מבוא: אנומליות קרניופציאליות
אנומליות קרניופציאליות הן מומי לידה המשפיעים על צורת הראש והפנים, והן מופיעות בשכיחות של כאחד מכל מאה יילודים בארצות הברית. שני המומים השכיחים ביותר הם שסע פנים-אורלי, הכולל שסע שפה, שסע חך ושסע קו האמצע, המופיע בכאחד מכל 700 יילודים, וקרניוסינוסטוזיס, המופיע בכאחד מכל 2,000 יילודים. כ-70% מהמקרים של שסע פנים-אורלי וכ-85% ממקרי הקרניוסינוסטוזיס הם לא-סינדרומיים, כלומר ללא ממצאים נוספים ובדרך כלל ללא היסטוריה משפחתית. אחת הסיבות לכך היא שלא ברור האם הגורמים לכך הם גנטיים או סביבתיים, ואם גנטיים, האם מדובר במוטציה בגן יחיד או בשילוב של גנים. הטיפול העיקרי הזמין כיום הוא ניתוחים פולשניים, המעיקים על איכות חייהם של החולים.
תאי הגרעין הרכסי הגולגולתי (Cranial Neural Crest Cells) הם מקורם של הפנים והחלק הקדמי של הראש. אלה תאים רב-פוטנטיים היכולים להתמיין לאוסטאובלסטים, כונדרוציטים, אדיפוציטים, מלנוציטים, אודונטובלסטים, תאי עצב, גליה, תאים מייצרי הורמוני יותרת המוח ועוד. פגמים בהגירה, בהתרבות, במוות התאי, בהתמיינות ובהגדרת גורל התאים של הגרעין הרכסי הגולגולתי מדווחים לעיתים קרובות כסיבות לאנומליות קרניופציאליות. לכן, הבנת מנגנוני הוויסות של תאים אלה עשויה לפתוח אפשרויות טיפול חדשות.
חלבונים מורפוגנטיים עצמיים (BMPs)
חלבונים מורפוגנטיים עצמיים (BMPs) הם חברים במשפחת TGF-beta. כאשר ליגנדים של BMP נקשרים לרצפטורים, נוצרים הטרו-מולטימרים הכוללים רצפטורי BMP מסוג II ורצפטורי BMP מסוג I. אלה מעבירים את האות דרך פוספורילציה של SMAD1/5/9 (מסלול תלוי-SMAD) או דרך TAK1/p38 MAP kinases (מסלול בלתי תלוי-SMAD). רמת האיתות של BMPs מווסתת על ידי האנטגוניסט Noggin ועל ידי SMAD6/7 מעכבות.
BMPs התגלו במקור כמחוללי עצם, אך מחקרים עדכניים הראו שהם ממלאים תפקיד רב-ממדי בהתפתחות העובר, כולל בהתפתחות הקרניופציאלית, על ידי ויסות התרבות, מוות תאי, התמיינות והגדרת גורל תאים, בנוסף לאוסטאוגנזה. מחקרים רבים הראו שמוטציות של רווח או אובדן תפקוד ב-BMPs, ברצפטורי BMP ובגנים מטרה הם גנים של מסלול ה-BMP בעכברים מפתחים אנומליות קרניופציאליות. עם זאת, ישנם מעט מאד דיווחי מקרה על חולים אנושיים עם מוטציות ב-BMP.
שסע פנים-אורלי
שסע פנים-אורלי הוא המום הקרניופציאלי השכיח ביותר, ומתבטא בפיצול השפה ו/או החך. כתוצאה מהמבנה הלקוי, חולים עם שסע פנים-אורלי סובלים לעיתים קרובות מקשיים בהזנה, בבליעה ובנשימה. הניתוחים הפולשניים הסדרתיים לאחר הלידה הם האפשרות הטיפולית היחידה, ולכן הבנת המנגנונים המולקולריים של ההתפתחות הקרניופציאלית הפתולוגית עשויה לאפשר טיפולים מניעתיים, כגון מתן תרופה לאמהות בהריון.
מחקרים בעכברים חושפים מנגנונים שונים. עכברים חסרי Bmp7 מפתחים שסע חך לצד קיצור בסחוס של מקל (Meckel), שמאפיין את רצף פייר רובן. תרבית ex vivo הראתה שמדפי החך בעכברים אלה שומרים על יכולת ההתמזגות כשמקרבים אותם, מה שמרמז שהקיצור בסחוס מקל הוא שגורם לשסע, ולא מחסור ישיר ב-BMP7 במדפי החך. עם זאת, תרבית ex vivo לאחר הסרת המנדיבולה, הלשון והמוח הראתה עלייה ירודה של המדפים וכישלון בהתמזגות, המרמז על מעורבות ישירה של BMP7 בתהליך.
