أول "مخطط" لتطور الهيكل العظمي البشري يقدم رؤى جديدة حول تكوين العظام
يكشف "المخطط" الأول لتطور الهيكل العظمي البشري عن كيفية تشكل الهيكل العظمي، ويلقي الضوء على عملية التهاب المفاصل، ويسلط الضوء على الخلايا المشاركة في الحالات التي تؤثر على نمو الجمجمة والعظام.
استخدم باحثون من معهد ويلكوم سانجر وزملاؤه تقنيات جينومية متطورة لتحديد جميع الخلايا والمسارات المشاركة في المراحل المبكرة من نمو الهيكل العظمي. كجزء من مشروع أطلس الخلايا البشرية الأوسع نطاقًا، يمكن استخدام هذا المورد للتحقيق فيما إذا كانت الأدوية العلاجية الحالية أو المستقبلية يمكن أن تعطل نمو الهيكل العظمي إذا تم استخدامها أثناء الحمل.
وتُظهر الدراسة، التي نُشرت اليوم (20 نوفمبر) في مجلة Nature ، صورة واضحة لكيفية عمل الغضروف كسقالة لتطور العظام عبر الهيكل العظمي، باستثناء الجزء العلوي من الجمجمة. وقد رسم الفريق خريطة لجميع الخلايا المهمة لتكوين الجمجمة وبحثوا في كيفية تسبب الطفرات الجينية في اندماج البقع الرخوة في جمجمة الأطفال حديثي الولادة في وقت مبكر جدًا، مما يحد من نمو الدماغ النامي. وفي المستقبل، يمكن استخدام هذه الخلايا كأهداف تشخيصية وعلاجية محتملة لتحديد وعلاج الحالات الخلقية.
كما وجدوا جينات معينة نشطة في خلايا العظام المبكرة والتي قد تكون مرتبطة بزيادة خطر الإصابة بالتهاب المفاصل الوركي في مرحلة البلوغ. وبالمقارنة، يقترحون أن الجينات الأخرى في خلايا الغضروف المبكرة مرتبطة بزيادة خطر الإصابة بالتهاب المفاصل في الركبة، ربما بسبب دورها في إصلاح الغضروف. في المستقبل، قد تساعد دراسة هذه الخلايا المختلفة بشكل أكبر في تطوير علاجات جديدة لهذه الحالات.
بشكل عام، يعد الأطلس الهيكلي النامي موردًا متاحًا مجانًا يمكن استخدامه لفهم المزيد عن تطور العظام وكيف يؤثر ذلك على الظروف التي تؤثر على هذه الأنسجة التي تحدث عند الأطفال والبالغين.
هذه الورقة هي واحدة من مجموعة تضم أكثر من 40 منشورًا من منشورات HCA في مجلات Nature Portfolio والتي تمثل قفزة بارزة في فهمنا لجسم الإنسان. لقد ألقت هذه الدراسات التكميلية للغاية الضوء على الجوانب الأساسية للتطور البشري وعلم الأحياء الصحية والمرضية، وأدت إلى تطوير أدوات وتقنيات تحليلية حيوية، وكلها ستساهم في إنشاء أطلس الخلايا البشرية 1 .
تتصلب جماجم الأطفال تمامًا وتندمج عندما تتراوح أعمارهم بين سنة وسنتين. قبل هذه العملية التنموية، توجد بقع طرية في الجمجمة تسمح للدماغ بمواصلة النمو بعد ولادة الطفل. في بعض الحالات، تندمج هذه البقع الطرية مبكرًا جدًا، مما يتسبب في حالة تُعرف باسم انغلاق الجمجمة المبكر، والتي تمنع الدماغ من التوسع.
في المملكة المتحدة، يتم علاج هذه الحالة عادةً بسرعة من خلال إجراء عملية جراحية، ولكن إذا تُرِكَت دون علاج، فقد تتسبب في تراكم الضغط في الجمجمة، مما يؤدي إلى صعوبات في التعلم ومشاكل في الرؤية وفقدان السمع. وفي حين ارتبط انغلاق الجمجمة المبكر بالطفرات الجينية، لم يكن من الممكن حتى الآن تحديد الخلايا البشرية التي تعطلها هذه الطفرات.
يُعد هشاشة العظام الشكل الأكثر شيوعًا لالتهاب المفاصل في المملكة المتحدة ويسبب ألمًا وتصلبًا في المفاصل، مثل الورك والركبتين، بمرور الوقت. وذلك لأن الطبقة الواقية، المعروفة بالغضروف، حول هذه المفاصل أصبحت مكسورة أو متآكلة. وفي النهاية، في معظم الحالات، من الضروري استبدال المفصل من خلال جراحة كبرى، حيث لا يستطيع البالغون زراعة خلايا جديدة لإصلاح الغضروف التالف.
وباستخدام أحدث التقنيات، تمكن باحثون من معهد سانجر وزملاؤه من رسم خريطة لتطور الهيكل العظمي في الأشهر الثلاثة الأولى من الحمل، من الأسبوع الخامس إلى الأسبوع الحادي عشر بعد الحمل، على المستوى المكاني وعلى مستوى الخلية الواحدة. وقد مكنهم هذا من وصف جميع الخلايا والشبكات الجينية والتفاعلات التي تشارك في نمو العظام أثناء التطور المبكر، بما في ذلك موضع الخلايا في الأنسجة سريعة النمو.
