شارح الدرس: التكاثر الاصطناعي الأحياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف عمليات أطفال الأنابيب (الإخصاب في المختبر)، وزراعة النوى، ونلخِّص دَوْر بنوك الأمشاج في التكاثر الاصطناعي

في عام 2006، وضعت الطبيبة باتريشيا رشبروك (المولودة في 1943) طفلًا يتمتع بصحة جيدة. وكانت الطبيبة رشبروك ووالد طفلها في الستينيات من عمرهما عندما أنجبا هذا الطفل، ومن الناحية الحيوية، يبدو هذا غير منطقي. فانقطاع الطمث، وهي المرحلة العمرية التي يتوقف فيها إنتاج البويضات لدى المرأة، عادةً ما يبدأ عند سن 51 عامًا. إذن، كيف تمكَّن هذان الزوجان من إنجاب طفل يتمتع بصحة جيدة وهما في عمر الـ 60؟

وُلِدَ هذا الطفل بطريقة الإخصاب في المختبر (IVF)، وهي صورة من صور التكاثر الاصطناعي تسمح باتحاد خلية البويضة وخلية الحيوان المنوي في بيئة معملية، وذلك للمساعدة في حالات العقم. المقصود بعبارة «في المختبر» هو أن العملية تتم في «وعاء زجاجي»، وتصف العبارة كيفية إجراء التجارب خارج جسم الكائن الحي، كما يحدث عند استخدام أنبوب اختبار من الزجاج أو طبق بتري البلاستيكي.

التكاثر الاصطناعي، أو التكاثر المُسَاعَد، هو المساعدة في تكوين كائن حي باستخدام طرق اصطناعية. فبعد دمج البويضة والحيوان المنوي في المعمل، يمكن نقل الجنين الناتج إلى الرحم حيث يحدث الغرس والحمل.

يستخدم مصطلح «أطفال الأنابيب» أحيانًا للإشارة إلى عملية الإخصاب في المختبر، لكنه قد يكون مضللًا وغير مناسب لبعض الأشخاص. واستُخدِم المصطلح لأول مرة نظرًا لفكرة تكوين الجنين في أدوات معملية، بدلًا من أن يتكون في قناة فالوب. ولكن هذا لا ينطبق إلا على المراحل الأولى من نمو الجنين؛ ففي النهاية يُنقَل الجنين إلى الرحم ليُغرَس بداخله ويحدث الحمل. ولكن لأن المصطلح كان يُستخدَم لدى العامة، فقد أعطى انطباعًا خاطئًا عن أن الحمل كله يحدث خارج الرحم. ولهذا السبب، تتجه العديد من الدول إلى استخدام مصطلح «الإخصاب في المختبر» للإشارة إلى هذه العملية.

الإخصاب في المختبر عملية متعددة المراحل.

تتضمن المرحلة الأولى التحفيز بالهرمونات، التي يمكن أن تكون اصطناعية؛ وذلك لتعزيز نمو البويضات في المبيضين. عادة ما تنمو بويضة واحدة فقط وتدخل في عملية التبويض، وفي المراحل الأولى من الإخصاب في المختبر، هذه البويضة هي التي تُستخرَج. ولكن استخدام الهرمونات يتيح نمو العديد من البويضات في الوقت نفسه، في عملية تسمى «التحفيز المفرط للمبيض».

بعد ذلك يمكن استخراج البويضات أو الخلايا البيضية في بيئة سريرية، في عملية تُسمى أحيانًا «استخراج البويضات» أو «التقاط الخلايا البيضية». وأثناء استخراج البويضات، يمكن تجهيز الحيوان المنوي من السائل المنوي بعد القذف.

بعد ذلك، تُجمَع البويضات مع الحيوان المنوي ليحدث التخصيب. في الحالات الطبيعية، تحدث هذه المرحلة في قناة فالوب، ولكن عند الإخصاب في المختبر تحدث هذه العملية في معمل متخصص في عمليات الإخصاب في المختبر. وعادة ما يُستخدَم طبق بتري بلاستيكي (أو زجاجي) لوضع البويضات والحيوان المنوي. ثم يوضعان في وسط استزراع متخصص عبارة عن سائل مغذٍّ؛ وذلك لمحاكاة البيئة الفسيولوجية لقناة فالوب. وتوضح الصورة التالية ذلك.

وبوضع البويضة مع الحيوان المنوي، يندمج الحيوان المنوي مع البويضة ويخترقها لتخصيبها بمرور الوقت.

