روش SCNT در بیوتکنولوژی چیست؟

عنوان: کلیات روش انتقال هسته سلول‌های بنیادی (SCNT)

چقدر گوساله‌ همانندسازی شده‌ی بنیانا را بخاطر دارید؟

زمانی این گوساله تیتر اول اخبارهای ایرانی بود و از آن به عنوان افتخار علمی کشور یاد میکردند. وقتی که در حال سرچ اسم بنیانا در گوگل بودم به سوالی برخوردم که بسیاری از افراد به دنبال جواب آن بودند. این که:

بنیانا چگونه ساخته شد؟

همین سوال باعث شد به دنبال پاسخ به این پرسش، این مقاله را برای شما آماده کنیم. گوساله‌ی بنیانا مانند همتای خارجی خودش دالی، به روش انتقال هسته‌ی سلول‌های بنیادی یا SCNT ساخته شده است. در این مقاله با بررسی فرایند عمل SCNT، کاربردهای آن و مزایا و معایب این روش، سعی کرده‌ایم به سوالات کلیدی شما در این زمینه پاسخ بدهیم.

شاید با خودتان بگویید که این موضوع خیلی وقت پیش محبوب بود و دیگر آن‌چنان درباره‌ی جانوران تاگ‌سازی شده و پیشرفت‌های آن خبری به گوش نمی‌رسد. پس چرا باید به دنبال روش ساخت جانوران تاگ سازی شده باشیم؟

توجه نکردن به موضوعی از اهمیت آن موضوع کم نمی‌کند. هنوز در دنیا از این روش برای تولید جانوران تاگ‌سازی شده‌ی گوناگون استفاده می‌شود و تاثیر آن بر بسیاری از فرایندهای درمانی شگفت‌انگیز به‌نظر می‌آید. اگر ذره‌ای به درستی این موضوع شک دارید به شما پیشنهاد میکنم بخش بعدی را حتما مطالعه کنید:

پیشنهاد: برای اینکه با دید بازتری خواندن این مقاله را شروع کنید، به شما پیشنهاد می‌کنم داستان استفاده از روش SCNT برای تولد گوسفند دالی را در ویدئوی زیر تماشا کنید.

 

 

قبل از شروع کار و یادگیری مراحل SCNT، بیایید به این سوال پاسخ دهیم که:

چرا باید از روش SCNT استفاده کنیم؟

برای پاسخ به این سوال، شما را به خواندن چند مورد از کاربردهای این روش، دعوت میکنم:

1. یک روش پروتئین درمانی خوشمزه:

شنیدن اسم بیماری‌‌های هپاتیت C و HIV هیچ‌وقت به ما احساس خوشایندی نمی‌دهد و همه‌ی ما به دنبال روش‌های مختلف برای جلوگیری از ابتلا به این بیماری‌ها هستیم. حالا تصور کنید که بسیاری از روش‌های پروتئین درمانی، دارای ریسک بالایی از خطر آلودگی به بیماری‌های هپاتیت C و HIV هستند. پس لازم نیست برای جلوگیری از این خطر اقدامی انجام دهیم؟

نگ و همکارانش به دنبال حل این مشکل و خطر بالای روش‌های مرسوم پروتئین درمانی و هزینه‌های گزاف آن، روش SCNT را پیشنهاد می‌کنند. با کمک این تکنیک ژن‌های انسانی را در نقطه‌های خاصی از ژنوم پستاندارانی مانند بز، گوسفند و گاو تراریخته وارد می‌کنند. در نتیجه پروتئین‌های انسانی در این پستانداران بیان می‌شود و با مصرف شیر آن‌ها میتوان یک روند پروتئین درمانی خوشمزه‌ را تجربه کرد. این روش نوین، یک شیوه‌ی کم هزینه‌تر و با خطر کم‌تر برای پروتئین درمانی است.

