اگرچه بسیاری از مطالعات به سندرم اختلال رشدی رت به عنوان یک وضعیت منفرد ناشی از از دست دادن عملکرد مشترک در ژن MECP2 نزدیک شده‌اند، مطالعه جدیدی که توسط دانشمندان علوم اعصاب در مؤسسه یادگیری و حافظه Picower در MIT انجام شده است نشان می‌دهد که دو جهش مختلف ژن باعث ناهنجاری‌های بسیار متفاوتی در کشت‌های آزمایشگاهی شده است. علاوه بر این، اصلاح تفاوت های کلیدی ایجاد شده توسط هر جهش نیازمند درمان های متفاوتی است.
مریگانکا سور، نویسنده ارشد مطالعه جدید دسترسی آزاد در دانشگاه می گوید: «جهش های فردی مهم هستند. ارتباطات طبیعت و پروفسور نیوتن در موسسه Picower و گروه مغز و علوم شناختی. این رویکردی برای شخصی‌سازی درمان است، حتی برای یک اختلال تک ژنی.»
در این مطالعه از کشت‌های سه بعدی بافت مغز انسان به نام «ارگانوئیدها» یا «مینی‌مغز» استفاده شد که از سلول‌های پوست یا سلول‌های خون اهدایی بیماران مبتلا به سندرم رت با هر جهش به دست می‌آیند. نویسنده اصلی، تاتسویا اوساکی، محققی در موسسه Picower، می‌گوید توانایی ارگانوئیدها در مدل‌سازی پیامدهای خاص هر جهش به او این امکان را می‌دهد تا به بینش‌های خاص جهش دست یابد که در مطالعات قبلی که دانشمندان به سادگی MECP2 را به طور کامل حذف کردند، ظاهر نشد. اندامک‌ها همچنین فرصت جدیدی برای درک اینکه چگونه هر جهش بر انواع مختلف سلول‌ها و برهمکنش‌های آنها تأثیر می‌گذارد، فراهم کرد.
جلوه های مختلف
بیش از 800 جهش در MECP2 می تواند باعث سندرم رت شود، اما تنها 8 جهش بیش از 60 درصد موارد را تشکیل می دهند. Suhr و Osaki یکی از اینها را انتخاب کردند، R306C، که شامل تفاوت تنها یک جفت باز DNA (916C>T) است، زیرا 7-8 درصد موارد سندرم رت را تشکیل می دهد. جهش دیگری که آنها انتخاب کردند، V247X، بسیار نادرتر و شدیدتر است زیرا با حذف یک پایه DNA (705Gdel)، تولید محصول پروتئینی ژن را مختل می کند و پروتئین را نه تنها اشتباه، بلکه ناقص می گذارد.
در ارگانوئیدهای کشت شده به مدت سه ماه، هر جهش در مقایسه با ارگانوئیدهای کنترل با MECP2 جهش یافته، عواقب مشترک اما گاهی متفاوتی را ایجاد کرد. برای بسیاری از آزمایش‌های خود، این تیم از میکروسکوپ‌های «سه فوتونی» با قابلیت تفکیک سطح سلولی در تمام طول ارگانوئیدها استفاده کردند که ضخامت آنها تقریباً 1 میلی‌متر است و ساختار آنها (از طریق تصویربرداری «نسل سوم هارمونیک») و الگوهای فعالیت زنده نورون‌هایشان (از طریق فلورسانس کلسیم) را حل می‌کند.
به عنوان مثال، دانشمندان متوجه شدند که ارگانوئیدهای V247X چندین تفاوت ساختاری با کنترل‌هایشان نشان می‌دهند – آنها بزرگ‌تر بودند و ضخامت‌های متفاوتی از لایه‌های مختلف داشتند – اما آن‌هایی که از R306C به دست می‌آیند بسیار شبیه به کنترل‌هایشان بودند. ارگانوئیدهای حاوی هر یک از جهش‌ها در مقایسه با مقایسه‌کننده‌های کنترل، برآمدگی‌های آکسونی کمتری را از نورون‌های خود نشان دادند.
دانشمندان با نگاهی به ویژگی‌های فعالیت عصبی و اتصال در اندامک‌ها، کاستی‌های مشابهی در هر دو جهش پیدا کردند. هر دو در مقایسه با گروه کنترل خود، فعالیت اسپکینگ و هماهنگی بین نورون‌ها را کاهش دادند.
اما زمانی که دانشمندان خواص دیگر را بررسی کردند، ارگانوئیدها شروع به واگرایی از یکدیگر کردند. به طور خاص، نشانه ای از کارایی ساختار شبکه آنها، به نام “میل به جهان کوچک” (SWP)، در اندامک های R306C کاهش یافت و در V247X، در مقایسه با کنترل ها افزایش یافت. این بدان معنی است که هر دو جهش توسعه ساختارهای شبکه پردازش اطلاعات معمولی را تغییر می دهند، اما در جهت های مختلف.
