Share
دراسة تجريبية على زراعة الخلايا الجذعية الجنينية للبائن في الاوساط الزرعية == EXPERIMENTAL STUDY ON CULTURE OF MAMMALIAN EMBRYONIC STEM CELLS
Author name:
انتصار نعمان وحيد العزاوي
Supervisor name:
محمود حياوي حماش
General topic:
Biology
Specific topic:
Zoology
Degree:
Doctorate
University:
Mustansiriyah University - College Of Science
Language:
English
University location:
Baghdad
First pages:
24T3203 - p.pdf
Abstract:
تم في هذه الدراسة انجاز طريقة ناجحة لزراعة الخلايا الجذعية الجنينية (Embryonic stem cells) بالاعتماد على موارد محدودة ومتوفرة وباستعمال تقنية زرع بسيطة. طريقتنا هذه تجيز باشتقاق الخلايا الجذعية الجنينية من كتلة الخلايا الداخلية (Inner cell mass) لاريمة (Blastocyst ) الفار من سلالة (Balb - C)المزروعة خارج الجسم الحي وذلك بدون الحاجة الى استئصال المبيض، او استخدام الجراحة المناعية لكتلة الخلايا الداخلية ، او استخدام الوسط الزرعي المكيف، او اضافة العامل المثبط للتمايز (العامل المثبط للوكيميا) ، لكن تمت فقط زراعة واستنبات الاريمة بوجود الطبقة المغذية(Feeder layer) المثبطة الانقسام ( الخلايا الجنينية الليفية المعاملة بمادة ميتومايسين (C) (10 مايكروغرام/ امل ( 2 ساعة) لتثبيط انقسام الخلايا المغذية وتوقف توالدها ).و الطبقة المغذية اساسية وضرورية لدعم نمو وديمومة استمرار حالة عدم التمايز في الخلايا الجذعية الجنينية، حيث في حالة نمو هذه الخلايا بدون وجود الطبقة المغذية يحدث التمايز مباشرة في الخلايا الملتصقة بالركيزة. ان وجود هذه الطبقات المغذية مع الدقة في عملية الزرع وبوجود وسط زرعي عالي النقاوة مع مصل يؤثر على ادامة النمط الظاهري الجنيني للخلايا المزروعة، بصورة خاصة في المحافظة على قابلية تمايز عالية.تبقى هذه الخلايا الجذعية الجنينية محافظة على حالة عدم التمايز خلال عمليات الزرع الثانوية المتواصلة ولعدة اشهر ، مع استمرارية اظهارها للمواد السطحية المعلمة للخلية ( الفوسفاتاز القاعدي ). تكون الخلايا الجذعية الجنينية التي لها القدرة على تكوين اي خلية او نسيج من الجسم ، صغيرة الحجم لها نواة كبيرة وسايتوبلازم قليل، والنواة حاوية على واحد او اكثر من التراكيب النوية الغامقة والواضحة، وتتجمع هذه الخلايا خلال المراحل المبكرة من عمليات الزرع الثانوي وتلتصق مع بعضها باحكام مكونة مجاميع صغيرة ، حيث من الصعوبة تمييز المكونات المفردة للخلايا ، في حين تكون في المراحل المتاخرة من عمليات الزرع الثانوي على شكل مستعمرات منبسطة ومنتشرة ، لكن الخلايا لا تزال ملتصقة مع بعضها البعض ، مما يتعذر رؤية وتميز الخلايا المفردة . هذا النمط من النمو هو صفة مميزة للخلايا الجذعية بالرغم من ان المستعمرات قد تظهر بشكل قليل الانتظام. ان زرع الخلايا الجذعية الجنينية لا بد ان يكون بكثافة عالية نسبيا وذلك لضمان الحصول على معدل نمو عالي ولاجل الحد من حدوث التمايز التلقائي للخلايا. ان ابناء مثل هذه الخلايا المفيدة التي لها صفتان مميزتان اساسيتان ، الاولى : - هي التغلب على الالية الداخلية التي تحد من مضاعفة ( استنساخ) الخلايا. الثانية : - تبقى قابلية هذه الخلايا ولمختلف مراحل عمليات الزرع الثانوية على اظهار النمط الظاهري لمجاميع خلايا الاسلاف التي انحدرت او انشقت منها مستقرة ، هذا يعني امتلاك القدرة التي تسبب التمايز الى انواع الخلايا المنحدرة من الطبقات الجرثومية الاولية للجنين، (الادمة الباطنةendoderm ، الطبقة المتوسطة mesoderm، والادمة الخارجيةectoderm ) كل هذا يجعل الخلايا الجذعية الجنينية فريدة النوع وهذه القابلية تعرف بالامكانية المتعددة ( pluripotency).تكون انواع الخلايا التي تظهر بعد استنبات الاريمة لمدة طويلة بوجود الطبقة المغذية وبدون زرع ثانوي كما ياتي : - - خلايا الارومة الاغتذائية - الخلايا الليفية - خلايا الادمة الباطنة - تراكيب شبيهة بالانبوبية - وخلايا شبيهة بالعصبية. تم استخدام المجهر الاليكتروني الماسح والمجهر المقلوب لدراسة الاحداث المورفوجينية التي تحدث خلال نمو اريمة الفار وتطور نمو المرحلة المبكرة لاسطوانة البيضة خارج الجسم الحي . فبعد تحرر الاريمة من الطبقة الشفافةZona pellucida والتصاقها بالركيزة التي تغطي سطح وعاء الزرع، فان جوف الاريمة يبدا بالانكماش اثناء انتشار وهجرة