تسلط هذه المراجعة الشاملة الضوء على أهم الإنجازات في مجال أبحاث الخلايا الجذعية خلال العقدين الماضيين، موضحة كيف أصبح العلماء قادرين الآن على إعادة برمجة الخلايا البالغة إلى خلايا جذعية متعددة القدرات قادرة على التحول إلى أي نوع من الخلايا في الجسم. يغطي المقال خمسة أنواع رئيسية من الخلايا الجذعية—الجنينية، وشبيهة الجنينية متناهية الصغر، والناتجة عن نقل النواة، والمُعاد برمجتها، والخلايا الجذعية البالغة—كل منها له مصادر فريدة وإمكانيات سريرية متميزة. تشمل التطورات الرئيسية تحسين طرق إعادة البرمجة باستخدام الفيروسات والحمض النووي الريبوزي والمواد الكيميائية؛ وتطوير أنظمة زراعة أفضل تتجنب استخدام المنتجات الحيوانية؛ وظهور تقنيات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد التي قد تنتج في النهاية أنسجة وأعضاء قابلة للزرع.

الإنجازات الحديثة في أبحاث الخلايا الجذعية: من الاكتشافات المعملية إلى التطبيقات السريرية

جدول المحتويات

• مقدمة
• مصادر الخلايا الجذعية متعددة القدرات
• الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs)
• الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs)
• الخلايا الجذعية الناتجة عن نقل النواة (NTSCs)
• الخلايا الجذعية المُعاد برمجتها (RSCs)
• الخلايا الجذعية البالغة
• التطبيقات السريرية والاتجاهات المستقبلية
• الاعتبارات الأخلاقية
• معلومات المصدر

مقدمة

شهدت أبحاث الخلايا الجذعية تغييرات ثورية خلال العشرين عامًا الماضية، مع تقدم سريع بشكل خاص في العقد الأخير. بدأ هذا المجال في عام 1961 عندما اكتشف الباحثان الكنديان الدكتور جيمس أ. تيل والدكتور إرنست أ. مكولوك لأول مرة الخلايا الجذعية في نخاع عظام الفئران التي يمكن أن تتمايز إلى أنواع مختلفة من الخلايا، مما أسس لمفهوم الخلايا الجذعية متعددة القدرات (PSCs)—وهي خلايا قادرة على التحول إلى أي نوع من الخلايا في الجسم.

حقق المجال عدة معالم حرجة: تم استنساخ النعجة دولي في عام 1996 باستخدام تقنية نقل نواة الخلية الجسدية (SCNT)، وعُزلت أول خلايا جذعية جنينية بشرية (hESCs) في عام 1998، وتم إنشاء خلايا جذعية مستحثة متعددة القدرات (iPSCs) في عام 2006 عن طريق إعادة برمجة الخلايا البالغة باستخدام أربعة عوامل نسخ فقط. تم الاعتراف بأهمية هذه الاكتشافات عندما حصل شينيا ياماناكا وجون غوردون على جائزة نوبل عام 2012 عن عملهما الذي أظهر إمكانية إعادة برمجة الخلايا الناضجة إلى حالة متعددة القدرات.

حدد الباحثون من خلال المراجعة المنهجية خمس فئات رئيسية من الخلايا الجذعية: الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs)، والخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs)، والخلايا الجذعية الناتجة عن نقل النواة (NTSCs)، والخلايا الجذعية المُعاد برمجتها (RSCs)، والخلايا الجذعية البالغة. يقدم كل نوع مزايا وتحديات فريدة للتطبيقات السريرية. فقط الخلايا الجذعية الناتجة عن نقل النواة (NTSCs) استُخدمت لتوليد كائن حي كامل (قرود في الصين، 2018)، بينما استُخدمت أنواع أخرى لتوليد الأنسجة والأعضاء.

تظهر الخلايا الجذعية، وخاصة الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) والخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs)، promise هائلة في أربعة مجالات رئيسية: الطب التجديدي وزراعة الأعضاء، ونمذجة الأمراض، وفحص اكتشاف الأدوية، وبيولوجيا النمو البشري. يستمر المجال في التطور من الاكتشافات الأولية إلى توسيع التطبيقات السريرية، على الرغم من بقاء التحديات—خاصة فيما يتعلق بالتحكم في تكاثر الخلايا وتمايزها حيث أن تقنية إعادة برمجة الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs) لا تزال相对 جديدة.