برای اطمینان از معنی دار بودن نتایج آنها برای بیماران مبتلا به سندرم رت، این تیم با چارلز نلسون از بیمارستان کودکان بوستون، که گروهش EEG را در چندین کودک با جهش های مختلف رت اندازه گیری کردند، همکاری کردند. اگرچه نمونه کوچک بود، اما محققان نشانه‌هایی را اندازه‌گیری کردند که نشان می‌دهد ویژگی SWP در قرائت‌های EEG در داوطلبان، مشابه ارگانوئیدها، تغییر کرده است.
در نهایت، با برچسب‌گذاری نورون‌های تحریک‌کننده برای چشمک زدن یک رنگ و نورون‌های بازدارنده برای چشمک زدن به رنگ‌های دیگر، دانشمندان توانستند ببینند که اتصال بین انواع نورون‌های مختلف به طور قابل‌توجهی با کنترل‌های موجود در ارگانوئیدهای V247X متفاوت است.
آزمایشات درمانی
همه آزمایش‌ها نشان دادند که هر جهش باعث تغییرات متعددی در ساختار اندامک، فعالیت و اتصال می‌شود و انحرافات اغلب مختص جهش هستند.
تیم سور و اوزاکی برای درک اینکه چگونه این تفاوت‌ها به وجود آمدند و چگونه می‌توان آنها را اصلاح کرد، به مطالعه اینکه چگونه سلول‌ها در هر نوع اندامک ممکن است ژن‌های خود را متفاوت از گروه شاهد بیان کنند، روی آوردند. تفاوت در بیان ژن اغلب منجر به تغییراتی در مسیرهای مولکولی کلیدی در سلول ها می شود که می تواند فعالیت و عملکرد آنها را مختل کند. تجزیه و تحلیل با تکنیکی به نام توالی یابی RNA تک سلولی صدها تفاوت را در هر نوع اندامک نشان داد، که در آن برخی از ژن ها بیشتر از گروه کنترل بیان می شدند، در حالی که برخی دیگر کمتر بیان می شدند.
به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل ها نشان داد که در اندامک های R306C، ژنی به نام HDAC2 بیش از حد بیان شده است. این پروتئین به عنوان سرکوب بیان ژن های دیگر شناخته شده است. در همین حال، در ارگانوئیدهای V247X، دانشمندان کاهش بیان ژن‌ها را برای برخی گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی بازدارنده GABA یافتند. این اندامک ها همچنین نقص هایی را در عملکرد سلول های آستروسیت نشان می دهند که از بسیاری از جنبه های عملکرد عصبی پشتیبانی می کند.
اندامک‌های دارای هر دو جهش نیز انحرافاتی را در مسیرهای مولکولی نشان می‌دهند که امکان ایجاد اتصالات زنجیره‌ای بین نورون‌ها به نام سیناپس را می‌دهد.
با توجه به نقایص خاصی که مشاهده کردند، دانشمندان تصمیم گرفتند اندامک ها را با دارویی درمان کنند که می تواند فعالیت HDAC2 را مهار کند و داروی دیگری که کارایی GABA را افزایش می دهد. مهارکننده HDAC2 فعالیت عصبی و SWP را در اندامک‌های R306C به سطوح طبیعی بازگرداند، و باکلوفن “اگونیست” GABA، SWP را برای کنترل سطوح در اندامک‌های V247X بازیابی کرد.
اوساکی خاطرنشان می‌کند که هر یک از داروهای درمانی قبلاً در زمینه بیماری‌های دیگر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، به این معنی که آنها داروهایی هستند که به خوبی درک شده‌اند و می‌توانند مجدداً مورد استفاده قرار گیرند.
Suhr می‌گوید اکنون که محققان یک پلت فرم ارگانوئیدی برای تشریح پیامدهای جهش‌های فردی، شناسایی ریشه‌ها و آزمایش درمان ایجاد کرده‌اند، قصد دارند از آن برای مطالعه چهار جهش دیگر استفاده کنند و همه آنها را با یک ارگانوئید کنترل استاندارد مقایسه کنند.
علاوه بر سوهر، اوزاکی و نلسون، دیگر نویسندگان مقاله کلوئه دلپین، یوما اوساکو، دوورا کرانز، آوریل لوین و میشلا فاجیولینی هستند.
مؤسسه ملی بهداشت، کمک مالی MURI، بنیاد Freedom Together و بنیاد سیمونز از این تحقیق حمایت کردند.