وبعد اتحاد البويضات والحيوانات المنوية، توضع في حاضنات للمحافظة على قيمة الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة المشابهة لبيئة قناة فالوب، أي البيئة التي توجد فيها البويضة والحيوان المنوي في العادة. بعد الإخصاب، يتم في المرحلة التالية متابعة الأجنة الناتجة خلال فترة من 5–3 أيام تقريبًا، وذلك قبل نقلها إلى الرحم. هناك مراحل مختلفة لنمو الجنين، يُسمى الـيوم 3 منها «مرحلة التفلُّج»، ويسمى الـيوم 4 «مرحلة التوتية»، أما الـيوم 5 فيسمى «مرحلة الكيس البلاستيولي».

وأثناء المرحلة الأخيرة من عملية الإخصاب في المختبر، يُنقَل الجنين إلى قسطرة مخصَّصة يتم إدخالها إلى الرحم. بعد ذلك يُنقَل الجنين إلى الرحم؛ أملاً في أن تحدث زراعة للجنين في الرحم، وأن يحدث حمل. يمكن تجميد أي أجنة زائدة متكوِّنة أثناء عملية الإخصاب في المختبر، ونقلها إلى الرحم في وقت آخر.

في بعض الحالات، قد يُنقل إلى رحم المرأة أكثر من جنين واحد. ويمكن أن يؤدي هذا إلى زيادة احتمالية الحصول على توائم متآخية أو توائم غير متماثلة.

يوضح الشكل 2 الخطوات الأساسية لعملية الإخصاب في المختبر.

تعتمد معدلات نجاح عمليات الإخصاب في المختبر غالبًا على عمر الأم، حيث يحدث انخفاض في جودة البويضة بمرور العمر. ووفقًا لما ذكرته مراكز مكافحة الأمراض والوقاية منها في الولايات المتحدة الأمريكية عام 2016؛ فإن السيدات تحت سن 35 عامًا لديهن أعلى معدلات لحدوث حمل ناتج عن الإخصاب في المختبر، بنسبة . يعني هذا يعني أن من بين كل 100 امرأة (تحت سن 35 عامًا) خضعت لعمليات الإخصاب في المختبر، يحدث حمل لـ 30 إلى 40 امرأة تقريبًا. ويبدأ معدل حدوث حمل في الانخفاض إلى أقل من عند سن 40 عامًا. لاحظ أن هذه الإحصائيات خاصة بالسيدات اللائي يعانين من العقم ويخضعن لعمليات الإخصاب في المختبر، أما باقي السيدات (ممن لم يُشخَّصنَ بالعقم)، فقد يكون لديهن معدلات حدوث حمل أعلى حتى مع تقدم السن.

وبسبب انخفاض معدلات حدوث حمل مع تقدم السن، يتم تشجيع الأزواج الذين يخططون لتأجيل الإنجاب على تجميد الجاميتات الخاصة بهم في سن مبكرة. وتكمن أهمية ذلك في أن عملية الإخصاب في المختبر قد تكون باهظة الثمن، وقد لا يتمكن الأزواج الأكبر سنًّا من تحمل تكلفة إجراء عملية الإخصاب في المختبر أكثر من مرة حتى حدوث الحمل؛ لذا يحتفظون بالجاميتات الخاصة بهم وهم أصغر سنًّا.

كما يُوصى للأشخاص الذين سوف يخضعون للعلاج الكيميائي بتجميد الجاميتات أو حفظها بالبرودة الشديدة؛ لأن العلاج الكيميائي قد يقلِّل من جودة الجاميتات أو حيويتها. تُحفظ هذه الجاميتات في نيتروجين سائل عند درجات حرارة شديدة البرودة ببنوك البويضات أو بنوك الحيوانات المنوية (تُعرَف مجتمعة باسم بنوك الجاميتات) لمدة تصل إلى 10 سنوات أو أكثر. يمكنك أن ترى مثالًا لعينات مخزَّنة في جزء من وعاء تخزين شديد البرودة في الصورة التالية.

بالإضافة إلى جاميتات البشر، يمكن أيضًا حفظ جاميتات الحيوانات بالتبريد الشديد. وهذا قد يكون مفيدًا أيضًا في حالة الحيوانات المهددة بالانقراض.

بالإضافة إلى الإخصاب في المختبر، توجد طريقة شائعة أخرى للتكاثر الاصطناعي وهي التلقيح الاصطناعي، حيث يُنقَل الحيوان المنوي إلى الجهاز التناسلي للأنثى على أمل حدوث حمل. في أحد أنواع التلقيح الاصطناعي، الذي يسمى التلقيح داخل الرحم، يُنقَل الحيوان المنوي إلى الرحم مباشرة. تُستخدم هاتان الطريقتان للإنسان، كما أنهما شائعتان للغاية في تلقيح الماشية أيضًا.

