Ludzkie minimózgi wszczepione rannym szczurom przywróciły im wzrok

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Prawie dekadę temu mini-mózgi pojawiły się na scenie neuronauki z ogromną obietnicą: zrozumienie rozwijającego się mózgu i przywrócenie uszkodzonych mózgów.

Znane jako organoidy mózgowe, te maleńkie skupiska tkanki mózgowej – mniej więcej wielkości soczewicy – w niczym nie przypominają trzyfuntowego organu kontrolującego nasze życie. Jednak pod powierzchnią zachowują się niesamowicie podobnie do mózgu ludzki płód. Ich neurony iskrzą aktywnością elektryczną. Łatwo integrują się z—a następnie kontrolować— mięśnie, przynajmniej w naczyniu. Podobnie jak w pełni rozwinięte mózgi, rodzą nowe neurony. Niektórzy rozwijają nawet sześciowarstwową strukturę ludzkiej kory mózgowej — pomarszczonej, najbardziej zewnętrznej warstwy mózgu, która odpowiada za myślenie, rozumowanie, osądzanie, mowę i może nawet świadomość.

Jednak neurobiologów dręczy krytyczne pytanie: czy te fragmenty tkanki mózgowej Frankensteina rzeczywiście mogą przywrócić uszkodzony mózg?

A „The Puzzle of Monogamous Marriage” opublikowane w Komórka macierzysta komórki w tym miesiącu doszli do wniosku, że mogą. Wykorzystując organoidy mózgowe wykonane z ludzkich komórek, zespół kierowany przez dr Han-Chiao Isaaca Chena z University of Pennsylvania przeszczepił mini-mózgi dorosłym szczurom ze znacznym uszkodzeniem ich kory wzrokowej – obszaru wspomagającego widzenie.

W ciągu zaledwie trzech miesięcy mini-mózgi połączyły się z mózgami szczurów. Kiedy zespół zaświecił migającymi światłami dla zwierząt, organoidy zaostrzyły aktywność elektryczną. Innymi słowy, ludzki mini-mózg odbierał sygnały z oczu szczurów.

To nie tylko przypadkowy dźwięk. Podobnie jak w przypadku naszej kory wzrokowej, niektóre neurony mini-mózgu stopniowo rozwijały preferencje dla światła świecącego w określonej orientacji. Wyobraź sobie, że patrzysz na czarno-białą wiatrakową zabawkę, podczas gdy twoje oczy dostosowują się do różnych poruszających się pasków. Brzmi prosto, ale zdolność twoich oczu do dostosowania się – zwana „wyborem orientacji” – to wyrafinowany poziom przetwarzania wizualnego, który ma kluczowe znaczenie dla tego, jak postrzegamy świat.

Badanie jest jednym z pierwszych, które pokazuje, że tkanka mini-mózgu może zintegrować się z uszkodzonym dorosłym gospodarzem i pełnić zamierzoną funkcję. W porównaniu z poprzednimi próbami przeszczepów komórek macierzystych, sztuczne tkanki mogą w przyszłości zastąpić uszkodzony lub zwyrodniały fragment mózgu – ale pozostaje wiele zastrzeżeń.

„Tkanki nerwowe mają potencjał do odbudowy obszarów uszkodzonego mózgu” powiedziany Chen. „Nie dopracowaliśmy wszystkiego, ale to bardzo solidny pierwszy krok”.

Mini-życie małego mózgu

Organoidy mózgowe miały niezły ubaw. Po raz pierwszy opracowane w 2014 roku, natychmiast wzbudziły zainteresowanie neuronaukowców jako bezprecedensowy model mózgu.

Quasi-mózgi są wykonane z wielu źródeł, aby naśladować różne obszary mózgu. Jednym z natychmiastowych zastosowań było połączenie technologii z iPSC (indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi) w celu zbadania zaburzeń neurorozwojowych, takich jak schizofrenia czy autyzm.

Tutaj komórki skóry pacjenta są przekształcane z powrotem w stan podobny do komórek macierzystych, który można dalej hodować w trójwymiarową tkankę mózgu. Ponieważ osoba i mini-mózg mają te same geny, możliwe jest częściowe zduplikowanie mózgu osoby podczas rozwoju – i potencjalnie polowanie na nowe lekarstwa.

Od momentu narodzin mini-mózgi powiększyły się pod względem wielkości, wieku i wyrafinowania. Jednym z głównych skoków był a stały dopływ krwi. Nasze mózgi są ściśle powiązane z naczyniami krwionośnymi, zasilając nasze neurony i sieci neuronowe tlenem i składnikami odżywczymi w celu dostarczania energii. Przełom nastąpił w 2017 r., kiedy kilka zespołów wykazało, że przeszczepienie ludzkich organoidów do mózgów gryzoni spowodowało, że naczynia krwionośne żywiciela zintegrowały się i „zasiliły” ustrukturyzowaną tkankę mózgową, umożliwiając jej dalszy rozwój w skomplikowaną architekturę mózgu wewnątrz żywiciela. Studia wywołał burzę ogniową dyskusji w tej dziedzinie, w której zarówno bioetycy, jak i badacze zastanawiali się, czy ludzkie organoidy mogą zmienić percepcję lub zachowanie gryzoni.

Chen miał inny, choć bardziej wymagający pomysł. W większości poprzednich badań przeszczepiano mini-mózgi w młode gryzonie pielęgnować organoidy i ułatwiać ich łączenie z rozwijającym się mózgiem.

