تم ابتكار أول دماغ بشري مصغر مزود بحاجز دموي دماغي فعال

أدى بحث جديد أجراه فريق بقيادة خبراء في مستشفى سينسيناتي للأطفال إلى إنشاء أول دماغ بشري صغير في العالم يحتوي على حاجز دموي دماغي (BBB) يعمل بكامل طاقته.

ويعد هذا الاختراق الكبير، الذي نشر في مجلة Cell Stem Cell ، بتسريع فهم وتحسين العلاجات لمجموعة واسعة من أمراض الدماغ، بما في ذلك السكتة الدماغية، وأمراض الأوعية الدموية الدماغية، وسرطان الدماغ، ومرض الزهايمر ، ومرض هنتنغتون، ومرض باركنسون وغيرها من الحالات العصبية التنكسية.

قال الدكتور زيوان جو، المؤلف الرئيسي للدراسة: "إن عدم وجود نموذج بشري أصيل للحاجز الدموي الدماغي كان عقبة رئيسية في دراسة الأمراض العصبية".

يتضمن إنجازنا إنتاج عضيات حاجز الدم الدماغي البشري من خلايا جذعية بشرية متعددة القدرات، محاكيةً التطور العصبي الوعائي البشري لخلق تمثيل دقيق للحاجز في أنسجة الدماغ النامية والعاملة. يُعد هذا تقدمًا مهمًا، لأن النماذج الحيوانية التي نستخدمها حاليًا لا تعكس بدقة تطور الدماغ البشري ووظائف الحاجز الدموي الدماغي.

ما هو حاجز الدم الدماغي؟

على عكس بقية الجسم، تحتوي الأوعية الدموية في الدماغ على طبقة إضافية من الخلايا المتراصة بإحكام والتي تحد بشكل حاد من حجم الجزيئات التي يمكن أن تنتقل من مجرى الدم إلى الجهاز العصبي المركزي.

يحافظ الحاجز الدموي الدماغي السليم على صحة الدماغ بمنع دخول المواد الضارة، مع السماح للعناصر الغذائية الحيوية بالوصول إليه. ومع ذلك، يمنع هذا الحاجز نفسه أيضًا العديد من الأدوية المفيدة المحتملة من دخول الدماغ. إضافةً إلى ذلك، تحدث العديد من الاضطرابات العصبية أو تتفاقم عندما لا يتشكل الحاجز الدموي الدماغي بشكل صحيح أو يبدأ في الانهيار.

إن الاختلافات الكبيرة بين أدمغة البشر والحيوانات تعني أن العديد من الأدوية الجديدة الواعدة التي تم تطويرها باستخدام نماذج حيوانية فشلت في وقت لاحق في تلبية التوقعات عند اختبارها على البشر.

يقول جو: "من خلال الهندسة الحيوية للخلايا الجذعية، طوّرنا منصة مبتكرة قائمة على الخلايا الجذعية البشرية، تُمكّننا من دراسة الآليات المعقدة التي تُنظّم وظيفة الحاجز الدموي الدماغي واختلال وظائفه. وهذا يُتيح فرصًا غير مسبوقة لاكتشاف الأدوية والتدخلات العلاجية".

التغلب على مشكلة طويلة الأمد

تتسابق فرق البحث حول العالم لتطوير عضيات دماغية، وهي هياكل صغيرة ثلاثية الأبعاد تنمو وتُحاكي المراحل الأولى من تكوين الدماغ. وعلى عكس الخلايا المزروعة في طبق مختبري مسطح، ترتبط الخلايا العضوية ببعضها البعض. وتنظم نفسها ذاتيًا في أشكال كروية وتتواصل مع بعضها البعض، تمامًا كما تفعل الخلايا البشرية خلال التطور الجنيني.

كان مستشفى سينسيناتي للأطفال رائدًا في تطوير أنواع أخرى من الأعضاء، بما في ذلك أول عضو وظيفي في العالم للأمعاء والمعدة والمريء. ولكن حتى الآن، لم ينجح أي مركز أبحاث في إنشاء عضو دماغي يحتوي على طبقة الحاجز الخاصة الموجودة في الأوعية الدموية في الدماغ البشري.

نحن نطلق عليها اسم "BBB assembloids" (النماذج الجديدة)

أطلق فريق البحث على نموذجهم الجديد اسم "BBB assembloids". يعكس هذا الاسم الإنجاز الذي مكّن من تحقيق هذا الاختراق. تجمع هذه الـ assembleds نوعين مختلفين من العضويات: عضويات الدماغ، التي تحاكي أنسجة الدماغ البشرية، وعضويات الأوعية الدموية، التي تحاكي هياكل الأوعية الدموية.

