Zespół uczonych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego pod kierunkiem prof. Duygu Kuzuma po raz pierwszy wykazał, że ludzkie organoidy mózgowe wszczepione myszom tworzą naturalne połączenia nerwowe i reagują na zewnętrzne bodźce sensoryczne. Organoidy zachowywały się w identyczny sposób, jak otaczające je tkanki, a obserwację można było prowadzić w czasie rzeczywistym przez kilka miesięcy, dzięki innowacyjnemu układowi eksperymentalnemu. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Przełom w badaniu organoidów
Organoidy mózgowe pochodzą z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), które zostały cofnięte w rozwoju z komórek skóry. To standardowa procedura wykorzystywana do tworzenia modeli do badania rozwoju ludzkiego mózgu oraz planów leczenia licznych schorzeń neurologicznych.
Czytaj też: Organoidy, jakich jeszcze nie było. Wyhodowali w laboratorium oczy
Do tej pory żaden zespół badawczy nie był w stanie wykazać, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione w korę mózgową myszy są w stanie dzielić te same właściwości funkcjonalne i reagować na bodźce w identyczny sposób. Wynika to z faktu, że technologie stosowane do rejestrowania funkcji mózgu są ograniczone i zazwyczaj nie pozwalają zarejestrować aktywności trwającej zaledwie kilka milisekund. Uczeni z San Diego rozwiązali ten problem.
Dr Madison Wilson z UC San Diego mówi:
Żadne inne badanie nie było w stanie rejestrować optycznie i elektrycznie w tym samym czasie. Nasze eksperymenty ujawniają, że bodźce wizualne wywołują odpowiedzi elektrofizjologiczne w organoidach, odpowiadające odpowiedziom z otaczającej kory mózgowej.
Uczeni wierzą, że to połączenie technologii rejestrowania neuronów do badania organoidów posłuży jako unikalna platforma do kompleksowej oceny organoidów jako modeli rozwoju mózgu i chorób oraz zbadania ich zastosowania jako protez neuronowych w celu przywrócenia funkcji utraconym, zdegenerowanym lub uszkodzonym regionom mózgu.
Nie byłoby to możliwe, gdyby nie stworzenie przezroczystych elektrod grafenowych w 2014 r. przez ten sam zespół uczonych. Od tego czasu technologia ta jest stale rozwijana – uczeni wykorzystują nanocząstki platyny, aby obniżyć impendancję elektrod 100 razy, z jednoczesnym zachowaniem ich przezroczystości. To pozwala na rejestrowanie i obrazowanie aktywności neuronów na poziomie makroskali i pojedynczych komórek.
Naukowcy zastosowali bodziec wzrokowy – optyczną diodę LED emitującą białe światło – do myszy z wszczepionymi organoidami. Zaobserwowano aktywność elektryczną w kanałach elektrodowych nad organoidami, pokazując, że organoidy reagują na bodziec w taki sam sposób, jak otaczająca je tkanka. Aktywność elektryczna rozprzestrzeniała się z obszaru najbliższego korze wzrokowej w obszarze wszczepionych organoidów poprzez połączenia funkcjonalne. Wyniki te sugerują, że organoidy utworzyły połączenia synaptyczne z otaczającą je tkanką korową trzy tygodnie po implantacji i otrzymały funkcjonalne wejście z mózgu myszy. Eksperymenty będą kontynuowane i naukowcy mają nadzieję na ich wydłużenie oraz włączenie obrazowania wapnia.
Czytaj też: Ważny krok w badaniu komórek macierzystych. Organoidy będą jeszcze lepsze
Prof. Duygu Kuzum dodaje:
Przewidujemy, że w przyszłości to połączenie komórek macierzystych i technologii neurorejestracji będzie wykorzystywane do modelowania choroby w warunkach fizjologicznych, badania kandydatów do leczenia na organoidach specyficznych dla pacjenta oraz oceny potencjału organoidów do przywrócenia określonych utraconych, zdegenerowanych lub uszkodzonych regionów mózgu.