مصادر الخلايا الجذعية متعددة القدرات

تتميز الخلايا الجذعية متعددة القدرات (PSCs) بخاصيتين أساسيتين: التجدد الذاتي (القدرة على التكاثر) والفعالية (القدرة على التمايز إلى أنواع خلايا متخصصة مشتقة من واحدة من الطبقات الجرثومية الأولية الثلاث: الأديم الظاهر، أو الأديم الباطن، أو الأديم المتوسط). يستخدم الباحثون ثلاثة اختبارات رئيسية لفحص تعدد القدرات في نماذج الفئران.

يقيم اختبار تكوّن الورم المسخي (teratoma) التوليد التلقائي للأنسجة المتمايزة من جميع الطبقات الجرثومية الثلاث بعد زرع الخلايا في فئران مثبطة المناعة. يختبر اختبار تكوّن الكيميرا (chimera) ما إذا كانت الخلايا الجذعية تساهم في التطور عن طريق حقنها في أجنة مبكرة (كيسة أريمية ثنائية الصيغة الصبغية 2N) والتحقق مما إذا كانت الخلايا المانحة تمتلك قدرة نقل السلالة الجرثومية، وتولد أمشاجًا وظيفية، وتحافظ على سلامة الكروموسومات. يحدد اختبار التكامل رباعي الصيغة الصبغية (4N) قدرة الخلايا متعددة القدرات داخل الكائن الحي بأكمله عن طريق حقن الخلايا في أجنة رباعية الصيغة الصبغية (4N) ومراقبة مراحل النمو للأنسجة خارج الجنينية الناتجة عن الخلايا الجذعية المزروعة وليس عن الجنين نفسه.

الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs)

يتم حصاد الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESCs) من الكيسات الأريمية في مرحلة مبكرة (4-5 أيام بعد الإخصاب) إما بتدمير الكيسة الأريمية المصدر أو بحصاد أنسجة في مرحلة لاحقة (حتى 3 أشهر من العمر الحملي). كانت هذه هي أول الخلايا الجذعية المستخدمة في التطبيقات البحثية ولا تزال شائعة الاستخدام في التجارب السريرية اليوم (كما يتم تتبعها على clinicaltrials.gov).

تمثل الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESCs) المعيار الذهبي لتعدد القدرات ولكنها تأتي مع مخاوف أخلاقية regarding تدمير الأجنة ومشاكل محتملة لرفض المناعة عند زرعها في المرضى. على الرغم من هذه التحديات، فإنها تواصل تقديم رؤى قيمة في بيولوجيا النمو وتعمل كمقارنات مهمة لتقنيات الخلايا الجذعية الأحدث.

الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs)

أظهر نوع جديد من الخلايا الجذعية متعددة القدرات يسمى الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs) promise منذ تحديدها في عام 2006. أكد أكثر من 20 مختبرًا مستقلًا وجودها، على الرغم من أن بعض المجموعات شككت في صحتها. هذه الخلايا هي خلايا جذعية صغيرة في التطور المبكرة توجد في أنسجة البالغين تعبر عن علامات تعدد القدرات.

يبلغ قياس الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs) حوالي 3-5 ميكرومتر في الفئران و5-7 ميكرومتر في البشر (أصغر قليلاً من خلايا الدم الحمراء). تعبر عن علامات الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) بما في ذلك SSEA، وOct-4A النووي، وNanog، وRex1، إلى جانب علامات الخلايا الجرثومية الأولية المهاجرة مثل Stella وFragilis. قد يرتبط أصلها التطوري بترسبات السلالة الجرثومية في الأعضاء النامية أثناء تكون الجنين.