يأتي أحد أشهر أنواع اللحوم البقرية من سلالة الماشية السوداء اليابانية التي يُطلق عليها اسم «واجيو». وتحتوي أنسجة عضلات هذه الماشية على دهون عالية التركيز تجعل اللحم يُطهى عند درجة حرارة أقل وبجودة أعلى من لحوم الماشية الأخرى. ونظرًا للطلب الكبير على لحوم سلالة واجيو، يستخدم مربو الماشية عملية الإخصاب في المختبر أو التلقيح الاصطناعي لإنتاج المزيد من هذا النوع من الماشية بتكلفة أقل.

يمكن لمربِّي الماشية إنتاج العديد من أجنة الواجيو من بقرة واحدة، وذلك من خلال تحفيز البقرة بالهرمونات أولًا؛ لإنتاج العديد من البويضات في المبيضين. وبعد ذلك يمكن استخراج البويضات ودمجها مع الحيوان المنوي لإجراء عملية الإخصاب في المختبر أو يمكن نقل الحيوان المنوي إلى الرحم مباشرة من خلال التلقيح الاصطناعي. تُجمع أجنة الواجيو الناتجة وتُنقَل بعد ذلك إلى أبقار أخرى غير أبقار الواجيو وأقل سعرًا منها. وبهذه الطريقة يمكن لمربيون الماشية الحصول على المئات من نسل الواجيو سريعًا وبتكلفة أقل.

من المزايا الأخرى لاستخدام التلقيح الاصطناعي أو الإخصاب في المختبر للماشية: القدرة على تحسين معدلات حدوث حمل في السلالات منخفضة الخصوبة، وكذلك التحكم بشكل أفضل في التهجين لإنتاج السلالات الجديدة المرغوب فيها (مثل تهجين ماشية مقاوِمة للأمراض ومنتِجة للحليب)، أو اختيار نوع النسل الناتج.

تذكر أن الخلايا الجسمية الأنثوية لها كروموسومان X، والخلايا الجسمية الذكورية لها كروموسوم واحد X وكروموسوم واحد Y. ودائمًا ما تحتوي خلية البويضة على كروموسوم X واحد، بينما يحتوي الحيوان المنوي إما على كروموسوم X أو كروموسوم Y. وبناء عليه، عند اتحاد البويضة والحيوان المنوي أحادي الصيغة الصبغية لتكوين جنين ثنائي الصيغة الصبغية، فإن الحيوان المنوي هو ما يحدِّد الجنس. وينطبق الأمر نفسه على الماشية (ومعظم الثدييات).

يحتوي كروموسوم X على حمض نووي (DNA) أكثر من كروموسوم Y، ونظرًا لهذا الاختلاف يمكن فصله باستخدام الطرد المركزي والمجال الكهربي، وكذلك باستخدام طريقة تسمى الفصل بالتدفُّق الخلوي. وبعد الفصل، يمكن للمزارعين تجميد الحيوان المنوي واستخدامه للتحكم في جنس الماشية. إذا أراد المزارعون مزيدًا من الأبقار الإناث لتنتج الحليب في أحد المواسم المعينة، فيمكنهم استخدام الحيوان المنوي ذي الكروموسوم X لتلقيح الإناث بالتلقيح الاصطناعي. وسوف ينتج عن ذلك أجنة من الإناث. ينتج عن هذه العملية ما يعرف باسم السائل المنوي المحدِّد للجنس، حيث يمكن استخدامه لإنتاج نسل من الجنس المرغوب.

أدت معالجة الجاميتات في بيئة معملية إلى إمكانية استخدام تقنيات أخرى بجانب عملية الإخصاب في المختبر. نفترض أنك تريد استنساخ سلالة معينة من الماشية أو تكوين نسخة جينية منها؛ هل سيمكنك استخدام الخلايا الموجودة في شريحة من اللحم لفعل ذلك؟

نعم، يمكننا فعل ذلك! جميع المعلومات الجينية اللازمة لإنتاج سلالة معينة من الماشية موجودة في أنوية خلايا الجسم، أو الخلايا الجسمية، للبقرة أو الثور. وبما أن منتجات اللحوم ومنها شرائح اللحم تحتوي غالبًا على الأنسجة العضلية للحيوان، يمكننا الحصول على نواة من هذه الخلايا العضلية! ولإنتاج مُستنسخ من هذا الحمض النووي، يمكن إجراء عملية تُسمى نقل نواة الخلية الجسمية (أو زراعة النوى). وهي تتضمَّن عدة خطوات.

