חשיפה מוקדמת לאותות התפתחותיים אפשרה לחוקרים לגדל מודלים פשוטים של רקמת מוח אנושית עם מאפיינים אזוריים מוגדרים. באמצעותם התגלה שיבוש בדפוסי ביטוי גנים במודל של תסמונת ה־X השביר
חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה באירווין פיתחו שיטה ליצירת אורגנואידים של קליפת המוח האנושית בעלי זהות אזורית מוגדרת. באמצעות חשיפה מבוקרת לאותות התפתחותיים הצליחו החוקרים לכוון את הרקמות הזעירות לקבל מאפיינים מולקולריים של החלק הקדמי או האחורי של קליפת המוח המתפתחת.
השיטה אינה מעניקה לרקמה ״תחושת מקום״ במובן הכרתי. האורגנואידים אינם מוחות זעירים, אין להם תפיסה מרחבית או תודעה, והם אינם משחזרים את מלוא המבנה והפעילות של מוח עוברי. הם מודלים תלת־ממדיים פשוטים של רקמת עצב, שגודלו מתאי גזע אנושיים ומחקים כמה מן השלבים המוקדמים בהתפתחות קליפת המוח.
המחקר, שפורסם בכתב העת Cell Stem Cell, מציע דרך לייצר מודלים מוחיים אחידים ומוגדרים יותר. החוקרים כבר השתמשו בשיטה כדי לבחון כיצד תסמונת ה־X השביר משפיעה על דפוסי ההתפתחות השונים לאורך הציר הקדמי–אחורי של קליפת המוח.
קליפת המוח אינה רקמה אחידה
קליפת המוח החדשה, הניאוקורטקס, היא השכבה החיצונית של המוח ואחראית בין היתר לעיבוד חושי, תנועה, שפה, זיכרון, קבלת החלטות ותפקודים חברתיים.
אבל קליפת המוח אינה יריעה אחידה. כבר במהלך ההתפתחות העוברית מתחילים להיווצר בה אזורים בעלי זהויות שונות. חלקה הקדמי מקושר, בין היתר, לתכנון, קבלת החלטות ושליטה בתנועה, ואילו אזורים אחוריים יותר משתתפים בעיבוד מידע חושי, לרבות ראייה.
תהליך יצירת האזורים הללו מכונה ארגון אזורי של קליפת המוח. הוא נשען על אותות כימיים הנוצרים בנקודות שונות ברקמה העוברית ומתפזרים ממנה בריכוזים משתנים. האותות מספקים לתאים מעין מערכת קואורדינטות ביולוגית: מיקומו של התא בתוך מפל הריכוזים משפיע על הגנים שיפעיל ועל זהותו העתידית.
המולקולות המעבירות מידע מרחבי כזה נקראות מורפוגנים. הן אינן משרטטות מפה מפורשת, אלא מפעילות מסלולים ביולוגיים שונים בהתאם לריכוזן, לתזמון החשיפה אליהן ולמצב ההתפתחותי של התא.
הבעיה באורגנואידים הרגילים
אורגנואידים מוחיים נוצרים בדרך כלל מתאי גזע פלוריפוטנטיים, המסוגלים להתמיין לסוגים רבים של תאים. בתנאי גידול מתאימים התאים מתארגנים בעצמם למבנים תלת־ממדיים הכוללים תאי אב עצביים, תאי עצב צעירים וחלק מן השכבות המאפיינות רקמת מוח מתפתחת.
המודלים האלה מאפשרים לחקור תהליכים אנושיים שקשה או בלתי אפשרי לצפות בהם ישירות במהלך ההיריון. אפשר גם ליצור אורגנואידים מתאים שנלקחו מאנשים הנושאים מוטציה מסוימת, ולהשוות את התפתחותם לזו של רקמות ללא המוטציה.
