Human Mini-Brains Grafted Into Injured Rats Restored Their Sight

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

În urmă cu aproape un deceniu, mini-creierele au apărut pe scena neuroștiinței cu o promisiune puternică: înțelegerea creierului în curs de dezvoltare și restabilirea creierului rănit.

Cunoscuți sub numele de organoizi ale creierului, aceste aglomerări minuscule de țesut cerebral – aproximativ de dimensiunea unei linte – nu seamănă cu nimic cu organul de trei kilograme care ne pilotează viața. Cu toate acestea, sub suprafață, se comportă ciudat de asemănător cu creierul lui un făt uman. Neuronii lor scânteie cu activitate electrică. Se integrează cu ușurință cu—iar ulterior controlul— mușchi, cel puțin într-o farfurie. La fel ca creierul în întregime, ele dau naștere la noi neuroni. Unii dezvoltă chiar structura în șase straturi a cortexului uman - stratul ridat, cel mai exterior al creierului, care susține gândirea, raționamentul, judecata, vorbirea și poate chiar conștiința.

Cu toate acestea, o întrebare critică îi bântuie pe neurologi: pot aceste bucăți de țesut cerebral Frankenstein să restabilească cu adevărat un creier rănit?

A studiu publicat în Cell Stem Cell luna aceasta au ajuns la concluzia că pot. Folosind organoizi din creier obținuți din celule umane, o echipă condusă de Dr. Han-Chiao Isaac Chen de la Universitatea din Pennsylvania a transplantat mini-creierele la șobolani adulți cu leziuni substanțiale ale cortexului lor vizual - zona care susține vederea.

În doar trei luni, mini-creierele au fuzionat cu creierul șobolanilor. Când echipa a strălucit lumini intermitente pentru animale, organoizii au crescut cu activitate electrică. Cu alte cuvinte, mini-creierul uman a primit semnale de la ochii șobolanilor.

Nu este doar zgomot întâmplător. Similar cu cortexul nostru vizual, unii dintre neuronii mini-creierului au dezvoltat treptat o preferință pentru lumina care să strălucească într-o anumită orientare. Imaginați-vă că vă uitați la o jucărie alb-negru cu o moară de vânt, în timp ce ochii tăi se adaptează la diferitele dungi în mișcare. Sună simplu, dar capacitatea ochilor tăi de a se ajusta – numită „selecție de orientare” – este un nivel sofisticat de procesare vizuală, care este esențial pentru modul în care percepem lumea.

Studiul este unul dintre primele care arată că mini-țesutul cerebral se poate integra cu o gazdă adultă rănită și își poate îndeplini funcția prevăzută. În comparație cu încercările anterioare de transplant de celule stem, țesuturile artificiale ar putea înlocui o bucată de creier rănită sau degenerată în viitor, dar rămân multe avertismente.

„Țesuturile neuronale au potențialul de a reconstrui zone ale creierului rănit”, a spus Chen. „Nu am rezolvat totul, dar acesta este un prim pas foarte solid.”

Mini-viață a unui mini-creier

Organoizii creierului au avut o plimbare al naibii. Proiectate pentru prima dată în 2014, acestea au captat imediat interesul oamenilor de știință ca un model fără precedent al creierului.

Cvasi-creierele sunt făcute din mai multe surse pentru a imita diferite zone ale creierului. O utilizare imediată a fost combinarea tehnologiei cu iPSC (celule stem pluripotente induse) pentru a studia tulburările de neurodezvoltare, cum ar fi schizofrenia sau autismul.

Aici, celulele pielii unui pacient sunt transformate înapoi într-o stare asemănătoare celulelor stem, care poate fi crescută în continuare într-un țesut 3D al creierului lor. Deoarece persoana și mini-creierul împărtășesc aceleași gene, este posibil să se dubleze parțial creierul persoanei în timpul dezvoltării și, potențial, să vâneze noi remedii.

De la naștere, mini-creierele s-au extins acum în dimensiune, vârstă și sofisticare. Un salt major a fost a aport constant de sânge. Creierul nostru este strâns împletit cu vasele de sânge, hrănindu-ne neuronii și rețelele neuronale cu oxigen și nutrienți pentru a furniza energie. Descoperirea a avut loc în 2017, când mai multe echipe au arătat că transplantul de organoizi umani în creierul rozătoarelor a declanșat vasele de sânge ale gazdei să integreze și „hrănească” țesutul cerebral structurat, permițându-i să se dezvolte în continuare în arhitectura complexă a creierului din interiorul gazdei. Studiile a stârnit o furtună de foc de discuții în domeniu, bioeticienii și cercetătorii deopotrivă întrebându-se dacă organoizii umani ar putea schimba percepția sau comportamentul rozătoarelor.

Chen a avut o idee diferită, chiar dacă mai provocatoare. Majoritatea studiilor anterioare au transplantat mini-creiere în rozătoarele sugari pentru a hrăni organoizii și a ușura fuziunea lor cu creierul în curs de dezvoltare.