Natomiast mózgi dorosłych są znacznie bardziej prążkowane. Wysoce splecione obwody neuronowe — w tym ich sygnalizacja i funkcje — są już ustalone. Nawet w przypadku urazu, gdy mózg jest gotowy do naprawy, wepchnięcie dodatkowych kawałków ludzkich przeszczepów organoidalnych, takich jak plaster, może wspierać zepsute obwody nerwowe – lub zakłócać istniejące.

Nowe badanie Chena zweryfikowało teorię.

Nieoczekiwana fuzja

Na początek zespół wyhodował organoidy mózgowe z odnawialną linią ludzkich komórek macierzystych. Korzystając z wcześniej zatwierdzonej receptury chemicznej, komórki zostały nakłonione do utworzenia mini-mózgów, które naśladują przednie części kory mózgowej (wokół czoła).

W 80. dniu zespół zauważył prymitywne warstwy korowe w organoidzie wraz z komórkami zorganizowanymi w sposób przypominający rozwijający się mózg. Następnie przeszczepili organoidy do uszkodzonej kory wzrokowej młodych dorosłych szczurów.

Zaledwie miesiąc po przeszczepie naczynia krwionośne żywiciela połączyły się z ludzką tkanką, dostarczając jej bardzo potrzebny tlen i składniki odżywcze oraz umożliwiając jej dalszy wzrost i dojrzewanie. Minimózgi rozwinęły niezliczoną ilość różnych komórek mózgowych – nie tylko neuronów, ale także „wspomagających” komórek mózgowych, takich jak astrocyty i wyspecjalizowane komórki odpornościowe zwane mikroglejem. Te dwa ostatnie są dalekie od zbędności: są zaangażowane w starzenie się mózgu, chorobę Alzheimera, stany zapalne i funkcje poznawcze.

Ale czy przeszczepiony ludzki mini-mózg może funkcjonować wewnątrz szczura?

W pierwszym teście zespół użył popularnego znacznika do zmapowania połączeń między organoidem a okiem zwierzęcia. Podobnie jak barwnik, znacznik jest wirusem, który przeskakuje między połączeniami neuronowymi – zwanymi synapsami – niosąc białko, które świeci jasnozielono pod mikroskopem fluorescencyjnym. Podobnie jak zaznaczona trasa na Mapach Google, strumień światła wyraźnie łączył się z przeszczepionym mini-mózgiem, co oznacza, że jego obwody łączyły się, poprzez wiele synaps, z oczami szczurów.

Drugie pytanie: czy przeszczepiona tkanka może pomóc szczurowi „widzieć”? U sześciu na osiem zwierząt włączenie lub wyłączenie światła wywołało reakcję elektryczną, co sugeruje, że ludzkie neurony zareagowały na zewnętrzną stymulację. Wzorzec aktywności elektrycznej przypominał naturalny obserwowany w korze wzrokowej, „co sugeruje, że neurony organoidalne mają potencjał reagowania na światło porównywalny z neuronem kory wzrokowej” – stwierdzili autorzy.

W innym teście przeszczepy rozwinęły „wybredne” neurony, które preferowały określoną selektywność orientacji dla światła – dziwactwo osadzone w naszej zdolności postrzegania świata. Podczas testowania z różnymi siatkami świetlnymi, które migotały od czerni do bieli, ogólne preferencje przeszczepionych neuronów naśladowały preferencje normalnych, zdrowych neuronów.

„Zauważyliśmy, że spora liczba neuronów w organoidzie reagowała na określone orientacje światła, co daje nam dowód, że te neurony organoidalne były w stanie nie tylko zintegrować się z układem wzrokowym, ale także przyjąć bardzo specyficzne funkcje wzrokowe” kory” – powiedział Chen.

Tkanka mózgowa typu plug-and-play?

Badanie pokazuje, że mini-mózgi mogą szybko tworzyć sieci neuronowe z mózgiem gospodarza, w tempie znacznie szybszym niż przeszczepianie pojedynczych komórek macierzystych. Sugeruje to potężne zastosowanie tej technologii: naprawę uszkodzonych mózgów z niespotykaną szybkością.

Pozostaje wiele pytań. Po pierwsze, badanie przeprowadzono na szczurach, którym podawano leki immunosupresyjne w celu zahamowania odrzucenia. Nadzieja na mini-mózgi polega na tym, że będą one hodowane z własnych komórek pacjenta, eliminując potrzebę stosowania leków immunosupresyjnych – nadzieja ta nie została jeszcze w pełni przetestowana. Innym problemem jest to, jak najlepiej dopasować „wiek” mini-mózgu do wieku jego gospodarza, aby nie zakłócać wewnętrznych sygnałów nerwowych danej osoby.

Następnym krokiem zespołu jest wspieranie innych uszkodzonych obszarów mózgu za pomocą mini-mózgów, w szczególności uszkodzeń spowodowanych degeneracją spowodowaną wiekiem lub chorobą. Dodanie nieinwazyjnych technologii, takich jak neuromodulacja lub wizualna „rehabilitacja” neuronów, może jeszcze bardziej pomóc przeszczepowi zintegrować się z obwodem gospodarza i potencjalnie podnieść jego funkcję.

„Teraz chcemy zrozumieć, w jaki sposób można wykorzystać organoidy w innych obszarach kory mózgowej, nie tylko w korze wzrokowej, i chcemy zrozumieć zasady, które kierują integracją neuronów organoidalnych z mózgiem, abyśmy mogli lepiej kontrolować ten proces i sprawić, by stało się to szybciej” — powiedział Chen.

Kredytowych Image: Jgamadze i in.