سلول های خونی اکثریت سلول های بدن انسان را تشکیل می دهند. آنها عملکردهای حیاتی را انجام می دهند و اختلال عملکرد آنها در بسیاری از بیماری های مهم انسانی، از کم خونی ها تا سرطان های خون مانند لوسمی نقش دارد. بسیاری از انواع سلول‌های خونی شامل گلبول‌های قرمز خونی هستند که اکسیژن را حمل می‌کنند، پلاکت‌هایی که باعث لخته شدن خون می‌شوند و انواع بی‌شماری از سلول‌های ایمنی که از بدن ما در برابر تهدیداتی مانند ویروس‌ها و باکتری‌ها محافظت می‌کنند.
وجه مشترک این انواع مختلف سلول های خونی این است که همه آنها توسط سلول های بنیادی خونساز (HSCs) تولید می شوند. HSC ها باید در طول زندگی ما به تولید سلول های خونی در مقادیر زیاد ادامه دهند تا به طور مداوم ذخایر بدن خود را دوباره پر کنند. محققان می‌خواهند HSCs و پویایی نحوه تولید بسیاری از سلول‌های خونی را بهتر درک کنند، هم برای درک اصول اولیه تولید خون انسان و هم برای درک اینکه چگونه تولید خون در طول پیری یا در موارد بیماری تغییر می‌کند.
جاناتان وایزمن، استاد زیست شناسی MIT، عضو موسسه تحقیقات بیومدیکال وایتهد، و محقق پزشکی هاوارد هیوز. ویجی سانکاران، دانشیار بیمارستان کودکان بوستون و دانشکده پزشکی هاروارد که همچنین عضو وابسته موسسه Broad در MIT و هاروارد و پزشک معالج در موسسه سرطان دانا فاربر است. و Chen Weng، همکار فوق دکتری در هر دو آزمایشگاه خود، روش جدیدی را ایجاد کرده اند که نمای دقیقی از دودمان سلول های خونی انسان و ویژگی های تک تک سلول ها ارائه می دهد و بینش جدیدی در مورد تفاوت بین دودمان HSC ارائه می دهد. مطالعه، در مجله منتشر شده است طبیعت در 22 ژانویه، به برخی از سوالات طولانی مدت در مورد تولید سلول های خونی و چگونگی تغییر آن با افزایش سن پاسخ می دهد. این کار همچنین نشان می‌دهد که چگونه این فناوری جدید می‌تواند به محققان دسترسی بی‌سابقه‌ای به تاریخچه سلول‌های انسانی و بینشی در مورد چگونگی شکل‌دهی آن تاریخ‌ها به وضعیت فعلی آنها بدهد. این سؤالات بسیاری را در مورد زیست شناسی خودمان باز می کند که قبلاً بی پاسخ بودند.
ونگ می‌گوید: «ما می‌خواستیم سؤالاتی بپرسیم که ابزارهای موجود به ما اجازه نمی‌دهند. به همین دلیل است که ما تخصص های متنوع جاناتان و ویجی را گرد هم آورده ایم تا فناوری جدیدی را توسعه دهیم که به ما امکان می دهد این سوالات و موارد دیگر را بپرسیم تا بتوانیم برخی از ناشناخته های مهم در تولید خون را حل کنیم.
نحوه ردیابی خطوط سلولی انسان
ویزمن و دیگران قبلاً روش‌هایی را برای ترسیم دودمان سلول‌ها توسعه داده‌اند، فرآیندی که ردیابی دودمان نامیده می‌شود، اما این معمولاً در حیوانات یا خطوط سلولی مهندسی شده انجام می‌شود. وایزمن از این رویکرد استفاده کرد گسترش سرطان ها را روشن می کند و کی و چگونه آنها ایجاد جهش آنها را تهاجمی تر و کشنده تر می کند. با این حال، در حالی که این مدل‌ها می‌توانند اصول کلی فرآیندهایی مانند تولید خون را روشن کنند، اما تصویر کاملی از آنچه در درون یک فرد زنده می‌گذرد به محققان ارائه نمی‌دهند. آنها نمی توانند تنوع کامل سلول های انسانی یا پیامدهای آن تنوع را برای سلامتی و بیماری به تصویر بکشند.