أولًا، نأخذ خلية من شريحة اللحم، ونعزل نواتها.

وبعد ذلك نزيل النواة أو ننزعها من خلية بويضة أحد الأبقار.

ثم يتم دمج نواة الخلية المأخوذة من شريحة اللحم والبويضة منزوعة النواة المأخوذة من البقرة، وذلك بنقل النواة إلى البويضة منزوعة النواة.

ويمكن بعد ذلك نقلها إلى البقرة، حيث تُزرع فيها لتكوين نسل مطابق جينيًّا للبقرة الي أنتجت شريحة اللحم. وهذه هي العملية التي استُخدمت لاستنساخ سلالة معينة من الماشية تُسمى دلتا في عام 2‎ ‎014، ويوضحها الشكل 4.

أجريت هذه العملية أيضًا على الضفادع. وذلك بنقل الخلايا الجنينية في مراحل النمو المختلفة إلى بويضات الضفدع منزوعة النواة. تنمو هذه الضفادع بعد ذلك لتكون مستنسخات من الأجنة الأصلية المشتقَّة منها.

تختلف عملية الاستنساخ باستخدام نقل نواة الخلية الجسمية عن التكاثر الجنسي لإنتاج النسل. ففي التكاثر الجنسي، تُخصَب البويضة أحادية الصيغة الصبغية () بالحيوان المنوي أحادي الصيغة الصبغية () ليتكون جنين فريد جينيًّا ثنائي الصيغة الصبغية () يجمع جينات البويضة والحيوان المنوي. وفي عملية نقل نواة الخلية الجسمية، فإن نواة الخلية الجسمية ثنائية الصيغة الصبغية () لشخص أو جنين تُنقل إلى خلية بويضة منزوعة النواة لتكوين جنين مستنسخًا من الكائن الحي الذي تم الحصول منه على النواة. يمكن استخدام هذه العملية مع كائنات حية أخرى بالإضافة إلى الماشية، مثل الضفادع والأغنام.

مثال ٤: فهم تقنية نقل نواة الخلية الجسمية لإنتاج مستنسخات

استُخدِمَ الخروفان الموضَّحان بالشكل في عملية زراعة النوى. حُصِلَ على البويضات من الخروف 1، وحُصِلَ على خلايا الجلد من الخروف 2.

ما التركيب الجيني للنسل الناتج عن هذه العملية؟

1. سيكون النسل مُطابِقًا وراثيًّا للخروف 2.
2. سيكون النسل مُطابِقًا وراثيًّا للخروف 1.
3. سيكون النسل مُختلِفًا وراثيًّا عن الخروفين 1 و2.
4. سيكون النسل أسود اللون تمامًا.
5. سيكون النسل أبيض اللون تمامًا.

الحل

التكاثر الاصطناعي هو المساعدة في تكوين كائن حي بطرق اصطناعية. ومن أحد الأمثلة البارزة عليه عملية الإخصاب في المختبر، حيث تُستخرج البويضات والحيوانات المنوية من الجسم وتتحد معًا في معمل لكي تتكون أجنة يمكن نقلها بعد ذلك إلى الرحم ليحدث الحمل.

من الصور الأخرى للتكاثر الاصطناعي عملية تُسمى نقل نواة الخلية الجسمية أو زراعة النوى. وهذه هي الطريقة المُستخدَمة لاستنساخ الحيوانات أو تكوين نسخ جينية منها.

هناك عدة خطوات للاستنساخ، دعونا نوضحها في سياق هذا السؤال.

أولًا، عزل نواة خلية جلد الخروف 2.

وبعد ذلك، إزالة أو نزع نواة خلية بويضة من الخروف 1.

وبعدها يتم دمج نواة خلية جلد الخروف 2 مع بويضة الخروف 1 منزوعة النواة، وذلك بنقل النواة إلى البويضة منزوعة النواة.

وينتج عن ذلك جنين يمكن نقله إلى الخروف حيث يُزرع بداخله ليتكون نسل مطابق جينيًّا للخروف 2. يمكنك أن ترى نظرة عامة على هذه العملية في الشكل التالي.

إذن، الإجابة الصحيحة هي (أ): سيكون النسل مُطابِقًا وراثيًّا للخروف 2.

دعونا نلخص بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الشارح.