אלא שאורגנואידים רגילים של קליפת המוח אינם משחזרים היטב את החלוקה לאזורים. במקום רקמה בעלת זהות קדמית או אחורית ברורה, מתקבל לעיתים פסיפס של תאים בעלי זהויות אזוריות שונות ואקראיות. שונות זו מקשה להשוות בין ניסויים ולקבוע אם שינוי שנצפה נובע ממחלה, ממיקומו האנטומי של התא או מהבדלים מקריים בין אורגנואידים.
האותות שקבעו קדימה ואחורה
הצוות, בהובלת פרופ׳ מומוקו ווטאנאבה, חשף את האורגנואידים לאותות התפתחותיים לתקופה קצרה בשלב מוקדם של גידולם.
כדי ליצור זהות קדמית השתמשו החוקרים ב־FGF8, חלבון איתות הממלא תפקיד חשוב בעיצוב החלק הקדמי של המוח המתפתח. כדי לעודד זהות אחורית השתמשו ב־BMP4 ובחומר CHIR-99021, המפעיל את מסלול האיתות WNT.
הטיפול לא יצר העתק מלא של אזור מוח מסוים. עם זאת, הוא הוביל להבדלים יציבים בדפוסי ביטוי הגנים ובזהותם של תאי האב ותאי העצב המתפתחים. האורגנואידים הקדמיים ביטאו סמנים המזוהים יותר עם אזורים קדמיים, ואילו האורגנואידים האחוריים ביטאו סמנים התואמים אזורים אחוריים של קליפת המוח.
החוקרים ניתחו יותר מ־200 אלף תאים בודדים באמצעות ריצוף RNA של תא יחיד. הם השוו את דפוסי ביטוי הגנים באורגנואידים לנתונים מרקמת קליפת מוח אנושית טרום־לידתית, ומצאו התאמה בין הזהויות האזוריות שנוצרו במעבדה לבין כמה מן החתימות המולקולריות הנצפות בהתפתחות האנושית.
השיטה עשויה אפוא לשפר את יכולת השחזור של ניסויים באורגנואידים: במקום לקבל בכל פעם תערובת שונה של זהויות אזוריות, אפשר ליצור בנפרד מודלים קדמיים ואחוריים ולהשוות ביניהם.
מה השתנה בתסמונת ה־X השביר?
כדי להדגים את השימוש האפשרי במודל, החוקרים יצרו אורגנואידים מתאי גזע מושרים שמקורם באנשים עם תסמונת ה־X השביר.
התסמונת נגרמת בדרך כלל מהשתקה של הגן FMR1 ונחשבת לגורם התורשתי השכיח ביותר למוגבלות שכלית. היא עשויה להתבטא גם בקשיי למידה, בהפרעות קשב ובמאפיינים הקשורים להפרעת הספקטרום האוטיסטי.
החוקרים התמקדו בשני חלבונים מווסתי גנים, SOX4 ו־SOX11, המשתתפים בהתפתחות מערכת העצבים. באורגנואידים שמקורם בתורמים ללא התסמונת נמצאו הבדלים ברורים ברמותיהם בין הרקמות הקדמיות לאחוריות.
באורגנואידים ששימשו מודל לתסמונת ה־X השביר, ההבדל האזורי ברמות SOX4 ו־SOX11 נחלש במידה ניכרת. הזהות הכללית של קדימה ואחורה לא נעלמה, אך אחד ממפלי ביטוי הגנים המבדילים בין האזורים נעשה שטוח יותר.
מחקרים קודמים ברקמות מוח שנתרמו למחקר מאנשים עם אוטיזם דיווחו על היחלשות דומה בהבדלי הביטוי של SOX4 ו־SOX11 בין אזורים בקליפת המוח. הדמיון אינו מוכיח שהשינוי גורם לאוטיזם, וגם אינו מאפשר להכליל ממודל של תסמונת ה־X השביר לכל מקרי האוטיזם.
הממצא מסמן מנגנון התפתחותי שאפשר יהיה לבדוק כעת בניסויים מבוקרים: האם מוטציות מסוימות משפיעות באופן שונה על אזורים קדמיים ואחוריים, והאם חלק מהשינויים המיוחסים לתאי עצב בודדים קשורים למעשה לארגון המרחבי של הרקמה.