الارومة الاغتذائية الجدارية الى الخارج. في هذه المرحلة تكون كتلة الخلايا الداخلية مغطاة بخلايا الادمة الباطنة من جهة جوف الاريمة ، وبخلايا الارومة الاغتذائية القطبية من الجانب الوسطي. تكون كتلة الخلايا الداخلية عند نموها خارج الجسم الحي محاطة كليا بخلايا الادمة الباطنة بينما عند نموها داخل الجسم الحي فان خلايا الادمة الباطنة تكون فقط في الجانب المعرض لسائل جوف الاريمة . وبسبب تكاثر خلايا الارومة الباطنة التي تغطي كتلة الخلايا الداخلة، وبوجود الركيزة وقلة الحيز بسبب جوف الاريمة المنكمش فان كتلة الخلايا الداخلية طبيعيا يحد من الامتداد نحو الاسفل ، لذا فهي تهاجر وتبرز الى الاعلى الى الوسط الزرعي من خلال شق يحدث بين الارومة الاغتذائية الجدارية والقطبية. تستمر خلايا الارومة الاغتذائية القطبية المواجهة لقاعدة اسطوانة البيضةegg - cylinder في تكاثرها مكونة المخروط المشيمي الخارجيectoplacental cone . وحتى هذه المرحلة فان اسطوانة البيضة التي ينقصها حاجز الارومة الاغتذائية تقوم بعكس نمط نموها من اتجاه سطح وعاء الزرع الى موقع اعلى وبارز. ان نمو اسطوانة البيضة خارج الجسم الحي من كتلة الخلايا الداخلية وخلايا الارومة الاغتذائية القطبية مطابق كليا لما يحدث عند النمو داخل الجسم الحي . وقد حصل في هذه الدراسة نمو لتوام الزيجة خارج الجسم الحي من اريمة الفار ، قبل الالتصاق بسطح وعاء الزرع . حيث تبدا كتلة الخلايا الداخلية داخل غشاء الطبقة الشفافة بالتكاثر في جزئين وبعدها تنقسم الى قسمين ، وكل قسم من هذه الاقسام يكون حاويا خلايا ذات الفعالية الكامنة . بعد تحرر والتصاق الاريمة على الركيزة ينتج تكون اسطوانتي بيضة يتشاركان بمخروط مشيمي خارجي واحد. بصورة عامة عند تكون اسطوانات البيضة، يجد انها تشتمل على الادمة الخارجية في الداخل والادمة الباطنة في الخارج . ان الادمة الخارجية تلعب دورا مهم في النمو اللاحق للجنين داخل الجسم الحي ، حيث هذه الطبقة، هي سلف للطبقات الجنينية الاولية،( الادمة الباطنة، الطبقة المتوسطة، الادمة الخارجية ) وهذه الطبقات جميعها تكون مصدر لكل انسجة الجسم البالغ . ان زرع الخلايا الجذعية الجنينية التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة هو مشتق من كتلة الخلايا الداخلية بعد سبعة ايام من الزرع ، وكذلك من كتلتي الخلايا الداخلية لاريمة تؤام الزيجة . ان قدرة الخلايا الجذعية الجنينية على تحوير نموها وتمايزها لتكوين مختلف خلايا وانسجة الجسم البالغ تتضح من قابليتها على التمايز التلقائي خارج الجسم الحي بواسطة تكتلها او تجمعها، وذلك من خلال 2 - 3 يوم من الزرع المعلق لهذه الخلايا، والتي تكون الاجسام الجنينية والتي تشتمل على الادمة الباطنة والصفيحة القاعدية والادمة الخارجية، ان هذه الاجسام مشابهة للاجنة في مرحلة اسطوانة البيضة. وبعد خمسة ايام من الزرع المعلق يظهر في بعض الاجسام الجنينية الكبيرة وجود الهيموكلوبين الجنيني في مجاميع الخلايا الدموية المحاطة بطبقتين في الادمة الباطنة بما يشبه الكيس المحي الحشوي لجنين ما بعد الغرس. استحوذ موضوع الحصول على خلايا جذعية جنينية متعددة الفعالية وكاملة الامكانية، من المراحل المبكرة لاجنة اللبائن على اهتمام مختلف الاوساط ووسائل الاعلام وذلك للاسباب التالية : - 1) الاستنبات الناجح للخلايا الجذعية الجنينية خارج الجسم الحي، امكانيتها غير محدودة على التكاثر غير المتمايز خارج الجسم الحي. 2) الامكانية الطبية باستخدام هذه الخلايا في معالجة تعويض الانسجة ، وقد تم هنا استخدام الخلايا الجذعية الجنينية المشتقة من الفئران كنموذج حيواني مناسب | A successful method of culturing embryonic stem (ES) cells have been achieved in this study depending on the limited available resources and by a simple culture technique .This method permits ES cells culture to be derived in vitro from the inner cell mass ( ICM) of explanted mouse blastocysts of strain : Balb - C without the use of ovariectomy; immunosurgery of the ICM, conditioned medium and differentiation inhibitory factor (DIF)\Leukaemia inhibitory factor (LIF), but only cultivation of blastocysts in the presence of mitotically inactivated feeder layer [ embryonic fibroblast cells treated with mitomycin - C, 10 g\ ml (2hr) for inactivated feeder cells and arrest their proliferation]. The feeder layer are necessary and essential to support the growth and maintenance of undifferentiated state of ES cells, when these cells are grown without feeder layer, immediate differentiation takes place in the substrate attached cells. These feeder layers together with careful culture in high quality medium and serum acts to prolong the embryonic phenotype of the cell culture, specifically in terms of maintaining a high differentiation ability.These ES cells remains both undifferentiated in continuos passage for several months and expresses the cell surface marker ( Alkaline phosphatase) for different passages . Pluripotential ES cells are typically small, have a large nucleus and minimal cytoplasm, and the nuclei contain one or more prominent dark nucleoli structures. The cells in early passages pack tightly together in small nests in which it is difficult to discren the individual component cells, while in latter passages these ES cells colony are spread and flattened and the constituent cells also adhere tightly to one another, making it difficult to see individual cells. This growth pattern is characteristic of stem cells, although colonies may appear less regularly shaped. The ES cell culture should be maintained a relatively high densities to ensure maximal growth rate in order to minimize spontaneous differentiation. Establishment of such useful cells has two basic characteristics. First, the endogenous machinery that limits cell replication is overcomed. Second, these cells for different passage is stable express the phenotype of the population of progenitors from which it was derived, that’s mean, the ability to give rise to differentiated cell types that are derived from all primary germ layers of the embryo, endoderm , mesoderm, and ectoderm - is what make ES cell unique, and this ability is known as a "pluripotency".Differentiated cell types which appeared after prolonged cultivation of blastocyst on feeder layer without passage are trophoblast cells, fibroblast cells; endodermal cells; tubular - like structures; neuron - like cells.Correlative scanning electron, and inverted microscopy were utilized to study the morphogenic events occurring during mouse blastocyst outgrowth and early –egg - cylinders development in vitro. After hatching from Zona pellucida ( Z.P.) and attachment of blastocysts on the substrate coated plate surface, the blastocoelics cavity collapses as the mural trophoblasts spread and migrate outward . The inner cell mass is covered with a differentiated endoderm on the blastocoelic cavity side and by the polar trophoblasts on the medium side at this stage . The inner cell mass in vitro becomes completely surrounded with endodermal cells while the endoderm develops in vivo only on the side exposed to blastocoelic fluid . As the endoderm covered inner cell mass proliferates , being physically restricted from further downward expansion by the substrate and by the lack of space in the collapsed blastocoelic cavity , it migrates upward and protrudes into the culture medium in a break between the polar and mural trophoblast cells . Polar trophoblast cells apposed to the base of the egg cylinder continue to proliferate forming the ectoplacental cone. Thus , the early egg cylinder lacking a trophoblast barrier beings inverting its growth pattern from towards the culture plate surface to amore upright position. Egg - cylinder development in vitro from the inner cell mass and polar trophoblast cells closely paralleled in vivo. Monozygotic twins developed in vitro