Zespół naukowców ze Stanford Medicine, kierowany przez światowej sławy specjalistę – prof. Sergiu Paskę – z powodzeniem połączył ludzkie neurony z tkanką mózgową szczurów, tworząc hybrydowe obwody nerwowe. Udało się to po raz pierwszy w historii, a szczegóły eksperymentów można przeczytać w czasopiśmie Nature.
Czytaj też: Minimózgi wyhodowane w laboratorium same wykształciły zalążki oczu
Prof. Sergiu Pasca mówi:
Możemy teraz badać zdrowy rozwój mózgu, jak również zaburzenia funkcjonalne i strukturalne, bez konieczności wycinania tkanki od człowieka. Możemy użyć tej nowej platformy do testowania nowych leków i terapii genowych na zaburzenia neuropsychiatryczne.
Hybrydowe mózgi
Uczeni wykorzystali metodę stworzoną przez prof. Paskę w 2015 r., kiedy to udało się cofnąć ludzkie komórki skóry do stadium komórek macierzystych mogących różnicować się w większość z ok. 200 typów tkanek. Tak pokierowano ich wzrostem, by wytworzyły organoidy mózgowe (minimózgi) – struktury złożone z komórek nerwowych, przypominające korę mózgową. Jest to najbardziej zewnętrzna warstwa ludzkiego mózgu, a także ta, która wyewoluowała najpóźniej. Prof. Pasca kontynuował swoje badania, dzięki czemu wygenerował organoidy reprezentujące kilkanaście różnych regionów mózgu.
Prof. Pasca tłumaczy:
Tworzyliśmy coraz bardziej skomplikowane obwody nerwowe w naczyniach, wykorzystując organoidy i ich wyrafinowane kombinacje, zwane asembloidami. Ale neurony w tych naczyniach nadal były opóźnione w rozwoju w porównaniu z tym, co można zobaczyć w naturalnie rozwijającym się ludzkim mózgu. Brak składników odżywczych i czynników wzrostu, komórek śródbłonka tworzących naczynia krwionośne lub informacji sensorycznych utrudniają rozwój minimózgów w naczyniach laboratoryjnych.
Wyhodowane in vitro ludzkie neurony przeszczepiono zaledwie 2-3-dniowym szczurom (odpowiednik ludzkich niemowląt). Przeprowadzenie takiego zabiegu u dorosłych gryzoni nie byłoby możliwe, gdyż większość połączeń nerwowych tworzy się na wczesnym etapie rozwoju, a sam mózg traci plastyczność. Po dwóch miesiącach hodowli, organoidy przypominające ludzką korę mózgową przeniesiono do mózgów młodych szczurów.
Czytaj też: Ważny krok w badaniu komórek macierzystych. Organoidy będą jeszcze lepsze
Szczurze komórki szybko migrowały do ludzkiej tkanki: komórki śródbłonka szczurów przeniknęły do ludzkich organoidów mózgowych i połączyły się w naczynia krwionośne, które dostarczają składniki odżywcze oraz substancje sygnalizacyjne do ludzkich komórek. Ludzkie organoidy wszczepione do szczurzych mózgów przetrwały, rozwijały się i rosły. Mierzące w chwili przeszczepu około 0,5 cm, rozrosły się do tego stopnia, że sześć miesięcy później zajmowały 1/3 półkuli mózgu szczura.
Co najciekawsze, ludzkie neurony, które hodowano w mózgach szczurów były co najmniej sześć razy większe od tych powstających w organoidach w warunkach in vitro. Te pochodzące od żywego zwierzęcia miały także bardziej złożone rozgałęzienia.
Prof. Pasca dodaje:
Jedną ze struktur mózgu szczura, z którą ludzkie neurony nawiązały bezpośrednie połączenie, było wzgórze – region, który przekazuje wiele sensorycznych sygnałów do kory mózgowej. To połączenie mogło zapewnić sygnalizację niezbędną do optymalnego dojrzewania i integracji ludzkich neuronów.
Co dalej?
Aby sprawdzić zdolność przeszczepionych organoidów do sygnalizowania molekularnych podstaw ludzkich zaburzeń neuropsychiatrycznych, zespół prof. Paski postanowił przyjrzeć się zespołowi Timothy’ego – rzadkiej choroby genetycznej silnie związanej z autyzmem i epilepsją. Naukowcy przeszczepili organoid wytworzony z komórek skóry pacjenta z zespołem Timothy’ego do jednej strony mózgu szczura. W to samo miejsce po drugiej stronie przeszczepili organoid wygenerowany ze zdrowego osobnika, który służył jako kontrola.
Czytaj też: Jak naczynia krwionośne pamiętają o udarze mózgu
Około 5-6 miesięcy później zaobserwowało wyraźne różnice w aktywności elektrycznej obu stron. Neurony zespołu Timothy’ego były również znacznie mniejsze i pozbawione dendrytów, które działają jak anteny dla sygnałów z pobliskich neuronów. Naukowcy ze Stanford Medicine zadbali o umieszczenie organoidów w regionie mózgu szczurów, który przetwarza informacje sensoryczne pochodzące z wibrysów zwierząt.
W opisanym badaniu wykazano, że ludzkie neurony mogą być aktywowane przez informacje pochodzące ze szczurzych wibrysów. Testy poznawcze ok. 200 dni po transplantacji wykazały, że szczury nie były bardziej bojaźliwe niż zwierzęta z grupy kontrolnej, a także zachowały podobne zdolności pamięciowe i nie doświadczyły drgawek.
Prof. Pasca podsumowuje:
To najbardziej zaawansowany ludzki obwód mózgowy, jaki kiedykolwiek zbudowano z ludzkich komórek skóry i demonstracja, że wszczepione ludzkie neurony mogą wpływać na zachowanie zwierzęcia. Nasza platforma zapewnia po raz pierwszy odczyty behawioralne dla ludzkich komórek i mamy nadzieję, że przyspieszy nasze zrozumienie złożonych stanów psychiatrycznych.