وفقًا لنموذج مقترح عام 2019، تنشأ الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs) من الخلايا الجرثومية الأولية وتتمايز إلى ثلاثة مصائر محتملة: الخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs)، وأسلاف الأوعية الدموية (بما في ذلك الخلايا الجذعية المكونة للدم والخلايا السلفية البطانية)، والخلايا الجذعية الملتزمة بالنسيج. كخلايا جذعية متعددة القدرات، قد تتمتع الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs) بميزة القدرة على التمايز عبر الطبقات الجرثومية في الحيوانات أو البشر البالغين، مما قد يعمل كبديل للخلايا الجذعية الملتزمة بالنسيج وحيدة القدرة في البالغين.

قد تتغلب الخلايا الجذعية الشبيهة بالجنينية متناهية الصغر (VSELs) على عدة مشاكل مرتبطة بأنواع الخلايا الجذعية الأخرى: الجدل الأخلاقي حول الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) ومخاطر تكوّن الورم المسخي (teratoma) للخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs). هذا يجعلها واعدة بشكل خاص للدراسات المستقبلية للخلايا الجذعية والتطبيقات السريرية حيث تشكل هذه المخاوف عوائق كبيرة.

الخلايا الجذعية الناتجة عن نقل النواة (NTSCs)

منذ اكتشافها لأول مرة في عام 1996، تطورت تقنية نقل نواة الخلية الجسدية (SCNT) تدريجياً لتوليد الخلايا الجذعية الناتجة عن نقل النواة (NTSCs). تبدأ هذه العملية بزرع نواة مانحة من خلية جسدية متمايزة بالكامل (مثل ليفية) في بويضة منزوعة النواة (خلية بيضية تمت إزالة نواتها).

ثم تقوم خلية البويضة المضيفة الجديدة بتشغيل إعادة البرمجة الجينية للنواة المانحة. تؤدي الانقسامات الانقسامية العديدة لهذه الخلية المفردة في المزرعة إلى تطوير كيسة أريمية (حوالي 100 خلية في مرحلة الجنين المبكرة)، مما يولد في النهاية كائنًا حيًا يحمل حمضًا نوويًا متطابقًا تقريبًا مع الكائن الأصلي—نسخة طبق الأصل من المتبرع بالنواة. يمكن للعملية إنتاج الاستنساخ العلاجي والتكاثري.

كانت النعجة دولي (1996) أول استنساخ تكاثري ناجح لثديي. منذ ذلك الحين، تم استنساخ حوالي عشرين نوعًا آخر. في يناير 2018، أعلن علماء صينيون في شنغهاي عن استنساخ ناجح لقردتي مكاك أنثويين باستخدام خلايا ليفية جنينية عبر تقنية نقل نواة الخلية الجسدية (SCNT)—وهما أول رئيسيات يتم استنساخها بهذه الطريقة.

يمكن أن يحدث استنساخ الرئيسيات ثورة في أبحاث الأمراض البشرية. يمكن أن تكون الرئيسيات غير البشرية الموحدة وراثيًا نماذج حيوانية قيمة لبيولوجيا الرئيسيات والأبحاث الطبية الحيوية، مما يساعد في التحقيق في آليات الأمراض والأهداف الدوائية مع تقليل العوامل المربكة للتباين الجيني وعدد حيوانات المختبر المطلوبة. يمكن أن تجمع هذه التقنية مع تحرير الجينوم CRISPR-Cas9 لإنشاء نماذج رئيسيات معدلة وراثيًا لاضطرابات بشرية مثل مرض باركنسون وأنواع مختلفة من السرطان.

أعربت شركات الأدوية عن طلب مرتفع للقرود المستنسخة لاختبار الأدوية. متحمسة لهذا الاحتمال، أعطت شنغهاي أولوية التمويل لإنشاء مركز دولي لأبحاث الرئيسيات لإنتاج حيوانات بحثية مستنسخة للاستخدام الدولي. تعد تقنية نقل نواة الخلية الجسدية (SCNT) فريدة من بين أساليب الخلايا الجذعية حيث يمكنها توليد جسم حي كامل بدلاً من مجرد صفائح من الخلايا أو الأنسجة أو قطع الأعضاء، مما يمنحها مزايا وظيفية فيزيائية حيوية على الخلايا الجذعية الجنينية (ESCs) والخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs) لكل من البحث الأساسي والتطبيق السريري.