2.یک روش پیوند عضو کم‌دردسر :

پیوند عضو و مشکلات رد پیوند در آن، همیشه از دغدغه‎‌هایی بوده که محققان برای حل آن به دنبال راه‌حل‌های گوناگونی بوده‌اند. استفاده از روش SCNT یکی از این راه‌حل‌ها است که از رد پیوند جلوگیری می‌کند. جالب اینجاست که در این روش میتوانیم از ژنوم حیوانی برای پیوند عضو انسان استفاده کنیم و با مشکل رد پیوند مواجه نشویم. در یکی از آزمایشاتی که در این زمینه انجام شده است از خوک برای پیوند عضو به انسان استفاده شده است. اما چطور ممکن است از یک حیوان به انسان برای پیوند عضو استفاده کنیم و  پیوند رد نشود؟ برای رسیدن به پاسخ این سوال حتما تا انتهای مقاله را مطالعه کنید.

3.با این روش، بدون چالش‌های قبلی از حیوانات آزمایشگاهی استفاده کنید:

اگر تابحال در آزمایشگاه حیوانات کار کرده باشید، احتمالا با چالش تفاوت عملکرد یک نمونه بر روی انسان و حیوانات آزمایشگاهی روبرو شده‌اید. چگونه میتوان این تفاوت‌ها را به حداقل رساند؟

حل این مشکل تنها زمانی فراهم میشود که بتوانیم سیستم عملکرد حیوانات آزمایشگاهی را به سیستم عملکرد بدن انسان نزدیک‌تر کنیم. تکنیک SCNT در این زمینه به کمک ما می‌آید. در این روش ژن‌های انسانی که در یک بیماری بیان می‌شوند را وارد ژنوم حیوانات آزمایشگاهی می‌کنیم. با این کار، این حیوانات ژن‌های انسانی را در مواجهه با بیماری‌ها بیان می‌کنند. در نتیجه سیستم عملکرد آن‌ها به سیستم عملکرد انسان در مواجهه با آن بیماری‌ها نزدیک‌تر می‌شود. برای همین محققان با استفاده از این روش می‌توانند روند بیماری‌زایی بیماری‌های پیچیده‌تر را بطور دقیق‌تری مطالعه و آزمایش کنند.

4.سلول درمانی با استفاده از سلولهای بنیادی متمایز:

آگاهی به این علم که کودکان بسیاری از انواع سرطان رنج میبرند به اندازه کافی آزاردهنده است. حالا تصور کنید روندهای درمانی این کودکان، شامل پرتودرمانی و شیمی‌درمانی آن‌ها را با چالش نقص‌های ایمنی شدید نیز مواجه کرده است. این بیماری‌ها مانند باری برروی دوش این کودکان هستند. شاید نتوانیم تمام این بار را از روی دوش آن‌ها برداریم اما حداقل باید تلاش کنیم این بار را سبک‌تر کنیم. در این جا است که اهمیت استفاده از روشی مانند SCNT آشکار می‌شود. در این روش از سلول‌های بنیادی فیبروپلاست پوست کودک استفاده میشود. فاکتورهای رونویسی باعث تمایز این سلول‌ها به سلول‌های مغز استخوان می‌شوند و پس از پیوند زدن می‌توانند سیستم ایمنی بدن کودکان را بازسازی کنند.

علاوه بر کاربرد این روش در نقص سیستم ایمنی، این تکنیک برای درمان طیف وسیعی از بیماری‌ها از جمله حمله قلبی، سکته مغزی و دیابت به‌کار برده می‌شود. مطالعات Eschenhagen و همکارانش در این زمینه نشان داد که مهندسی بافت برای ترمیم قلب با استفاده از تکنیک SCNT امکان پذیر است. این درمان چگونه صورت می‌گیرد؟

برای پاسخ به این سوال گام‌های اصلی تکنیک را مطالعه کنید.

با وجود تمام کاربردهای ذکر شده نمیتوانیم چشممان را روی معایب استفاده از این روش ببندیم. به همین دلیل در اینفوگرافیک زیر نگاهی اجمالی به مزایا و معایب استفاده از این روش می‌اندازیم.