עכברים עם ביטוי ספציפי של Noggin במזנכים החכי מפתחים שסע חך עם פגיעה בהתרבות ובהתמיינות האוסטאוגנית. מאידך, מחיקה ספציפית של Bmp2 בתאי הגרעין הרכסי הגולגולתי מביאה לשסע חך כתוצאה מכישלון בירידת הלשון. עכברים עם ביטוי מופעל-קבוע של Bmpr1a מפתחים שסע שפה ושסע חך עם צמצום בהתרבות ויצירת סחוס אקטופי. מחיקה ספציפית של Tak1 בתאי הגרעין הרכסי הגולגולתי מובילה לשסע חך עם עלייה באיתות FGF.
שתי שורות של עכברי טרנסגן המבטאים Acvr1 מופעל-קבוע בתאי הגרעין הרכסי מפתחות פגמים בפנים כולל שסע פנים-אורלי, אך עם פנוטיפים שונים בין שתי השורות. ההבדלים עשויים לנבוע מרמות שונות של פוספורילציה של SMAD1/5/9, ממיקום אינטגרציה שונה של הקונסטרוקט הטרנסגני, או מהבדלים מהותיים בין הרצפטורים. לסיכום, הפרעות במסלולים תלויי-SMAD ובלתי תלויי-SMAD מפריעות לתיאום ההתפתחות הקרניופציאלית וגורמות לאנומליות כגון שסע פנים-אורלי.
קרניוסינוסטוזיס
קרניוסינוסטוזיס הוא אנומליה קרניופציאלית שכיחה המאופיינת בצורת גולגולת ופנים לקויה כתוצאה מאיחוי מוקדם של תפרים גולגולתיים. תפרים גולגולתיים הם רקמות מזנכימליות הכוללות תאי גזע ותאי אב לתמיכה בגדילת עצמות התינוק. איחוי מוקדם גורם לאי-שיווי בין הגדילה של הגולגולת ושל המוח, מה שמוביל לעלייה בלחץ תוך-גולגולתי ועלול לגרום לנזקים נוירולוגיים כגון חירשות.
ב-1993 התגלתה מוטציה של רווח תפקוד ב-MSX2, גן מטרה מורד של מסלול BMP, בחולים אנושיים עם קרניוסינוסטוזיס מסוג בוסטון. ביטוי גבוה של Msx2 בעכברים גרם לגדילת יתר של עצמות הקדקוד. מחיקה ספציפית של שלושה מתוך ארבעה אלל של Msx1/Msx2 בתאי גרעין רכסי גולגולתי גרמה לפגמים גדולים בעצמות הקדמיות של הגולגולת. לעומת זאת, מחיקה של ארבעת האלל יחד גרמה לעצמות אקטופיות בגולגולת. ממצאים אלה מרמזים שחלבוני MSX שולטים בשני תהליכים נפרדים: עיכוב גורל ההתמיינות האוסטאוגנית, ומצד שני קידום ההתמיינות האוסטאוגנית ברגע שהתאים מחויבים לגזרה זו.
אנטגוניסט של BMP, Noggin, מבוטא בתפרים הפתוחים. עלייה באיתות FGF מדכאת את ביטוי Noggin בתפר הקורונלי. עיכוב ביטוי Smad7 בגולגולת מביא לאיחוי מוקדם של התפר הקורונלי. נמצא שבמהלך התפתחות הגולגולת, איתות BMP מווסת באופן שלילי את רמות איתות FGF. כאשר אותת BMP הוגבר בתאים המבטאים Axin2, העכברים הראו איחוי מוקדם של התפר עם סחוס אקטופי, אך עם עיכוב של איתות FGF.
ביטוי מופעל-קבוע של Bmpr1a בתאי הגרעין הרכסי הגולגולתי בעכברים גרם לאיחוי מוקדם של התפר הקדמי הקדמי (anterior frontal suture) ושל התפר האף-עליון (naso-premaxillary suture), מה שמוביל לקרניוסינוסטוזיס. נמצאה עלייה במוות התאי בתאי הגרעין הרכסי, ועיכוב מוות התאי המושרה על ידי p53 הציל חלקית את האיחוי המוקדם. סחוס אקטופי מתפתח רק בתפרים שעברו איחוי מוקדם, ובמהלך האיחוי הסחוס האקטופי מוחלף על ידי גושי עצם. על בסיס ממצאים אלה, מוצע שהגברת איתות BMP בתאי הגרעין הרכסי הגולגולתי מכוונת אותם לגורל כונדרוגני, המוביל לאיחוי מוקדם של התפרים דרך אוסיפיקציה אנדוכונדרלית.