from (murine) mouse blastocysts, before attachment to culture plate surface. The inner cell mass became proliferated into two parts and then subdivided in side the Z.P., and each subdivision apparently incorporated totipotent cells. After hatching and attachment of this blastocyst on the substrate, resulting in the formation of two egg - cylinders sharing the same ectoplancental cone. In general, as the egg - cylindars was formed, it was found to compose of ectoderm to the inside and endoderm on the outside. In vivo the primitive ectoderm plays a pivotal role in the further development of the embryo, since that it is the progenital of three primary embryonic layers, the ectoderm, mesoderm and endoderm, which collectively are the source of all tissue of the adult body. Our ES cell culture was derived from the ICM of seven days culture and from the two ICMs of the blastocyst - derived monozygotic twin. The pluripotency of ES cells demonstrate their ability to spontaneously differentiate in vitro via aggregation, that from 2 - 3 day of suspension culture in non - adhesive dish the cells form embryoid bodies (EBs) with endoderm, basal lamina and ectoderm. They are morphologically similar to embryos of the egg - cylinder stage. From 5 days of culture some of EBs expand into large cystic structures containing embryonic haemoglobin’s of blood islend cells surrounded by two endothelial layers, this result suggest the identification of cystic EB as visceral yolk sac, of the postimplantation embryo. Pluripotent ES cells are derived from totipotent cells of early mammalian embryo are currently in the news for three reasons : the successful cultivation of ES cells in vitro; their capability of unlimited, undifferentiated proliferation in vitro and the potential medical use of these cells for tissue replacement therapy, in this work ,mice ES cells were used as suitable animal model.Self - renewing, totipotent - pluripotent ES cells may provide a virtually unlimited donor source for transplantation. A protocol that permits the in vitro generation of neural precursors from ES cells was devised. This study described conditions to induce differentiation of ES cells reliably and at high efficiency into neural pathway. A prerequisite is to treat early developing ES cell derived aggregates and simple EBs with mouse embryonic brain extract for a precise period of time. Embryonic brain extract here circumvent the need of growth factors. In vitro, treatment with brain extract resulted in the subsequent appearance of neural - like cells after subcultured treated cells. In vivo after dissociation of these cells into a single cell suspension they were stereotaxically transplanted into the brain of recipient adult mice. Results show that ES cell derived neural precursors interact with host tissue and migrated for variable distances of different region of the brain after replace damaged cells at the site of transplantation. Thus, brain extract serves here as a crude source of neurotrophic factors for the induction of ES cells to neuronal pathway, in which ES cells can serve as a valuable source of cell type - specific somatic precursors for neural transplantation.HRP - histochemical marker was introduced into culture medium for marking ES cells in vitro and in vivo to allowed for precise determination of the fate of the transplanted ES cells and their proliferation, migration and differentiation in side the brain. Evaluation of long - term experiments showed viable grafts with a stable HRP - marker expression and proved no signs of tumour growth or non - neural tissue in the transplant recipients