 

Advantages of SCNT	Disadvantages of SCNT
Retains genetic code of the donor nucleus: Resultant tissue that is transplanted into the donor patient will not be exposed to potentially fatal immune rejection.[45]	Adverse effects of somatic nucleus choice: Somatic nucleus adversely determines cloned offspring's post-birth growth, eg. cumulus cell lead to morbidly obese adults, and Sertoli cells lead to premature deaths of offspring.[46]
Common Procedures and Methods: Relatively similar and uniform between different researchers - the main difference appears to be the choice of culture mediums which do not seem to affect the actual outcome.[47]	Inefficient steps: ie. maximum 4% non-human embryoes become live offspring, while others display fatal abnormalities resulting in spontaneous loss with current techniques and technology.[48]
Easy Access: Easily obtainable equipment and growth substrates via purchases from biotechnology and biological supply companies.	Difficulty in inducing the re-expression of differentiated genes: This is especially the case where the donor nuclei have been obtained from adults as opposed to fetal or newborn stage.[49][50] This phenomenon appears to be in common with in vitro fertilisation in human and non-human species, where higher rates of spontaneous pregnancy terminations occur with adult-age nuclei, as opposed to higher term births with fetal/embryonic nuclei.[51]
	Electric Fusion damage: Eiges and colleagues[52] have suggested electroporation, which has been demonstrated to be fatal to stem cell survival in other non-SCNT techniques, may disrupt the delicate interaction between the fusing oocyte and somatic nucleus, thereby preventing them from communicating properly. Other methods for cytoplast-karyoplast fusion in SCNT have not been assessed yet.
	Cross-species incompatibilities: Gurdon et al.[53] suggests irreconcilable genetic differences between egg and nucleus species leads to low success rate; that is, mice eggs should not be mixed with human nuclei. Though amphibian and mammal sources were used by Gurdon and colleagues, there has been no other evidence to suggest why this incompatibility could not affect human-only procedures as well.

 

حالا وقت آن رسیده که آستین‌ها را بالا بزنید و دست به‌کار شوید. در این قسمت، به بررسی گام‌های اصلی فرایند SCNT  می‌پردازیم تا با مطالعه‌ی آن به یک دید کلی از نحوه‌ی کارکرد روش SCNT  دست یابید. برای شروع کار بیایید تعریف روش SCNT را مشاهده کنیم.

در روش SCNT یا انتقال هسته سلول‌های بنیادی به دنبال دستیابی به سلول‌های بارور و با قابلیت تقسیم شدن هستیم. به همین منظور از ترکیب سلول‌های سوماتیک بدن با توانایی تقسیم بالا و سلول‌های تخمک و اسپرم با توانایی بارور شدن، استفاده می‌کنیم تا به سلول نوینی با داشتن هر دو ویژگی برسیم.

چگونه با استفاده از روش SCNT  میتوانیم به سلولی با این ویژگی‌ها برسیم؟

قدم به قدم ما را همراهی کنید.

قدم اول:آماده سازی سلول سوماتیک:

در این مرحله میتوانید از بیشتر سلول‌های طبیعی بدن استفاده کنید. انتخاب با شماست! البته چند نوع از این سلول‌ها کاربرد بیشتری دارند که استفاده از آن‌ها را به شما پیشنهاد می‌کنم:

پرطرفدارترین سلول سوماتیکی که محققین در این زمینه استفاده می‌کنند، فیبروبلاست‌های پوستی هستند. چرا که دسترسی به این سلول‌ها آسان‌تر است. همچنین استفاده از این سلول‌ها با درد کم‌تری همراه است و رفتار تهاجمی کمتری نسبت به سایر سلول‌ها نشان میدهند. البته سلول‌های غده پستانداران و سلول‌های کومولوس نیز در این زمینه بسیار استفاده می‌شوند.

