداد زیادی از ما نمی دانیم ، اما این کار می تواند زندگی افراد را تغییر دهد – و هم هیجان انگیز و هم مهم است.”