تنها راه برای به دست آوردن تصویری دقیق از چگونگی تغییر دودمان سلول های خونی در طول نسل ها و پیامدهای این تغییرات، انجام ردیابی نسب روی سلول های نمونه های انسانی است. چالش این است که در مدل‌های تحقیقاتی مورد استفاده در مطالعات قبلی ردیابی نسب، ویزمن و همکارانش سلول‌ها را ویرایش کردند تا یک بارکد قابل ردیابی اضافه کنند، رشته‌ای از DNA که با هر تقسیم سلولی کمی تغییر می‌کند تا محققان بتوانند تغییرات را نقشه‌برداری کنند تا سلول‌ها را با آنها مطابقت دهند. نزدیکترین خویشاوندان آنها و بازسازی شجره نامه. محققان نمی‌توانند بارکد را به سلول‌های افراد زنده اضافه کنند، بنابراین باید یک بارکد طبیعی پیدا کنند: رشته‌ای از DNA که از قبل وجود دارد و آنقدر تغییر می‌کند که امکان بازسازی آن شجره خانوادگی را فراهم کند.
جست‌وجوی ژنوم برای جهش‌ها بسیار پرهزینه است و موادی را که محققان برای اطلاع از وضعیت سلول‌ها باید جمع‌آوری کنند، از بین می‌برند. چند سال پیش سنکاران و همکارانش متوجه این موضوع شدند DNA میتوکندری ممکن است کاندید خوبی برای بارکد طبیعی باشد. میتوکندری ها در تمام سلول های ما هستند و ژنوم خود را دارند که نسبتا کوچک و مستعد جهش هستند. در این مطالعه قبلی، سانکاران و همکارانش جهش‌هایی را در DNA میتوکندری شناسایی کردند، اما نتوانستند جهش‌های کافی برای ساختن یک شجره خانوادگی کامل پیدا کنند: در هر سلول، آنها فقط به طور متوسط بین صفر تا یک جهش پیدا کردند.
اکنون، در کار به رهبری Weng، محققان تشخیص جهش‌های DNA میتوکندریایی را 10 برابر بهبود داده‌اند، به این معنی که در هر سلول حدود 10 جهش پیدا می‌کنند – به اندازه کافی برای شناسایی بارکد. آنها این را از طریق پیشرفت هایی در نحوه تشخیص جهش های DNA میتوکندری به صورت تجربی و چگونگی تأیید واقعی بودن این جهش ها از نظر محاسباتی به دست آوردند. روش جدید و بهبود یافته ردیابی نسب آنها ReDeeM نامیده می شود که مخفف کلمه تک سلولی “مولتیومیکس تنظیمی با پروفایل جهش عمیق میتوکندری” است. با استفاده از این روش، آنها می توانند شجره نامه هزاران سلول خونی را از نمونه خون انسان بازآفرینی کنند و همچنین اطلاعاتی در مورد وضعیت هر سلول جمع آوری کنند: سطح بیان ژن و تفاوت در اپی ژنوم آن یا وجود مناطق. از DNA که باید بیان شود.
ترکیب دودمان سلول ها با وضعیت هر سلول برای درک چگونگی تغییر دودمان سلولی در طول زمان و تأثیرات آن تغییرات کلیدی است. اگر محققی مکانی را در شجره نامه مشخص کند که برای مثال، دودمان سلول های خونی نسبت به تولید نوع خاصی از سلول های خونی تعصب دارند، آنگاه می توانند ببینند که چه چیزی در وضعیت سلول ها قبل از آن تغییر تغییر کرده است تا بفهمند چه ژن ها و چه ژن هایی راه ها منجر به این تغییر در رفتار شده است. به عبارت دیگر، آنها می‌توانند از ترکیب داده‌ها استفاده کنند تا نه تنها متوجه شوند که یک تغییر رخ داده است، بلکه مکانیسم‌هایی را نیز در آن تغییر نقش داشته است.
ویزمن می گوید: «هدف این است که وضعیت فعلی سلول را با تاریخ گذشته آن مرتبط کنیم. توانایی انجام این کار در یک نمونه انسانی دست نخورده به ما این امکان را می‌دهد که پویایی فرآیند تولید خون را مشاهده کنیم و تفاوت‌های عملکردی سلول‌های بنیادی خونساز را به روشی درک کنیم که قبلاً امکان‌پذیر نبود.
با استفاده از این رویکرد، محققان به چندین کشف جالب در مورد تولید خون دست یافته اند.