Creierul adulților, în schimb, este mult mai crestat. Circuitele neuronale foarte împletite, inclusiv semnalizarea și funcțiile lor, sunt deja stabilite. Chiar și atunci când este rănit, când creierul este pregătit pentru reparație, introducerea unor bucăți suplimentare de grefe organoide umane, cum ar fi un Band-Aid, ar putea susține circuite neuronale rupte sau să interfereze cu cele consacrate.

Noul studiu al lui Chen a pus teoria la încercare.

O fuziune neașteptată

Pentru început, echipa a cultivat organoizi din creier cu o linie de celule stem umane regenerabile. Folosind o rețetă chimică validată anterior, celulele au fost transformate în mini-creiere care imită părțile frontale ale cortexului (în jurul frunții).

Până în ziua 80, echipa a văzut straturi corticale rudimentare în organoid, împreună cu celule organizate într-un mod care semăna cu un creier în curs de dezvoltare. Apoi au transplantat organoizii în cortexul vizual deteriorat al șobolanilor adulți tineri.

La doar o lună după transplant, vasele de sânge ale gazdei s-au contopit cu țesutul uman, furnizându-i oxigenul și nutrienții atât de necesare și permițându-i să crească și să se maturizeze în continuare. Mini-creierele au dezvoltat o multitudine de celule diferite ale creierului - nu doar neuroni, ci și celule cerebrale „de susținere”, cum ar fi astrocitele și celulele imunitare specializate numite microglia. Ultimele două sunt departe de a fi dispensabile: au fost implicate în îmbătrânirea creierului, boala Alzheimer, inflamație și cogniție.

Dar poate funcționa mini-creierul uman transplantat în interiorul unui șobolan?

Într-un prim test, echipa a folosit un trasor popular pentru a mapa conexiunile dintre organoid și ochiul animalului. Similar cu un colorant, trasorul este un virus care sări între conexiunile neuronale - denumite sinapse - în timp ce poartă o proteină care strălucește într-un verde strălucitor sub un microscop fluorescent. La fel ca un traseu evidențiat pe Google Maps, fluxul de lumină a conectat în mod clar până la mini-creierul transplantat, ceea ce înseamnă că circuitele sale s-au conectat, prin mai multe sinapse, la ochii șobolanilor.

A doua întrebare: țesutul transplantat ar putea ajuta șobolanul să „vadă”? La șase din opt animale, aprinderea sau stingerea luminilor a declanșat un răspuns electric, sugerând că neuronii umani au răspuns la stimularea exterioară. Modelul activității electrice seamănă cu cele naturale observate în cortexul vizual, „sugerând că neuronii organoizi au un potențial comparabil de reacție la lumină la neuronul cortexului vizual”, au spus autorii.

Într-un alt test, grefele au dezvoltat neuroni „pretențioși” care au preferat o selectivitate de orientare specifică pentru lumină – o ciudație încorporată în capacitatea noastră de a percepe lumea. Când au fost testați cu diferite rețele de lumină care pâlpâie de la negru la alb, preferința generală a neuronilor grefați a imitat-o pe cea a neuronilor normali și sănătoși.

„Am văzut că un număr bun de neuroni din organoid au răspuns la orientări specifice ale luminii, ceea ce ne oferă dovezi că acești neuroni organoizi au fost capabili nu doar să se integreze în sistemul vizual, dar au fost capabili să adopte funcții foarte specifice ale vizualului. cortex”, a spus Chen.

Țesut cerebral plug-and-play?

Studiul arată că mini-creierele pot stabili rapid rețele neuronale cu creierul gazdei, într-un ritm mult mai rapid decât transplantul de celule stem individuale. Acesta sugerează o utilizare puternică a tehnologiei: repararea creierului deteriorat cu o viteză fără precedent.

Raman multe intrebari. În primul rând, studiul a fost efectuat pe șobolani cărora li s-a administrat imunosupresoare pentru a inhiba respingerea. Speranța pentru mini-creiere este că vor fi cultivate din celulele proprii ale pacientului, eliminând nevoia de medicamente imunosupresoare - o speranță care nu a fost încă testată pe deplin. O altă problemă este cum să potriviți cel mai bine „vârsta” mini-creierului cu cea a gazdei sale, pentru a nu perturba semnalele neuronale intrinseci ale persoanei.

Următorul pas al echipei este de a sprijini alte regiuni ale creierului deteriorate folosind mini-creier, în special daune cauzate de degenerescență de la vârstă sau boli. Adăugarea de tehnologii non-invazive, cum ar fi neuromodularea sau „reabilitarea” vizuală a neuronilor, ar putea ajuta în continuare transplantul să se integreze în circuitul gazdei și, potențial, să le ridice funcția.

„Acum, vrem să înțelegem cum ar putea fi folosiți organoizii în alte zone ale cortexului, nu doar în cortexul vizual și vrem să înțelegem regulile care ghidează modul în care neuronii organoizi se integrează cu creierul, astfel încât să putem controla mai bine acest proces și fă-o să se întâmple mai repede”, a spus Chen.

Credit imagine: Jgamadze și colab.