الخلايا الجذعية المُعاد برمجتها (RSCs)

منذ عام 2006 عندما أنشأ ياماناكا وزملاؤه لأول مرة الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs)، تقدمت تقنيات إعادة البرمجة بشكل كبير. هذا ينطبق بشكل خاص على طرق إعادة البرمجة المباشرة سواء في المختبر (in vitro) أو داخل الكائنات الحية (in vivo) لإنتاج أنسجة محددة باستخدام عوامل نسخ مقيدة بالسلالة، وتعديلات إشارات الحمض النووي الريبوزي، والجزيئات الصغيرة أو المواد الكيميائية.

تتخطى هذه الأساليب المباشرة خطوة الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs)، مما ينتج خلايا أكثر دقة مثل الخلايا السلفية العصبية المستحثة (iNPCs) التي تكون أقرب إلى سلالات الخلايا المستهدفة مثل الخلايا العصبية والخلايا العصبية الحركية اللاحقة. يتم اشتقاق الخلايا الجذعية المُعاد برمجتها (RSCs) بتطبيق أي طرق معملية لإعادة برمجة الإشارات الجينية للخلايا الأولية، باستثناء تقنية نقل نواة الخلية الجسدية (SCNT).

للتغلب على التحديات الأخلاقية والمولدة للمناعة المرتبطة بالخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESCs)، ظهرت الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs) كبديل واعد لأنها مشتقة من أنسجة جسدية بالغة. مصادر الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات البشرية (hiPSCs)—بما في ذلك الدم، والجلد، والبول—وفيرة. لأنه يمكن حصاد الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات البشرية (hiPSCs) من المرضى الأفراد، يمكن تجنب رفض المناعة عند زرعها مرة أخرى في نفس المريض (زراعة ذاتية).

طور الباحثون طرقًا للحصول على الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات البشرية (hiPSCs) من خلايا الأنابيب الكلوية الموجودة في البول. بروتوكول يتطلب فقط عينة بول 30 مل هو بسيط، وسريع نسبيًا، وفعال من حيث التكلفة، وعالمي (ينطبق على المرضى من جميع الأعمار، والأجناس، والخلفيات العرقية/الإثنية). تتضمن الإجراءات الكلية أسبوعين فقط من زراعة الخلايا و3-4 أسابيع من إعادة البرمجة، مما ينتج غلات عالية من الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs) بإمكانيات تمايز ممتازة.

أظهرت الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSCs) المشتقة من البول والمجمعة من عينات بول نظيفة من منتصف التبول حجم 200 مل عبر نظام توصيل فيروس سينداي نمطًا نوويًا طبيعيًا (هيكل كروموسومي) وأظهرت قدرة على التمايز إلى جميع الطبقات الجرثومية الثلاث في اختبارات الورم المسخي. أظهرت مجموعة فرعية من الخلايا المعزولة من البول ميزات الخلايا السلفية، بما في ذلك التعبير السطحي الخلوي للعلامات c-Kit، وSSEA4، وCD105، وCD73، وCD91، وCD133، وCD44 التي يمكن أن تميز بين سلالات خلايا المثانة (البولية، والعضلات الملساء، والبطانة والنسيج الخلالي)، مما يجعلها مصدرًا خلويًا بديلاً واعدًا.

الخلايا الجذعية البالغة

تمثل الخلايا الجذعية البالغة فئة مهمة أخرى من الخلايا الجذعية الموجودة في various tissues في جميع أنحاء الجسم. على عكس الخلايا الجذعية متعددة القدرات، these are typically multipotent—قادرة على التمايز إلى نطاق محدود من أنواع الخلايا الخاصة بنسيجها الأصلي.

تشمل المصادر الشائعة نخاع العظم، والنسيج الدهني، ولب الأسنان، ومختلف الأعضاء. تُعد الخلايا الجذعية الوسيطة (Mesenchymal Stem Cells - MSCs) من بين أكثر الخلايا الجذعية البالغة دراسةً، وقد أظهرت نتائج واعدة في علاج الحالات الالتهابية، وتعزيز إصلاح الأنسجة، وتنظيم الاستجابات المناعية.

