Loukkaantuneisiin rottiin oksastetut ihmisen miniaivot palasivat näkökykynsä

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Melkein vuosikymmen sitten miniaivot syöksyivät neurotieteen näyttämölle vahvalla lupauksella: kehittyvien aivojen ymmärtäminen ja vaurioituneiden aivojen palauttaminen.

Nämä aivoorganisoideina tunnetut pienet aivokudoksen möhkäleet – suunnilleen linssin kokoiset – eivät näytä miltään kolmen kilon painoiselta elimeltä, joka ohjaa elämäämme. Silti pinnan alla ne käyttäytyvät aavemaisen samankaltaisesti kuin aivot ihmisen sikiö. Niiden neuronit kipinöivät sähköisellä aktiivisuudella. Ne integroituvat helposti -ja sen jälkeen valvoa-lihakset, ainakin astiassa. Kuten täysikasvuiset aivot, ne synnyttävät uusia hermosoluja. Jotkut jopa kehittävät ihmiskuoren kuusikerroksisen rakenteen – aivojen ryppyisen, uloimman kerroksen, joka tukee ajattelua, päättelyä, arvostelua, puhetta ja ehkä jopa tietoisuus.

Silti neurotieteilijöitä kummittelee kriittinen kysymys: voivatko nämä Frankensteinin aivokudoksen palaset todella palauttaa vahingoittuneet aivot?

A opiskella julkaistu Solun kantasolu tässä kuussa päätteli, että he voivat. Pennsylvanian yliopiston tohtori Han-Chiao Isaac Chenin johtama työryhmä siirsi miniaivot aikuisille rotille käyttämällä ihmissoluista valmistettuja aivojen organoideja.

Vain kolmessa kuukaudessa miniaivot sulautuivat rottien aivoihin. Kun ryhmä loisti eläimille vilkkuvia valoja, organoidit kiihdyttivät sähköistä aktiivisuutta. Toisin sanoen ihmisen miniaivot vastaanottivat signaaleja rottien silmistä.

Se ei ole vain satunnaista melua. Kuten näkökuoressamme, jotkin miniaivojen hermosoluista kehittyivät vähitellen suosimaan valoa, joka loisti tietyssä suunnassa. Kuvittele katsovasi mustavalkoista tuulimyllypuhaltelua, kun silmäsi tottuvat erilaisiin liikkuviin raidoihin. Se kuulostaa yksinkertaiselta, mutta silmiesi sopeutumiskyky – jota kutsutaan "suunnan valinnaksi" - on visuaalisen prosessoinnin kehittynyt taso, joka on kriittistä sille, miten havaitsemme maailman.

Tutkimus on yksi ensimmäisistä, jotka osoittavat, että miniaivokudos voi integroitua loukkaantuneen aikuisen isännän kanssa ja suorittaa aiotun tehtävänsä. Verrattuna aikaisempiin kantasolusiirtoyrityksiin keinotekoiset kudokset voisivat korvata loukkaantuneen tai rappeutuvan aivojen osan tulevaisuudessa - mutta monia varoituksia on jäljellä.

"Neuraalisilla kudoksilla on mahdollisuus rakentaa uudelleen loukkaantuneiden aivojen alueita." sanoi Chen. "Emme ole saaneet kaikkea valmiiksi, mutta tämä on erittäin vankka ensimmäinen askel."

Mini-Brainin minielämä

Aivojen organoidilla on ollut helvettiä. Ne suunniteltiin ensimmäisen kerran vuonna 2014, ja ne herättivät välittömästi neurotieteilijöiden kiinnostuksen ennennäkemättömänä aivojen mallina.

Kvasi-aivot on valmistettu useista lähteistä matkimaan eri aivojen alueita. Yksi välitön käyttökohde oli yhdistää tekniikka iPSC:iden (indusoitujen pluripotenttien kantasolujen) kanssa hermoston kehityshäiriöiden, kuten skitsofrenian tai autismin, tutkimiseksi.

Täällä potilaan ihosolut muunnetaan takaisin kantasolumaiseen tilaan, jota voidaan edelleen kasvattaa aivojen 3D-kudokseksi. Koska henkilöllä ja miniaivoilla on samat geenit, on mahdollista osittain kopioida ihmisen aivot kehityksen aikana – ja mahdollisesti etsiä uusia parannuskeinoja.

Mini-aivojen koko, ikä ja kehittyneisyys ovat nyt laajentuneet syntymästään lähtien. Yksi suuri harppaus oli a tasainen verenkierto. Aivomme ovat kiinteästi kietoutuneet verisuoniin, jotka ruokkivat neuronejamme ja hermoverkkojamme hapella ja ravinteilla energian toimittamiseksi. Läpimurto tapahtui vuonna 2017, kun useat ryhmät osoittivat, että ihmisen organoidien siirtäminen jyrsijän aivoihin sai isännän verisuonet integroitumaan ja "syöttämään" rakenteellista aivokudosta, jolloin se kehittyi edelleen monimutkaiseksi aivoarkkitehtuuriksi isännän sisällä. Opinnot sytytti tulimyrskyn kentällä keskustelua, jossa bioetiikka ja tutkijat pohtivat, voisivatko ihmisen organoidit muuttaa jyrsijän käsitystä tai käyttäytymistä.

Chenillä oli erilainen, joskin haastavampi idea. Useimmat aiemmat tutkimukset siirsivät miniaivot pikkujyrsijöiksi edistää organoideja ja helpottaa niiden sulautumista kehittyviin aivoihin.