מודל רקמה, לא מוח שלם
למרות יתרונותיהם, האורגנואידים נותרים מודלים מוגבלים. אין בהם כלי דם תקינים, מערכת חיסון שלמה, קלט מחושים או קשרים ארוכי טווח בין כל אזורי המוח. גם התפתחותם במעבדה אינה זהה להתפתחות בתוך גוף העובר.
המחקר אינו מציע טיפול בתסמונת ה־X השביר או באוטיזם. הוא גם אינו מראה שאפשר לבנות במעבדה קליפת מוח תפקודית בעלת כל החלוקה האנטומית הקיימת בבני אדם.
תרומתו המרכזית היא מתודולוגית: החוקרים יכולים כעת ליצור רקמה בעלת זהות מרחבית מוגדרת ולבחון כיצד אותו שינוי גנטי משפיע על אזורים שונים. בהמשך ניתן יהיה להשתמש בגישה כדי לחקור הפרעות נוירו־התפתחותיות נוספות, לבדוק השפעות של גורמים סביבתיים ולבחון תרכובות ניסיוניות בסביבה הקרובה יותר לרקמת מוח אנושית.
השיטה גם עשויה לצמצם חלק מן התלות במודלים של בעלי חיים, אך לא להחליף אותם לחלוטין. אורגנואיד מאפשר לבודד תהליך תאי או התפתחותי מסוים; בעל חיים שלם נדרש עדיין כדי לחקור את יחסי הגומלין בין המוח, הגוף, החושים וההתנהגות. עוד בנושא באתר הידען:
״מיני־מוחות״ מתאי גזע חשפו כיוון טיפולי למחלת ילדות נדירה https://www.hayadan.org.il/mini-brains-dhdds-nmn-treatment
לבנות מוח במעבדה https://www.hayadan.org.il/building-a-brain-in-the-laboratory-2606171
מדעני מכון ויצמן גידלו מוחות מיניאטוריים וגילו כיצד נוצרים קפלים במוח https://www.hayadan.org.il/miniature-brain-in-lab-2002182
התופעה הגנטית שמחמירה את סימני האוטיזם https://www.hayadan.org.il/התופעה-הגנטית-שמחמירה-את-סימני-האוטיזם
מהמוח ועד הזנב: כיצד מורפוגנים מכוונים את התפתחות הגוף https://www.hayadan.org.il/מהמוח-ועד-הזנב-מסע-הקסם-המדעי-חדשות-מד
שאלות ותשובות
האם החוקרים גידלו מוח אנושי במעבדה?
לא. הם גידלו אורגנואידים – מודלים קטנים ופשוטים של רקמת קליפת המוח. האורגנואידים מחקים כמה מתהליכי ההתפתחות המוקדמים, אך חסרים את המבנה, הקישוריות והמערכות של מוח שלם.
מה פירוש זהות קדמית או אחורית?
הכוונה לדפוסי ביטוי גנים ולזהויות תאים הדומים לאלה המופיעים בחלק הקדמי או האחורי של קליפת המוח המתפתחת. אין מדובר במודעות למיקום.
כיצד נוצרה הזהות האזורית?
החוקרים חשפו את האורגנואידים בשלב מוקדם למורפוגנים – אותות התפתחותיים המסייעים לתאים לקבוע את מיקומם וייעודם. FGF8 עודד מאפיינים קדמיים, ואילו BMP4 והפעלת מסלול WNT עודדו מאפיינים אחוריים.
מה נמצא במודל של תסמונת ה־X השביר?
ההבדל הרגיל ברמות החלבונים SOX4 ו־SOX11 בין אורגנואידים קדמיים לאחוריים נחלש. הממצא מצביע על אפשרות לשיבוש בארגון האזורי, אך אינו מוכיח שזהו הגורם לאוטיזם או למאפייני התסמונת.
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
