نموذج بشري قابل للتحكم للحبل الشوكي بترتيب ظهري بطني كامل

بناء حبل شوكي بشري صغير في المختبر

فهم كيفية تشكُّل الحبل الشوكي البشري أمر أساسي لمواجهة الشلل والعيوب الخلقية وبعض أمراض الأعصاب، لكن دراسة هذه الأحداث المبكرة مباشرةً في الأجنة غير ممكنة. تصف هذه الدراسة نموذجًا مخبريًا بحجم الإبهام للحبل الشوكي البشري يمكن للعلماء التحكم فيه بدقة. يحاكي النموذج كيفية تشكيل الجهة العلوية والسفلية للحبل الشوكي بإشارات كيميائية متعاكسة، ويعيد أيضًا سلوك الخلايا العصبية السابقة المتجولة التي عادةً ما تغادر الحبل الشوكي لتشكيل الأعصاب الطرفية.

لماذا يهم تَنسِيق الحبل الشوكي

أثناء التطور المبكر، يُنظَّم الحبل الشوكي من الظهر إلى البطن إلى العديد من النطاقات المميزة. كل نطاق يُنتج في النهاية أنواع خلايا عصبية محددة تتحكم في الحركة أو الإحساس أو الوظائف الداعمة. في الوقت نفسه، تتكوّن مجموعة خاصة من الخلايا تسمى خلايا القمة العصبية من الجانب الظهري للحبل الشوكي النامي وتهاجر للخارج لتبني تراكيب مثل عقيدات الجذور الظهرية التي تنقل إشارات اللمس والألم، والعقيدات الودية التي تُسهم في تنظيم الأعضاء. أظهرت دراسات على الحيوانات أن هذا التنظيم تُوَجَّه بتدرجات من جزيئات الإشارة، لكن كيفية حدوث ذلك في البشر وكيفية تفاعل الإشارات المختلفة كان من الصعب تحديده.

رقاقة تصنع حبالًا شوكية مُصغرة

أنشأ الفريق ما سمّاه هياكل تشبه الحبل الشوكي الميكروفلويدية، أو µSCLSs، باستخدام خلايا جذعية بشرية متعددة القدرات. تم زرع هذه الخلايا على شكل مستعمرات مستطيلة مرتبة على شريحة زجاجية ثم أُحوطت داخل قناة ضيقة من السيليكون اللين. ملئت القناة بمادة هلامية تشبه السقالة الطبيعية المحيطة بالجهاز العصبي الجنيني. عن طريق ضخ مجموعة من جزيئات التشكيل من أعلى القناة ومجموعة مختلفة من الأسفل، أنتج الباحثون تدرجات مستقرة متعاكسة عبر كل مستعمرة. على مدى اثني عشر يومًا، شكلت الخلايا أنبوبًا مجوفًا مع تجويف مركزي، مشابهًا بدرجة كبيرة لأنبوب العصب المبكر الذي ينشأ منه الحبل الشوكي في الأجنة.

إعادة إنشاء الخريطة الكاملة للحبل الشوكي البشري

أظهرت صبغات دقيقة للـ µSCLSs أنها احتوت على جميع نطاقات الخلايا الجذعية المعروفة من الظهر إلى البطن، بما في ذلك لوح السقف الأشد ظهورًا، ولوح القاعدة الأشد بطنية، والإحدى عشرة نطاقًا الوسطية بينهما. كل نطاق عبّر عن المؤشرات الرئيسية نفسها التي تُرى في الأجنة البشرية، وأنتج النسيج خلايا حسية وحركية في المواقع المتوقعة. أكدت تسلسلات RNA أحادي الخلية أن جميع الأنواع الفرعية الثلاثة عشر الرئيسية للخلايا الجذعية الموجودة في الحبل الشوكي البشري في مرحلة تطورية مماثلة ممثلة في النموذج. كما عرضت الخلايا نشاطًا جينيًا خاصًا بالبشر، مثل تعبير أوسع لبعض المنظمين وظهور مبكر لخلايا ستصبح خلايا داعمة مُشكّلة للميالين، وهي سمات تختلف عن تطور الفئران.

توضيح إشارة محيرة ومراقبة هجرة الخلايا

سمح النموذج للباحثين بإعادة فحص لغز طويل المدى حول حمض الريتينويك، إشارة مستمدة من فيتامين أ تُنتَج في الأنسجة المجاورة للحبل الشوكي. أشارت دراسات سابقة إلى أن حمض الريتينويك قد يدفع التطور نحو هويات ظهرية أو بطنية اعتمادًا على السياق. بإضافة هذه الإشارة أو حجبها أثناء التحكم في التدرجات الأخرى، وجد الفريق أن حمض الريتينويك يميل عمومًا إلى تحريك النمط نحو المصائر الأكثر ظهرية، لكن فقط عندما كانت إشارة ظهرية تسمى BMP موجودة أيضًا. أشار تحليلهم إلى عامل يُدعى GDF3 كوسيط أساسي يربط حمض الريتينويك بنشاط BMP ويساعد على ضبط كيفية تحديد مناطق الخلايا الحركية البطنية. أعاد الـ µSCLS أيضًا بدقة سلوك خلايا القمة العصبية، التي ظهرت من الجانب الظهري، ثم هاجر بعضها نزولًا بشكل موجه نحو مصدر بطني لإشارة إرشادية تُسمى CXCL12؛ حجب مستقبلها CXCR4 قلل من هذه الهجرة البطينية وأعاد تموضع الخلايا نحو المنطقة الظهرية.

ميدان تجريبي مرن لأبحاث الأعصاب المستقبلية

من خلال إظهار أن نسيجًا صغيرًا مُهندَسًا يمكنه إعادة إنتاج تنسيق الحبل الشوكي الشبيه بالبشري وحركات خلايا القمة المعقدة، يوفر هذا العمل ميدانًا تجريبيًا قويًا للدراسات المستقبلية. يمكن للباحثين الآن تغيير قوة الإشارات وتوقيتها أو الجينات بشكل مُسيطر عليه أثناء مراقبة استجابة أنواع خلايا الحبل الشوكي والبادئات المهاجرة. على المدى الطويل، قد تساعد مثل هذه النماذج في كشف كيفية نشوء اضطرابات نمائية معينة، وتوفير منصة لفحص كيفية تأثير العلاجات المحتملة على خلايا الحبل الشوكي البشرية، وتحسين فهمنا لكيفية تنظيم ورقة بسيطة من الخلايا نفسها إلى شبكة معقدة تُدعم الحركة والإحساس.

الاستشهاد: Bok, J., Kim, Y.S., Cheng, F. et al. A controllable human spinal cord model with full dorsoventral patterning. Nat Commun 17, 4539 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71162-z

الكلمات المفتاحية: تطور الحبل الشوكي البشري, نموذج خلايا جذعية, تدرجات المورفوجين, هجرة القمة العصبية, إشارة حمض الريتينويك