Sitä vastoin aikuisten aivot ovat paljon uurteisemmat. Pitkälle kietoutuneet hermopiirit – mukaan lukien niiden signalointi ja toiminnot – ovat jo perustettuja. Jopa loukkaantuneena, kun aivot ovat valmiit korjaukseen, ylimääräisten ihmisen organoidisiirteiden, kuten Band-Aid, sisään työntäminen voi tukea katkenneita hermopiirejä – tai häiritä vakiintuneita.

Chenin uusi tutkimus laittoi teorian koetukselle.

Odottamaton fuusio

Aluksi ryhmä viljeli aivojen organoideja uusiutuvalla ihmisen kantasolulinjalla. Käyttämällä aiemmin validoitua kemiallista reseptiä solut houkuteltiin miniaivoiksi, jotka jäljittelevät aivokuoren etuosia (otsan ympärillä).

Päivään 80 mennessä ryhmä näki organoidissa alkeellisia aivokuoren kerroksia sekä soluja, jotka olivat järjestäytyneet tavalla, joka muistutti kehittyviä aivoja. Sitten he siirsivät organoidit nuorten aikuisten rottien vaurioituneeseen näkökuoreen.

Vain kuukausi elinsiirron jälkeen isännän verisuonet sulautuivat ihmiskudokseen, toimittaen sille kaivattua happea ja ravinteita ja antaen sen edelleen kasvaa ja kypsyä. Mini-aivot kehittivät lukemattomia erilaisia aivosoluja - ei vain hermosoluja, vaan myös "tukisoluja", kuten astrosyyttejä ja erikoistuneita immuunisoluja, joita kutsutaan mikrogliaksi. Kaksi jälkimmäistä eivät ole läheskään välttämättömiä: ne ovat olleet osallisena aivojen ikääntymiseen, Alzheimerin tautiin, tulehduksiin ja kognitioon.

Mutta voivatko siirretyt ihmisen miniaivot toimia rotan sisällä?

Ensimmäisessä testissä ryhmä käytti suosittua merkkiainetta kartoittamaan organoidin ja eläimen silmän välisiä yhteyksiä. Samanlainen kuin väriaine, merkkiaine on virus, joka hyppää hermoyhteyksien – synapseiksi kutsutun – välillä kantaen samalla proteiinia, joka hohtaa kirkkaan vihreänä fluoresoivassa mikroskoopissa. Kuten Google Mapsissa korostettu reitti, valovirta liittyi selvästi aina siirrettyihin miniaivoihin, mikä tarkoittaa, että sen piirit liittyivät useiden synapsien kautta rottien silmiin.

Toinen kysymys: voisiko siirretty kudos auttaa rotta "näkemään"? Kuudessa kahdeksasta eläimestä valojen kytkeminen päälle tai pois laukaisi sähköisen vasteen, mikä viittaa siihen, että ihmisen hermosolut reagoivat ulkopuoliseen stimulaatioon. Sähköisen toiminnan malli muistutti visuaalisessa aivokuoressa havaittuja luonnollisia, mikä viittaa siihen, että organoidihermosoluilla on vertailukelpoinen potentiaali valoherkkyydelle visuaalisen aivokuoren hermosolujen kanssa, kirjoittajat sanoivat.

Toisessa testissä siirteet kehittivät "nirsoja" hermosoluja, jotka pitivät parempana valolle tiettyä orientaatioselektiivisyyttä - omituisuutta, joka on upotettu kykyymme havaita maailmaa. Kun niitä testattiin erilaisilla valohileillä, jotka välkkyivät mustasta valkoiseksi, siirrettyjen hermosolujen yleinen mieltymys matki normaaleja, terveitä hermosoluja.

"Näimme, että suuri määrä organoidin hermosoluja reagoi tiettyihin valon suuntauksiin, mikä antaa meille todisteita siitä, että nämä organoidihermosolut eivät vain kyenneet integroitumaan visuaaliseen järjestelmään, vaan ne pystyivät omaksumaan hyvin erityisiä visuaalisia toimintoja. aivokuori", Chen sanoi.

Plug and Play -aivokudos?

Tutkimus osoittaa, että miniaivot voivat nopeasti muodostaa hermoverkkoja isännän aivojen kanssa paljon nopeammin kuin yksittäisten kantasolujen siirtäminen. Se ehdottaa tekniikan tehokasta käyttöä: vaurioituneiden aivojen korjaamista ennennäkemättömällä nopeudella.

Monia kysymyksiä jää. Ensinnäkin tutkimus suoritettiin rotilla, joille annettiin immunosuppressantteja hylkimisen estämiseksi. Miniaivojen toivo on, että niitä viljellään potilaan omista soluista, mikä eliminoi immuunivastetta heikentävien lääkkeiden tarpeen – toivoa, jota ei vielä testata täysin. Toinen ongelma on se, kuinka miniaivojen "ikä" sovitetaan parhaiten isäntänsä ikään, jotta ihmisen sisäisiä hermosignaaleja ei häiritä.

Ryhmän seuraava askel on tukea muita vaurioituneita aivoalueita käyttämällä miniaivoja, erityisesti vaurioita, jotka johtuvat iän tai sairauden rappeutumisesta. Ei-invasiivisten tekniikoiden, kuten neuromodulaation tai hermosolujen visuaalisen "kuntoutuksen", lisääminen voisi edelleen auttaa elinsiirtoa integroitumaan isännän kiertoon ja mahdollisesti kohottamaan niiden toimintaa.

"Nyt haluamme ymmärtää, kuinka organoideja voitaisiin käyttää muilla aivokuoren alueilla, ei vain näkökuoressa, ja haluamme ymmärtää säännöt, jotka ohjaavat organoidihermosolujen integroitumista aivoihin, jotta voimme paremmin hallita tätä prosessia ja saada se tapahtumaan nopeammin”, Chen sanoi.

Kuva pistetilanne: Jgamadze et ai.