حالا بیایید با بررسی یک مثال ادامه‌ی این مرحله را دقیق‌تر بررسی کنیم:

از آن‌جا که استفاده از فیبروبلاست‌ها مرسوم‎‌تر است مثال خود را در این زمینه مطرح می‌کنم. برای شروع کار مقداری از پوست بریده شده را درون محلول بافر آنزیم تریپسین قرار داده می‌شود. سپس این مخلوط را روی یک محیط سرم قرار داده و به مدت سه هفته انکوبه می‌شود. هدف از انجام این کار این است که یک لایه‌ی واحد از فیبروبلاست‌ها، بدون هیچ نوع سلول دیگری را بدست آوریم.

قدم دوم: تهیه تخمک:

 

در این مرحله سفری به درون تخمدان ماده را تجربه میکنیم. محققان برای تهیه‌ی تخمک از تخمدان در مرحله‌ی آنتروال اقدام ‌می‌کنند. به این صورت که وقتی که فولیکول‌های مادر به 18 میلی‌متر رسید توسط سوزن transvaginal سونوگرافی تخمک تخم گذاری شده را استخراج می‌کنند. البته قبل از انجام این کار با تزریق گنادوتروپین کوریونی انسانی یا  Hcg جلوی رفتارهای تهاجمی تخمدان هنگام انجام این عمل را میگیرند. پس از اینکه استخراج تخمک انجام شد، آن را در سرم مایع انسان قرار میدهند. این سرم همان شرایطی را ایجاد می‌کند که برای لقاح آزمایشگاهی نیز فراهم می‌شود.

خب حالا بهتر است کمی به مطالب قبل‌تر رجوع کنیم. همانطور که گفتیم سلولی که در نهایت به دنبال آن هستیم، ترکیبی از دو سلول سوماتیک و تخمک است. این ترکیب شدن نیاز به فداکاری‌هایی از جانب دو سلول دارد. سلول تخمک برای انجام این فداکاری باید هسته‌ی خود را از دست بدهد تا پذیرای هسته‌ای با توان بالا در تقسیم باشد. برای این‌که بتوانیم هسته را از سلول خارج کنیم ابتدا باید مکان آن‌ را در سلول تشخیص دهیم. برای انجام این کار از نور فلورسنت استفاده می‌کنیم. نورفلورسنت تنها میتواند DNA تخمک را شناسایی کند به همین‌ سبب از آن برای استخراج هسته‌ی تخمک استفاده می‌کنیم. ماحصل این کار بوجود آمدن یک تخمک توخالی به نام سیتوپلاست است که آماده‌ی ورود به مرحله‌ی بعدی است.

سلول سوماتیک چگونه برای ترکیب با سیتوپلاست آماده می‌شود؟

برای انجام ادغام این سلول نیاز است که سلول فیبروبلاست سیتوپلاسم خود را از دست بدهد و آنچه ما به آن نیاز داریم هسته‌ی این سلول است. استخراج هسته از این سلول را در شکل زیر میتوانید مشاهده کنید.

قدم سوم: انتقال هسته ای:

حالا که هم سلول سوماتیک و هم تخم آمادگی لازم برای ادغام را دارند آن‌ها را در محلول سرم انسانی حاوی سیتوکالازین B قرار می‌دهیم. روش‌های انتقال هسته‌ای بسیار متنوعی در روش SCNT وجود دارد. برای همین در این قسمت به بررسی یکی از این روش‌ها بسنده می‌کنیم:

ابتدا توسط لیزر یک سوراخ نازک در تخمک ایجاد میشود تا از طریق آن، هسته سلول سوماتیک به سیتوپلاست وارد شود. البته پس از انجام این کار هنوز ادغام کامل صورت نمیگیرد و برای متوقف نشدن این فرایند نیاز است که الکترود شدن سلول ادامه پیدا کند.