تنوع دودمان سلول های خونی با افزایش سن کاهش می یابد
محققان دودمان سلول های خونی مشتق شده از هر HSC را ترسیم کردند. هر یک از این دودمان یک گروه کلونال نامیده می شود. محققان فرضیه‌های متفاوتی در مورد نحوه عملکرد گروه‌های کلون دارند: شاید آنها قابل تعویض باشند و هر سلول بنیادی تعداد و انواع سلول‌های خونی را تولید کند. شاید آنها تخصصی باشند، یک سلول بنیادی گلبول های قرمز و دیگری گلبول های سفید تولید می کند. شاید آنها به صورت شیفتی کار می کنند، در حالی که برخی از HSC ها خاموش هستند در حالی که برخی دیگر سلول های خونی تولید می کنند. محققان دریافتند که در افراد سالم و جوان، پاسخ در وسط است: اساساً هر سلول بنیادی هر نوع سلول خونی را تولید می کند، اما دودمان خاصی نسبت به تولید یک نوع سلول نسبت به نوع دیگر تعصب دارند. محققان دو نمونه از هر آزمودنی را به فاصله چهار ماه از یکدیگر گرفتند و دریافتند که این تفاوت‌ها بین خطوط در طول زمان پایدار است.
سپس محققان از افراد مسن نمونه خون گرفتند. آنها دریافتند که با بالا رفتن سن افراد، گروه‌های کلونال خاصی غالب می‌شوند و درصد بسیار بالاتر از میانگین کل سلول‌های خون را تولید می‌کنند. هنگامی که یک گروه شاخه با سایرین مانند این رقابت می کند، به آن توسعه می گویند. محققان می‌دانستند که در برخی بیماری‌ها، یک گروه کلونال حاوی جهش مرتبط با بیماری می‌تواند گسترش یافته و غالب شود. آنها نمی دانستند که گسترش کلونال در پیری حتی در افراد به ظاهر سالم نیز فراگیر است، یا اینکه برای گروه های کلونال متعدد گسترش می یابد. این درک گسترش کلونال را پیچیده می کند، اما چگونگی تغییر تولید خون با افزایش سن را روشن می کند: تنوع گروه های کلونال کاهش می یابد. محققان در حال کار برای کشف مکانیسم هایی هستند که به گروه های کلونال خاص اجازه می دهد تا بر سایرین گسترش یابند. آنها همچنین علاقه‌مند به آزمایش گروه‌های کلونال برای نشانگرهای بیماری هستند تا بفهمند کدام گسترش‌ها توسط بیماری ایجاد می‌شوند یا می‌توانند به آن کمک کنند.
ReDeeM به محققان اجازه داد تا مشاهدات بیشتری در مورد تولید خون انجام دهند که بسیاری از آنها با تحقیقات قبلی مطابقت دارند. این همان چیزی است که آنها امیدوار بودند ببینند: این واقعیت که این ابزار به طور موثر الگوهای شناخته شده در تولید خون را شناسایی می کند، کارایی آن را تأیید می کند. اکنون که محققان می دانند این روش چقدر خوب کار می کند، می توانند آن را برای بسیاری از سؤالات مختلف در مورد روابط بین سلول ها و مکانیسم هایی که باعث تغییر در رفتار سلول می شوند، اعمال کنند. آنها در حال حاضر از آن برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد بیماری های خود ایمنی، سرطان های خون و منشاء انواع خاصی از سلول های خونی استفاده می کنند.
محققان امیدوارند که دیگران از روش آنها برای پرسیدن سؤالاتی در مورد پویایی سلولی در بسیاری از سناریوها در سلامت و بیماری استفاده کنند. سانکاران، که یک متخصص هماتولوژیست است، همچنین امیدوار است که این روش روزی انقلابی در دسترسی پزشکان به اطلاعات بیماران ایجاد کند.
سانکاران می‌گوید: «در آینده‌ای نه چندان دور، می‌توانید به نمودار یک بیمار نگاه کنید و ببینید که بیمار دارای تعداد غیرطبیعی HSCs کم یا تعداد غیرطبیعی بالایی است و این به شما اطلاع می‌دهد که در مورد خطر بیماری او چگونه فکر می‌کنید. ReDeeM لنز جدیدی ارائه می‌کند که از طریق آن می‌توان دینامیک تولید خون در کلون‌ها و چگونگی تغییر آنها در سلامت و بیماری انسان را درک کرد. در نهایت، ما قادر خواهیم بود این درس ها را در مراقبت از بیمار به کار ببریم.