Minimózgi to małe, trójwymiarowe struktury, hodowane w laboratoriach z ludzkich komórek macierzystych. Doskonale oddają budowę i strukturę mózgu człowieka, dzięki czemu w ostatnich latach zyskały ogromną popularność i stały się narzędziem wykorzystywanym w licznych badaniach.
Ostatnio donosiliśmy, że naukowcom z Düsseldorfu udało się doprowadzić do tego, że minimózgi samodzielnie wykształciły szczątkowe struktury oczu. Teraz, w nowym badaniu, którego wyniki przedstawiono w „Nature Neuroscience”, dokonano kolejnego przełomu.
Minimózgi wykazują aktywność elektryczną
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) wyhodowali minimózgi z komórek macierzystych pacjentów z zespołem Retta – chorobą genetyczną związaną z szeregiem zaburzeń neurorozwojowych, które w większości przypadków prowadzą do znacznej i głębokiej niepełnosprawności. Zespołowi Retta mogą towarzyszyć też napady drgawek i to właśnie źródła tych zaburzeń chcieli poszukać nauronaukowcy z UCLA.
Aby stworzyć minimózgi, badacze musieli posłużyć się bioinżynierią i „zaprogramować” komórki macierzyste dawców tak, aby wzrastając przekształciły się w tkankę mózgową. W przypadku mózgu tworzenie organoidów jest szczególnie trudne. Żeby możliwe było zbadanie nie tylko samej struktury komórkowej, ale też aktywności tego narządu konieczne jest bowiem wyhodowanie minimózgu, który wytwarza fale mózgowe (inaczej oscylacje neuronalne) – podobne do tych, które występują w prawdziwym ludzkim mózgu.
Fale mózgowe stanowią obraz aktywności elektrycznej mózgu i są rejestrowane za pomocą aparatury elektroencefalograficznej (EEG). Są one swoistym echem procesów, jakie towarzyszą przesyłaniu informacji między neuronami, a ich aktywność w poszczególnych obszarach mózgu może wskazywać na wykonywane w danej chwili czynności czy stan świadomości badanego. Teraz podobny rodzaj aktywności elektrycznej zarejestrowano w minimózgach.
Minimózgi zareagowały na eksperymentalny lek
Naukowcy monitorowali aktywność minimózgów przy pomocy elektrod i obrazowania mikroskopowego. Pierwsze badanie przypominało tradycyjne EEG, jakie przeprowadza się u pacjentów – wyjaśniają autorzy.
Wyniki wykazały, że w minimózgach można zarejestrować wiele rodzajów fal mózgowych. Najważniejsze dla autorów analizy okazały się wzorce aktywności ściśle odpowiadające tym, jakie towarzyszą napadom drgawek u osób cierpiących na zespół Retta.
Co istotne, organoidy mózgu zareagowały też na leczenie eksperymentalnym lekiem pifithrin-alfa. W testach klinicznych z udziałem chorych lek eliminował napady, podobnie było w przypadku minimózgów. Po podaniu leku do tkanek, nie obserwowano więcej aktywności charakterystycznej dla ataków drgawkowych.
Autorzy podkreślają, że przez cały czas badania komórki mózgowe wyglądały prawidłowo, a mimo to dochodziło do napadów. Podobnie jest w przypadku mózgów osób chorych na zespół Retta – tkanki wyglądają na zdrowe, ale aktywność mózgu jest nieprawidłowa. Tym samym eksperyment na minimózgach potwierdził neurologiczne podłoże ataków.
Minimózgi zastąpią zwierzęta laboratoryjne
To nie pierwsze badania, w których wzbudzono aktywność w minimózgach. Eksperyment z 2019 roku wykazał aktywność typową dla wcześniaków urodzonych ok. 28. tygodnia ciąży. Nowe badania pogłębiają poprzednie i pokazują, że organoidy mogą wykazywać różne rodzaje fal. Odkrycie jest istotne nie tylko dla badań nad lekiem poprawiającym jakość życia osób z zespołem Retta. Wykrycie fal mózgowych w minimózgach to przełom w neuronauce i dowód na to, że te hodowane w laboratoriach organoidy mogą być wykorzystywane do poszukiwania źródeł innych schorzeń i zaburzeń.
Chociaż organoidy mózgu nigdy nie dorównają złożoności rzeczywistego ludzkiego mózgu, mogą ostatecznie zastąpić zwierzęta laboratoryjne w przyszłych badaniach. Musimy jednak być pewni, że ich aktywność jest wystarczająco zbliżona do tego, co dzieje się w żywym mózgu – zauważają badacze.
– Nasze badania pokazują, że możemy wytwarzać organoidy, które przypominają prawdziwą ludzką tkankę mózgową i które mogą być używane do dokładnego odtworzenia pewnych cech i funkcji ludzkiego mózgu. Ucząc się, jak kontrolować wzorce fal mózgowych, jakie wykazuje organoid, będziemy mogli ostatecznie modelować różne stany mózgu – mówi neurobiolog Bennett Novitch z UCLA, jeden ze współautorów badania.
Rozwój badań nad minimózgami może dać nam wgląd w działanie ludzkiego mózgu na niespotykaną dotychczas skalę.
Źródło: Nature Neuroscience.