A sérült patkányokba oltott emberi miniagyok visszanyerték látásukat

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Közel egy évtizeddel ezelőtt a mini-agyak komoly ígéretet tettek az idegtudomány színterére: a fejlődő agy megértése és a sérült agy helyreállítása.

Az agyi organoidoknak nevezett apró agyszövet-csomók – nagyjából lencse méretűek – egyáltalán nem hasonlítanak az életünket irányító három kilós szervre. A felszín alatt mégis kísértetiesen hasonlítanak az agyához emberi magzat. Neuronjaik elektromos aktivitással szikráznak. Könnyen integrálódnakés ezt követően irányítani– izmok, legalábbis egy edényben. Hasonlóan a teljes agyhoz, új neuronokat hoznak létre. Néhányan még az emberi kéreg hatrétegű szerkezetét is kifejlesztik – az agy ráncos, legkülső rétegét, amely támogatja a gondolkodást, az érvelést, az ítéletet, a beszédet és talán még a tudat.

Mégis egy kritikus kérdés gyötri az idegtudósokat: vajon ezek a Frankenstein agyszövetdarabkák valóban helyreállíthatják-e a sérült agyat?

A tanulmány kiadva Sejt Őssejt ebben a hónapban arra a következtetésre jutottak, hogy képesek. Dr. Han-Chiao Isaac Chen (Pennsylvaniai Egyetem) által vezetett csapat emberi sejtekből készült agyi organoidokat használva ültette át a miniagyakat felnőtt patkányokba, akiknek a látókéregük – a látást támogató terület – jelentősen megsérült.

Mindössze három hónap alatt a miniagyak egyesültek a patkányok agyával. Amikor a csapat villogó fényekkel világította meg az állatokat, az organoidok elektromos aktivitása megugrott. Más szóval, az emberi miniagy jeleket kapott a patkányok szeméből.

Ez nem csak véletlenszerű zaj. A mi látókéregünkhöz hasonlóan a miniagy egyes neuronjai fokozatosan preferálják a fényt egy bizonyos tájolásban. Képzeld el, hogy egy fekete-fehér szélmalom fúvójátékot nézel, miközben a szemed hozzászokik a különböző mozgó csíkokhoz. Egyszerűen hangzik, de a szemek alkalmazkodóképessége – amelyet „tájolásválasztásnak” neveznek – a vizuális feldolgozás olyan kifinomult szintje, amely kritikus fontosságú ahhoz, hogy miként érzékeljük a világot.

A tanulmány az egyik első, amely kimutatta, hogy a mini-agyszövet képes integrálódni egy sérült felnőtt gazdaszervezetbe, és ellátni kívánt funkcióját. A korábbi őssejt-transzplantációs kísérletekhez képest a mesterséges szövetek a jövőben egy sérült vagy degenerálódó agydarabot helyettesíthetnek – de sok figyelmeztetés továbbra is fennáll.

"Az idegszövetek képesek újjáépíteni a sérült agy területeit" mondott Chen. "Nem dolgoztunk ki mindent, de ez egy nagyon szilárd első lépés."

A Mini-Brain Mini-Life

Az agyorganoidok pokolian futottak. Először 2014-ben tervezték meg, és azonnal felkeltették az idegtudósok érdeklődését, mint az agy példátlan modellje.

A kvázi agyak több forrásból készülnek, hogy utánozzák az agy különböző területeit. Az egyik azonnali felhasználás az volt, hogy a technológiát iPSC-kkel (indukált pluripotens őssejtekkel) kombinálták az idegrendszeri fejlődési rendellenességek, például a skizofrénia vagy az autizmus tanulmányozására.

Itt a páciens bőrsejtjei visszaalakulnak egy őssejt-szerű állapotba, amely tovább nőhet agyának 3D-s szövetévé. Mivel a személy és a miniagy ugyanazokat a géneket osztja meg, lehetséges a személy agyának részleges megkettőzése a fejlődés során – és potenciálisan új gyógymódok keresése.

Születésük óta a mini-agyak mérete, kora és kifinomultsága mára bővült. Az egyik nagy ugrás a állandó vérellátás. Agyunk szorosan összefonódik az erekkel, idegsejtjeinket és idegi hálózatainkat oxigénnel és tápanyagokkal látják el az energiaellátás érdekében. Az áttörés 2017-ben következett be, amikor több csapat kimutatta, hogy az emberi organoidok rágcsálóagyba történő átültetése elindította a gazdaszervezet véredényeit, hogy integrálják és „táplálják” a strukturált agyszövetet, lehetővé téve, hogy tovább fejlődjön a gazdaszervezeten belüli bonyolult agyi architektúrává. A tanulmányok tűzvihart robbantott ki A bioetikusok és a kutatók egyaránt azon töprengenek, hogy az emberi organoidok képesek-e megváltoztatni a rágcsálók észlelését vagy viselkedését.

Chennek más, bár nagyobb kihívást jelentő ötlete támadt. A legtöbb korábbi tanulmány mini-agyátültetett át csecsemő rágcsálókba az organoidok táplálására és a fejlődő aggyal való egyesülésük megkönnyítésére.