على الرغم من كونها أقل تنوعًا من الخلايا الجذعية متعددة القدرات، فإن الخلايا الجذعية البالغة تقدم مزايا تشمل مخاوف أخلاقية أقل، ومخاطر أقل لتكوين الأورام، واستخدامًا سريريًا راسخًا في إجراءات مثل زراعة نخاع العظم. لا يزال البحث مستمرًا لاستكشاف إمكاناتها الكاملة وآليات عملها.

التطبيقات السريرية والاتجاهات المستقبلية

تقدم بحث الخلايا الجذعية عبر البحث الأساسي، والدراسات قبل السريرية، وحاليًا التجارب السريرية عبر مجالات تطبيقية متعددة. ساهمت التطورات في تركيبات عوامل إعادة البرمجة، والطرق التجريبية، وتوضيح مسارات الإشارات في إجراء أولى التجارب السريرية لزرع خلايا الشبكية وزرع النخاع الشوكي.

يواصل المجال معالجة التحديات المتعلقة بالتحكم في تكاثر الخلايا وتمايزها. يقوم الباحثون بمراجعة منهجية للموضوعات المتعلقة بالمنهجيات بما في ذلك: تحفيز تعدد القدرات عن طريق التعديلات الجينية؛ بناء نواقل جديدة بعوامل إعادة البرمجة؛ تعزيز تعدد قدرات الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات (iPSCs) باستخدام جزيئات صغيرة ومسارات إشارات جينية؛ تحسين إعادة البرمجة بواسطة الرنا الميكروي؛ تحفيز وتعزيز تعدد قدرات الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات باستخدام مواد كيميائية؛ توليد أنواع خلوية متمايزة محددة؛ والحفاظ على تعدد القدرات والاستقرار الجيني للخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات.

هذه الموضوعات حاسمة لتعظيم فعالية توليد الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات وتمايزها استعدادًا للترجمة السريرية. تشمل التطورات في زراعة الخلايا: الزراعة الخالية من المغذيات، والوسط الخالي من مكونات حيوانية، وتقنيات معززة بمختلف المواد الحيوية. تمثل تقنيات الخلايا ثلاثية الأبعاد (3D) والطباعة الحيوية اتجاهات واعدة بشكل خاص، إلى جانب موارد الخلايا الجذعية متعددة القدرات وإعادة البرمجة الخلوية المباشرة من الجيل الثاني في الكائنات الحية.

تركز أهداف بحث الخلايا الجذعية السريرية طويلة المدى على تطوير علاجات آمنة وفعالة لحالات تشمل الأمراض التنكسية العصبية، وإصابات النخاع الشوكي، وأمراض القلب، والسكري، والعديد من الحالات الأخرى حيث يمكن أن يوفر استبدال الخلايا أو تجديد الأنسجة فوائد علاجية.

الاعتبارات الأخلاقية

يواصل بحث الخلايا الجذعية التعامل مع اعتبارات أخلاقية مهمة، خاصة فيما يتعلق بالخلايا الجذعية الجنينية وتقنيات الاستنساخ. يظل تدمير الأجنة البشرية لأبحاث الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESCs) مثيرًا للجدل في العديد من المجتمعات ويتم تنظيمه بشكل مختلف عبر البلدان.

تساعد التقنيات الناشئة مثل الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات في معالجة بعض المخاوف الأخلاقية من خلال توفير مصادر بديلة للخلايا متعددة القدرات دون تدمير الأجنة. ومع ذلك، تظهر أسئلة أخلاقية جديدة فيما يتعلق بالتلاعب الجيني، والموافقة على التبرع بالخلايا، والوصول العادل إلى العلاجات الناتجة.

يواصل المجتمع البحثي الدولي تطوير المبادئ التوجيهية واللوائح لضمان تقدم أخلاقي في بحث الخلايا الجذعية مع تعظيم الفوائد المحتملة للمرضى الذين يعانون من أمراض وحالات مختلفة.

معلومات المصدر

عنوان المقال الأصلي: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

المؤلفون: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

النشر: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

هذه المقالة الملائمة للمرضى تستند إلى بحث تمت مراجعته من قبل الأقران وتهدف إلى جعل المعلومات العلمية المعقدة في متناول القارئ مع الحفاظ على جميع النتائج والبيانات الأساسية من المنشور الأصلي.