بدأت عملية الدمج بعضويّات دماغية قطرها 3-4 ملليمترات، وأخرى أوعية دموية قطرها حوالي ملليمتر واحد. وعلى مدار شهر تقريبًا، اندمجت هذه البُنى المنفصلة في كرة واحدة قطرها يزيد قليلًا عن 4 ملليمترات (حوالي ثُمن البوصة، أو بحجم حبة سمسم تقريبًا).

وصف الصورة: عملية دمج نوعين من الأعضاء العضوية لإنشاء عضو دماغ بشري يحتوي على حاجز الدم الدماغي. حقوق الصورة: مستشفى سينسيناتي للأطفال وقسم الخلايا الجذعية.

تُعيد هذه العضيات المُتكاملة تمثيل العديد من التفاعلات العصبية الوعائية المُعقدة المُشاهدة في الدماغ البشري، ولكنها ليست نماذج كاملة للدماغ. على سبيل المثال، لا يحتوي النسيج على خلايا مناعية، وليس له أي اتصالات مع باقي الجهاز العصبي في الجسم.

حققت فرق البحث في مستشفى سينسيناتي للأطفال تقدمًا آخر في دمج وترتيب الأعضاء من أنواع مختلفة من الخلايا لإنشاء "أعضاء من الجيل التالي" أكثر تعقيدًا. وقد ساهمت هذه التطورات في إثراء أعمال جديدة في مجال إنشاء أعضاء دماغية.

ومن المهم أن نلاحظ أنه من الممكن تنمية مجموعات الحاجز الدموي الدماغي باستخدام الخلايا الجذعية البشرية الطبيعية أو الخلايا الجذعية من الأشخاص الذين يعانون من أمراض دماغية معينة، وبالتالي تعكس المتغيرات الجينية وغيرها من الحالات التي قد تؤدي إلى ضعف وظيفة حاجز الدم الدماغي.

الدليل الأولي على المفهوم

ولإثبات الفائدة المحتملة للخلايا التجميعية الجديدة، استخدم فريق البحث خطًا من الخلايا الجذعية المشتقة من المرضى لإنشاء خلايا تجميعية تعيد إنتاج السمات الرئيسية لحالة دماغية نادرة تسمى التشوه الكهفي الدماغي بدقة.

هذا الاضطراب الوراثي، الذي يتميز بانهيار حاجز الدم الدماغي، يؤدي إلى ظهور مجموعات من الأوعية الدموية غير الطبيعية في الدماغ، تشبه في مظهرها غالبًا توت العليق. ويزيد هذا الاضطراب بشكل كبير من خطر الإصابة بالسكتة الدماغية.

ويقول جو: "لقد أعاد نموذجنا تمثيل النمط الظاهري للمرض بدقة، مما يوفر رؤى جديدة في علم الأمراض الجزيئي والخلوي لأمراض الأوعية الدموية الدماغية".

التطبيقات المحتملة

يرى المؤلفون المشاركون مجموعة متنوعة من التطبيقات المحتملة لتجميعات BBB:

• فحص الأدوية الشخصي: يمكن أن تعمل مجموعات BBB المشتقة من المريض كصور رمزية لتخصيص العلاج للمرضى بناءً على ملفاتهم الجينية والجزيئية الفريدة.
• نمذجة الأمراض: بالنسبة لعدد من الاضطرابات العصبية الوعائية، بما في ذلك الحالات النادرة والمعقدة وراثيًا، لا تتوفر أنظمة نموذجية جيدة للبحث. قد يُسرّع النجاح في إنشاء مجموعات الحاجز الدموي الدماغي تطوير نماذج أنسجة الدماغ البشرية لمجموعة أوسع من الحالات.
• اكتشاف الأدوية عالية الإنتاجية: إن زيادة إنتاج الخلايا الأسمية قد يسمح بتحليل أكثر دقة وسرعة حول ما إذا كانت الأدوية المحتملة للدماغ قادرة على عبور الحاجز الدموي الدماغي بشكل فعال.
• اختبار السموم البيئية: غالبًا ما تعتمد مجموعات BBB على أنظمة النماذج الحيوانية، ويمكن أن تساعد في تقييم التأثيرات السامة للملوثات البيئية والأدوية والمركبات الكيميائية الأخرى.
• تطوير العلاج المناعي: من خلال استكشاف دور الحاجز الدموي الدماغي في الأمراض العصبية الالتهابية والتنكسية العصبية، قد تدعم التجمعات الجديدة توصيل العلاجات المناعية إلى الدماغ.
• أبحاث الهندسة الحيوية والمواد الحيوية: يمكن لمهندسي الطب الحيوي وعلماء المواد الاستفادة من توفر نموذج BBB المختبري لاختبار المواد الحيوية الجديدة ومركبات توصيل الأدوية واستراتيجيات هندسة الأنسجة.

"بشكل عام، تمثل تجميعات BBB تقنية ثورية ذات تأثيرات واسعة النطاق على علم الأعصاب واكتشاف الأدوية والطب الشخصي"، كما يقول جو.