Ezzel szemben a felnőtt agy sokkal bordázottabb. Az erősen összefonódó idegi áramkörök – beleértve a jelzéseiket és funkcióikat is – már kialakultak. Még akkor is, ha sérült, amikor az agy készen áll a javításra, az emberi organoid graftok extra darabjainak, mint például a sebtapasznak behelyezése támogathatja a megszakadt idegi áramköröket – vagy megzavarhatja a már kialakultakat.

Chen új tanulmánya próbára tette az elméletet.

Váratlan egyesülés

Kezdetben a csapat agyi organoidokat termesztett egy megújuló emberi őssejtvonallal. Egy korábban validált kémiai recept segítségével a sejteket mini-agyakká koaxolták, amelyek utánozzák a kéreg elülső részeit (a homlok körül).

A 80. napon a csapat kezdetleges kérgi rétegeket látott az organoidban, valamint a fejlődő agyhoz hasonló módon szerveződő sejteket. Ezután átültették az organoidokat fiatal felnőtt patkányok sérült látókérgébe.

Mindössze egy hónappal az átültetés után a gazdaszervezet véredényei egyesültek az emberi szövettel, ellátva azt a nagyon szükséges oxigénnel és tápanyagokkal, lehetővé téve a további növekedést és érést. A miniagyak számtalan különféle agysejtet fejlesztettek ki – nem csak neuronokat, hanem „támogató” agysejteket is, mint például az asztrociták és a mikrogliának nevezett speciális immunsejtek. Az utóbbi kettő korántsem nélkülözhető: szerepet játszanak az agy öregedésében, az Alzheimer-kórban, a gyulladásban és a megismerésben.

De működhet-e az átültetett emberi miniagy egy patkány belsejében?

Az első tesztben a csapat egy népszerű nyomjelzőt használt az organoid és az állat szeme közötti kapcsolatok feltérképezésére. Hasonlóan a festékhez, a nyomjelző egy vírus, amely az idegi kapcsolatok – úgynevezett szinapszisok – között ugrál, miközben egy fehérjét hordoz, amely fluoreszcens mikroszkóp alatt élénkzölden világít. Mint egy kiemelt útvonal a Google Térképen, a fényáram egyértelműen egészen az átültetett miniagyhoz csatlakozott, ami azt jelenti, hogy áramköre több szinapszison keresztül csatlakozott a patkányok szeméhez.

Második kérdés: segíthet-e az átültetett szövet a patkánynak „látni”? Nyolc állatból hatnál a világítás fel- vagy kikapcsolása elektromos választ váltott ki, ami arra utal, hogy az emberi neuronok reagáltak a külső stimulációra. Az elektromos aktivitás mintázata a látókéregben megfigyelhető természetesekhez hasonlított, „ami arra utal, hogy az organoid neuronok hasonló fényérzékenységgel rendelkeznek a látókéreg neuronjaihoz” – mondták a szerzők.

Egy másik tesztben a graftok „válogatós” neuronokat fejlesztettek ki, amelyek a fény specifikus tájékozódási szelektivitását részesítették előnyben – ez a furcsaság a világ érzékelési képességünkbe ágyazódott. Amikor különböző fényrácsokkal tesztelték, amelyek feketéről fehérre villogtak, az átültetett neuronok általános preferenciája a normál, egészséges neuronokét utánozta.

„Láttuk, hogy az organoidon belüli neuronok jó része reagál a fény meghatározott irányultságára, ami azt bizonyítja, hogy ezek az organoid neuronok képesek voltak nemcsak integrálódni a látórendszerbe, hanem képesek voltak a látás nagyon specifikus funkcióit is átvenni. kéreg – mondta Chen.

Plug-and-Play agyszövet?

A tanulmány azt mutatja, hogy a miniagyok gyorsan képesek idegi hálózatokat létrehozni a gazdaszervezet agyával, sokkal gyorsabban, mint az egyes őssejtek átültetése. A technológia erőteljes felhasználását javasolja: a sérült agy soha nem látott sebességű helyreállítását.

Sok kérdés maradt. Az egyik, a vizsgálatot patkányokon végezték, akiknek immunszuppresszánsokat adagoltak a kilökődés gátlására. A miniagyok reménye az, hogy a páciens saját sejtjéből tenyésztik ki őket, így nincs szükség immunszuppresszáns gyógyszerekre – ez a remény még nem teljesen tesztelt. Egy másik probléma az, hogy miként lehet a legjobban illeszteni a miniagy „életkorát” a gazdaszervezetéhez, hogy ne zavarják meg a személy belső idegi jeleit.

A csapat következő lépése más sérült agyi régiók támogatása mini-agyak segítségével, különösen az életkor vagy betegség miatti degeneráció miatt. A nem invazív technológiák, például a neuronok neuromodulációja vagy vizuális „rehabilitációja” hozzáadása tovább segítheti a transzplantátum beilleszkedését a gazdaszervezetbe, és potenciálisan javíthatja funkciójukat.

"Most meg akarjuk érteni, hogy az organoidok hogyan használhatók a kéreg más területein, nem csak a vizuális kéregben, és meg akarjuk érteni azokat a szabályokat, amelyek irányítják az organoid neuronok az agyba való integrálódását, hogy jobban irányíthassuk ezt a folyamatot és hogy gyorsabban megtörténjen” – mondta Chen.

Kép: Jgamadze et al.