كشفت خريطة الخلية الواحدة كيف تنمو خلايا الغضروف أولاً، وتعمل كسقالة لخلايا العظام لتنمو فوقها. وسلط الفريق الضوء على كيفية حدوث ذلك في كل مكان في الهيكل العظمي باستثناء الجزء العلوي من الجمجمة، والذي يسمى التاج. داخل التاج، اكتشفوا أنواعًا جديدة من خلايا العظام المبكرة التي تشارك في نمو الجمجمة. حقق الفريق في كيفية تعطيل الطفرات الجينية المرتبطة بالتهاب الدروز المبكر لهذه الخلايا العظمية المبكرة، مما يتسبب في اندماجها مبكرًا جدًا.
ووجد الباحثون أيضًا أن المتغيرات الجينية المرتبطة بارتفاع خطر الإصابة بهشاشة العظام في الورك كانت متورطة في التطور المبكر لخلايا العظام ومنظماتها اللاحقة، في حين كانت المتغيرات التي أثرت على خطر الإصابة بالتهاب المفاصل في الركبة متورطة في تكوين الغضاريف.
بالإضافة إلى ذلك، استخدم الفريق الأطلس لاستكشاف تأثير الأدوية على نمو الهيكل العظمي. قاموا بتجميع قائمة من 65 دواء معتمد سريريًا، والتي لا يُنصح بها حاليًا أثناء الحمل، وسلطوا الضوء على الحالات التي قد تعطل فيها هذه الأدوية نمو الهيكل العظمي. من خلال تضمين هذه المعلومات في الأطلس، فإنه يسلط الضوء على التأثير الذي يمكن أن تحدثه الأدوية على الإنسان النامي ويمكن أن يكون مفيدًا عند النظر في ما إذا كانت العلاجات آمنة للاستخدام أثناء الحمل.
"هناك عدد لا يحصى من العمليات التي تعمل في انسجام أثناء نمو الهيكل العظمي والمفاصل لدى الإنسان، وقد وصفت أبحاثنا أنواع الخلايا والآليات المشاركة في تكوين العظام واندماج الجمجمة. ومن خلال دراسة هذه، تمكنا من إعطاء سياق لمتغيرات الحمض النووي المرتبطة بالحالات الخلقية، مثل انغلاق الجمجمة المبكر، والتنبؤ بكيفية تأثير التغيرات الجينية على الهيكل العظمي النامي. وفي نهاية المطاف، قد يساعدنا استخدام هذا الأطلس في فهم أفضل لظروف كل من الهيكل العظمي الشاب والمتقدم في السن. كما يمكن أن يساعدنا الحصول على "المخطط" لتكوين العظام في تطوير طرق فعالة لنمو خلايا العظام والغضاريف في طبق، وهو ما يتمتع بإمكانات علاجية هائلة".
الدكتور كين تو، المؤلف الأول المشارك من معهد ويلكوم سانجر
قال الدكتور جان باتريك بيت، المؤلف الأول المشارك من معهد ويلكوم سانجر: "نحن متحمسون لإنشاء أول خريطة متعددة الجينات للهيكل العظمي البشري النامي، وهو شيء يتمتع بإمكانات هائلة في فهم كيفية نمو عظامنا وعلاج الحالات التي قد تؤثر على ذلك. مكّن أطلسنا متعدد الطبقات والمحدد زمنيًا ومكانيًا من إجراء تحليلات حسابية جديدة، والتي استخدمناها لإنشاء رؤية متكاملة لكيفية تنظيم العمليات التنموية. إن الحصول على صورة أكثر وضوحًا لما يحدث أثناء تشكل هيكلنا العظمي، وكيف يؤثر ذلك على حالات مثل هشاشة العظام، يمكن أن يساعد في فتح علاجات جديدة في المستقبل ".
قالت البروفيسورة سارة تيشمان، المؤسس المشارك لمشروع أطلس الخلايا البشرية والمؤلفة الرئيسية السابقة في معهد ويلكوم سانجر، ومقره الآن في معهد كامبريدج للخلايا الجذعية بجامعة كامبريدج: "يلقي أطلسنا العظمي الفريد والمتاح مجانًا الضوء على تطور الغضاريف والعظام والمفاصل في الأشهر الثلاثة الأولى من الحمل، ويوضح الخلايا والمسارات المعنية معًا لأول مرة. يجمع هذا الأطلس بين التكنولوجيا المكانية المتطورة والتحليل الجيني ويمكن استخدامه من قبل مجتمع البحث في جميع أنحاء العالم. يتم تنسيق هذا الأطلس التفصيلي لتطور العظام في المكان والزمان مع دراسات أخرى مما يجعل مبادرة أطلس الخلايا البشرية بأكملها أقرب خطوة إلى الفهم الكامل لما يحدث في جسم الإنسان عبر التطور والصحة والمرض ".