زرع الخلايا عالية الدقة في الزرد الجنيني واليرقات

زرع الخلايا له تاريخ طويل وحافل كتقنية أساسية في علم الأحياء التنموي. في مطلع^{القرن العشرين} ، حولت الأساليب التي تستخدم التلاعب الجسدي لإزعاج العملية التنموية ، بما في ذلك الزرع ، علم الأجنة من علم قائم على الملاحظة إلى علم تجريبي ^1,2. في إحدى التجارب التاريخية، قام هانز سبيمان وهيلدا مانغولد بزرع الشفة الظهرية لجنين السمندل على الجانب الآخر من الجنين المضيف، مما أدى إلى تحفيز الأنسجة القريبة على تشكيل محور جسم ثانوي³. أظهرت هذه التجربة أن الخلايا يمكن أن تحفز الخلايا الأخرى على تبني مصائر معينة ، وبعد ذلك ، تم تطوير عملية الزرع كطريقة قوية لاستجواب الأسئلة الحرجة في علم الأحياء التنموي فيما يتعلق بالكفاءة وتحديد مصير الخلية ، ونسب الخلية ، والقدرة الاستقرائية ، واللدونة ، وقوة الخلايا الجذعية^1،4،5.

وقد وسعت التطورات العلمية الحديثة من قوة نهج الزرع. في عام 1969 ، سمح اكتشاف نيكول لو دواران أن تلطيخ النواة يمكن أن يميز الأنواع الأصلية في كيميرا كتكوت السمان بتتبع الخلايا المزروعة وذريتها⁶. تم تعزيز هذا المفهوم لاحقا من خلال ظهور علامات الفلورسنت المعدلة وراثيا وتقنيات التصوير المتقدمة⁵ ، وتم الاستفادة منه لتتبع مصير الخلية ^6,7 ، وتحديد الخلايا الجذعية وقوتها ^8,9 ، وتتبع حركات الخلايا أثناء نمو الدماغ¹⁰. بالإضافة إلى ذلك ، سهل ظهور علم الوراثة الجزيئية عملية الزرع بين المضيفين والمتبرعين بالأنماط الجينية المتميزة ، مما يدعم التشريح الدقيق للوظائف المستقلة وغير المستقلة للعوامل التنموية¹¹.

قدمت عملية الزرع أيضا مساهمات مهمة في دراسة التجدد ، لا سيما في الكائنات الحية ذات القدرات التجديدية القوية مثل المستوية و axolotl ، من خلال توضيح الهويات الخلوية والتفاعلات التي تنظم نمو ونمط الأنسجة المتجددة. كشفت دراسات الزرع عن مبادئ الفاعلية¹² ، والأنماط المكانية ^13,14 ، ومساهمات الأنسجة المحددة^15,16 ، وأدوار الذاكرة الخلوية^12,17 في التجديد.

الزرد هو نموذج الفقاريات الرائد لدراسة التطور والتجديد ، بما في ذلك في الجهاز العصبي ، بسبب برامجه الوراثية المحفوظة ، وقابلية السحب الوراثية العالية ، والإخصاب الخارجي ، وحجم القابض الكبير ، والوضوح البصري^18،19،20. الزرد هي أيضا قابلة للغاية للزرع في مراحل النمو المبكرة. النهج الأبرز هو زرع الخلايا من جنين متبرع مسمى إلى جنين مضيف في مرحلة البلاستولا أو المعدة لتوليد الفسيفساء. سوف تتشتت الخلايا المزروعة خلال مرحلة البلاستولا وتتشتت مع بدء epiboly ، مما ينتج عنه فسيفساء من الخلايا والأنسجة الموسومة عبر الجنين²¹. تسمح عمليات زرع المعدة ببعض الاستهداف للخلايا المزروعة وفقا لخريطة مصير تقريبية حيث يتشكل الدرع ويمكن تحديد محاور A-P و D-V²¹. كانت الفسيفساء الناتجة ذات قيمة في تحديد ما إذا كانت الجينات تعمل بشكل مستقل ، واختبار التزام الخلية ، ورسم خرائط حركة الأنسجة وهجرة الخلايا طوال فترة التطوير ^5,11. يمكن توليد الزرد الفسيفسائي بعدة طرق ، بما في ذلك التثقيب الكهربائي²² ، وإعادة التركيب²³ ، و F0 التحوير²⁴ والطفرات²⁵ ، لكن الزرع يوفر أكبر قدر من التلاعب والدقة في المكان والزمان وعدد وأنواع الخلايا. تقتصر الحالة الحالية لزراعة الزرد إلى حد كبير على الخلايا السلفية في المراحل المبكرة ، مع استثناءات قليلة بما في ذلك زرع الخلايا العصبية الحركية الشوكية^26,27 ، وخلايا العقدة الشبكية^28,29 ، وخلايا القمة العصبية في أول 10-30 ساعة بعد الإخصاب (HPF) ³⁰ ، والخلايا المكونة للدم والخلايا السرطانية في الزرد البالغ ^5,31. إن توسيع طرق الزرع لتشمل مجموعة واسعة من الأعمار ومراحل التمايز وأنواع الخلايا من شأنه أن يعزز بشكل كبير قوة هذا النهج لتوفير رؤى حول عمليات النمو والتجدد.

هنا ، نعرض تقنية مرنة وقوية لزراعة الخلايا عالية الدقة فعالة في أجنة الزرد واليرقات حتى 7 أيام على الأقل بعد الإخصاب. يمكن استخدام الأسماك المضيفة والمانحة المعدلة وراثيا التي تعبر عن البروتينات الفلورية في الأنسجة المستهدفة لاستخراج الخلايا المفردة وزرعها بدقة مكانية وزمانية شبه مثالية. يسمح الوضوح البصري لأجنة ويرقات الزرد بتصوير الخلايا المزروعة حية أثناء تطور المضيف أو تجديده. تم استخدام هذا النهج سابقا لدراسة كيفية تأثير ديناميكيات الإشارات الزمانية المكانية على الهوية العصبية وتوجيه المحور العصبي في الجنين³² ، وفحص المنطق الذي تعزز به العوامل الجوهرية والخارجية توجيه المحور العصبي أثناء التجدد في أسماك اليرقات³³. بينما نركز هنا على زرع الخلايا العصبية المتمايزة ، فإن طريقتنا قابلة للتطبيق على نطاق واسع على كل من أنواع الخلايا غير المتمايزة والمتمايزة عبر العديد من المراحل والأنسجة لمعالجة الأسئلة في التطوير والتجديد.