ממצא חשוב נוסף הוא שמחיקת Bmpr1a בתאי גזע של התפרים מביאה גם היא לקרניוסינוסטוזיס, ויכולת ההתחדשות העצמית והיכולת האוסטאוגנית של תאי הגזע המזנכימליים של התפרים מצטמצמות דרמטית. תוצאות אלה מרמזות שפגמים בתאי גזע של התפרים הם אחת הסיבות לקרניוסינוסטוזיס, ולא רק עודף התמיינות אוסטאוגנית. לסיכום, הן אובדן הפונקציה והן רווח הפונקציה של איתות BMP גורמים לקרניוסינוסטוזיס ולשסע פנים-אורלי, מה שמדגיש את התפקיד הקריטי של איתות BMP בהתפתחות הגולגולת.
מקרים אנושיים
למרות שמודלים בעכברים מדגימים בצורה עקבית כיצד שינויים באיתות BMP גורמים לאנומליות קרניופציאליות, ישנם מעט מאד דיווחים על מקרים אנושיים הקשורים לגנים של BMP. כפילות של כרומוזום 10q22.3q23.2, הכולל BMPR1A, גורמת להיפרטלוריזם. מיקרו-מחיקה של 20p12.3 הכוללת BMP2 גורמת לשסע שפה וחך. פולימורפיזמים של BMP4 נמצאו בחולים עם שסע שפה עם שסע חך או בלעדיו.
בעכברים, מוטציות של אובדן תפקוד ורווח תפקוד גלובליות בליגנדים של BMP, ברצפטורים ובגנים קשורים גורמות למוות עוברי בשלבים מוקדמים. סביר להניח ששינוי משמעותי בפעילות איתות BMP עלול לגרום למוות גם בעוברים אנושיים. לאחרונה דווח על מוטציה missense הומוזיגוטית ב-BMPR1A הגורמת לבראכיצפלה עם קרניוסינוסטוזיס קורונלי חד-צדדי אצל בני אדם, עם עלייה קלה ברמות פוספו-SMAD. כמו כן, מוטציות ב-ACVRL1 וב-ACVR2A נמצאו בחולים עם קרניוסינוסטוזיס למבדואיד.
דיווחים על חולים עם קרניוסינוסטוזיס לא-סינדרומי הראו שPNP נמצאו בגן Smad6 ובאזור מחזק אפשרי של BMP2, ומוטציות frameshift ב-Smad6 התגלו אצל חולים. SMAD6 הוא SMAD מעכב המעכב את פוספורילציית SMAD1/5/9. עובדה מעניינת היא שרק חלק מהנבדקים הנושאים SNPs באזור המחזק של BMP2 מפתחים אנומליות קרניופציאליות, בעוד שכל הנבדקים שנושאים גם מוטציות בגן Smad6 מפתחים קרניוסינוסטוזיס. ממצא זה מדגים בצורה ברורה שעלייה קטנה באיתות BMP מעורבת באופן מהותי באטיולוגיה של האנומליות הקרניופציאליות בבני אדם.
עדיין ישנן שאלות פתוחות, במיוחד לגבי הסיבה לכך שמוטציות missense או nonsense בגנים הקשורים לאיתות BMP נמצאות לעיתים נדירות בחולים עם אנומליות קרניופציאליות. מחקרים עתידיים חייבים לנתח מוטציות BMP בתינוקות שנולדו מוקדם ובהולדות מת, לזהות מוטציות גנטיות בחולים עם אנומליות קרניופציאליות לא-סינדרומיות, ולבחון האם מוטציות אלה משנות את רמות האיתות של BMP על ידי בדיקת פוספורילציית SMAD1/5/9 ורמות האיתות הבלתי-SMAD. מחקרי GWAS וריצוף exome הם כלים עוצמתיים לזיהוי SNPs באזורים רגולטוריים. מאמצים אלה עשויים לספק אפשרויות טיפול חדשות לחולים עם אנומליות קרניופציאליות לא-סינדרומיות.
מקור
Ueharu, H., & Mishina, Y. (2023). BMP signaling during craniofacial development: new insights into pathological mechanisms leading to craniofacial anomalies. Frontiers in Physiology, 14, 1170511.