در هنگام ادغام دو سلول با یک‌دیگر یک چالشی وجود دارد که آن فعال‌سازی زودهنگام برای ادامه‌ی مراحل تقسیم است.  برای جلوگیری از این مشکل، یک ویروس غیر فعال به نام Sendai را بین هسته سوماتیک و سیتوپلاست وارد می‌کنند. این ویروس باعث ادامه‌ی فرایند فعال‌سازی بدون اختلال و حفاظت از MPF به عنوان فاکتور تقویت کننده‌ی بلوغ، می‌شود. خب تا این جای مسیر ادغام بدون مشکل انجام می‌گیرد. حالا برای اینکه بدانید در ادامه‌ی این مسیر چه اتفاقی می‌افتد حتما تا پایان مراحل ما را دنبال کنید. قبل از آن پیشنهاد میکنم با دیدن این ویدئو که انتقال هسته‌ای را توضیح می‌‎دهد مطالب گفته شده در این بخش را در ذهن خود تثبیت کنید.

 

 

قدم چهارم: اتفاقات درونی پس از انتقال هسته‌ای

فرایند کامل انتقال هسته‌ای تقریباً 35-45 ساعت پس از تزریق hCG به سلول اهداکننده ماده انجام می‌شود. با این حال، سه ساعت بیشتر طول می کشد تا مشخص شود انتقال و فعال سازی موفقیت آمیز بوده است یا نه.

پس از اطمینان از موفقیت آمیز بودن فرایند، تخم را در شرایط مرطوب و دمای 37 درجه سانتی گراد انکوبه می‌کنیم. این کار یک تلاش مصنوعی برای برطرف کردن یک نیاز طبیعی است. به طور دقیق‌تر این امر باعث می‌شود شرایط رحم را در محیط ایجاد کنیم تا جنین رشد کند. البته این شرایط برای وقتی کافی است که دنبال یک توده سلولی باشیم نه یک جنین واقعی! برای به‌وجود آمدن انواع سلول‌ها و شکل‌گیری جنین نیاز به فاکتورهای تمایز مختلفی است که انواع آن توسط محققان کشف شده است. مثلا برای تمایز سلول‌های بنیادی به سلول‌های ماهیچه‌ای نیاز به دی متیل سولفوکسید و برای تمایز به نورون از اسید رتینوئیک استفاده می‌شود.

برای مطالعات تکمیلی‌تر درباره‌ی فرایند عمل SCNT مقاله‌ی زیر را به شما پیشنهاد میکنم.

 

حالا بیایید با یک تحقیق جالب از طرف دومینکو و همکارانش به این بحث خاتمه دهیم. این گروه نشان دادند که اگر از هسته‌ی پستانداران استفاده شود، تخمک می‌تواند از هر پستانداری باشد. برای مثال اگر از یک فیبروپلاست انسانی استفاده می‌کنیم لزومی به استفاده از تخمک انسانی نیست بلکه میتوان از تخمک سایر پستانداران نیز استفاده کرد! چطور ممکن است؟

علت این واقعه تشابه فرایند رشد اولیه تمام تخم‌های پستانداران است و تفاوت‌ها از زمان مورفوژنز جنین آغاز می‌شود. در نتیجه سرعت رشد و زمان جنین در گونه‌های اهدا کننده مطابقت دارد. همین امر باعث شده که از در پیوند عضو بتوانیم از تخمک سایر پستانداران نیز استفاده کنیم.

به پایان رسید این دفتر، حکایت همچنان باقیست.

همان‌طور که مشاهده کردید در این مقاله به بررسی کاربردها، مزایا و معایب و فرایند استفاده از روش SCNT پرداختیم. مطالعه‌ی این مقاله تنها جرقه‌ای برای افزایش اشتیاق شما در زمینه‌ی کلون سازی بود. برای همین در این راستا به شما پیشنهاد می‌کنم پس از خواندن این مقاله ویدئوی کلون‌سازی در صنعت بیوتکنولوژی را از مجموعه وبینارهای مدرسه‌ی بایووب را تماشا کنید.