Človeški mini-možgani, cepljeni v poškodovane podgane, so jim povrnili vid

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Pred skoraj desetletjem so se na nevroznanstveno sceno pojavili mini-možgani z veliko obljubo: razumevanje možganov v razvoju in obnova poškodovanih možganov.

Ti drobni grudici možganskega tkiva, veliki kot leča, znani kot možganski organoidi, niso nič podobni trikilogramskemu organu, ki usmerja naša življenja. Toda pod površjem se obnašajo grozljivo podobno kot možgani človeški plod. Njihovi nevroni se iskrijo z električno aktivnostjo. Z lahkoto se integrirajo z-in nato nadzor—mišice, vsaj v jedi. Podobno kot v polno razvitih možganih rodijo nove nevrone. Nekateri celo razvijejo šestplastno strukturo človeške skorje – nagubano, najbolj zunanjo plast možganov, ki podpira mišljenje, sklepanje, presojo, govor in morda celo zavest.

Vendar nevroznanstvenike preganja kritično vprašanje: ali lahko ti Frankensteinovi delci možganskega tkiva dejansko obnovijo poškodovane možgane?

A študija objavljeno v Matična matična celica tega meseca sklenili, da lahko. Z uporabo možganskih organoidov, narejenih iz človeških celic, je ekipa, ki jo vodi dr. Han-Chiao Isaac Chen z Univerze v Pennsylvaniji, presadila mini možgane v odrasle podgane z znatno poškodbo vidnega korteksa – področja, ki podpira vid.

V samo treh mesecih so se mini možgani združili z možgani podgan. Ko je ekipa živalim posvetila z utripajočimi lučmi, so se organoidi povečali z električno aktivnostjo. Z drugimi besedami, človeški mini možgani so prejeli signale iz oči podgan.

Ne gre samo za naključni hrup. Podobno kot v naši vidni skorji so nekateri nevroni mini možganov postopoma razvili prednost do svetlobe, ki sveti v določeni orientaciji. Predstavljajte si, da gledate črno-belo igračo za pihanje vetrnice, medtem ko se vaše oči prilagajajo različnim premikajočim se črtam. Sliši se preprosto, vendar je sposobnost vaših oči, da se prilagajajo – imenovana »izbira orientacije« – sofisticirana raven vizualne obdelave, ki je ključnega pomena za to, kako dojemamo svet.

Študija je ena prvih, ki je pokazala, da se lahko mini možgansko tkivo integrira s poškodovanim odraslim gostiteljem in opravlja predvideno funkcijo. V primerjavi s prejšnjimi poskusi presaditve matičnih celic bi lahko umetna tkiva v prihodnosti nadomestila poškodovan ali degeneriran del možganov, vendar ostaja veliko opozoril.

"Živčna tkiva lahko obnovijo področja poškodovanih možganov," je dejal Chen. "Nismo vsega rešili, vendar je to zelo trden prvi korak."

Mini življenje mini možganov

Možganski organoidi so imeli peklensko vožnjo. Prvič so bili izdelani leta 2014 in so takoj pritegnili zanimanje nevroznanstvenikov kot model možganov brez primere.

Kvazimožgani so narejeni iz več virov, da posnemajo različna področja možganov. Ena takojšnja uporaba je bila kombinacija tehnologije z iPSC (induciranimi pluripotentnimi matičnimi celicami) za preučevanje nevrorazvojnih motenj, kot sta shizofrenija ali avtizem.

Tu se pacientove kožne celice spremenijo nazaj v stanje, podobno matičnim celicam, ki jih je mogoče nadalje vzgojiti v 3D tkivo njegovih možganov. Ker si oseba in mini možgani delijo iste gene, je možno med razvojem delno podvojiti človekove možgane – in potencialno izslediti nova zdravila.

Mini možgani so se od svojega rojstva zdaj povečali po velikosti, starosti in sofisticiranosti. Eden večjih preskokov je bil a dosledno oskrbo s krvjo. Naši možgani so tesno prepleteni s krvnimi žilami, hranijo naše nevrone in nevronske mreže s kisikom in hranili za oskrbo z energijo. Preboj se je zgodil leta 2017, ko je več skupin pokazalo, da presaditev človeških organoidov v možgane glodalcev sproži gostiteljeve krvne žile, da se vključijo in »nahranijo« strukturirano možgansko tkivo, kar mu omogoči nadaljnji razvoj v zapleteno možgansko arhitekturo znotraj gostitelja. Študije sprožil požarno nevihto razprave na tem področju, pri čemer se bioetiki in raziskovalci sprašujejo, ali bi človeški organoidi lahko spremenili zaznavanje ali vedenje glodalcev.

Chen je imel drugačno, čeprav bolj zahtevno idejo. Večina prejšnjih študij je presadila mini možgane v mladiče glodalcev negovati organoide in olajšati njihovo zlitje z razvijajočimi se možgani.

V nasprotju s tem so možgani odraslih veliko bolj razgibani. Močno prepletena nevronska vezja – vključno z njihovim signaliziranjem in funkcijami – so že vzpostavljena. Tudi ko so poškodovani, ko so možgani pripravljeni na popravilo, bi vstavljanje dodatnih koščkov človeških organoidnih presadkov, kot je obliž, lahko podpiralo zlomljena nevronska vezja – ali motilo uveljavljena.

Chenova nova študija je teorijo preizkusila.

Nepričakovana združitev

Za začetek je ekipa gojila možganske organoide z obnovljivo linijo človeških matičnih celic. Z uporabo predhodno potrjenega kemičnega recepta so bile celice pripravljene v mini možgane, ki posnemajo čelne dele korteksa (okoli čela).

Do 80. dne je ekipa videla rudimentarne kortikalne plasti v organoidu, skupaj s celicami, organiziranimi na način, ki spominja na razvijajoče se možgane. Nato so organoide presadili v poškodovano vidno skorjo mladih odraslih podgan.

Le en mesec po presaditvi so se krvne žile gostitelja združile s človeškim tkivom, ga oskrbele s prepotrebnim kisikom in hranili ter mu omogočile nadaljnjo rast in zorenje. Mini možgani so razvili nešteto različnih možganskih celic – ne le nevronov, ampak tudi »podporne« možganske celice, kot so astrociti in specializirane imunske celice, imenovane mikroglija. Zadnja dva še zdaleč nista nepogrešljiva: vpletena sta v staranje možganov, Alzheimerjevo bolezen, vnetja in kognicijo.

Toda ali lahko presajeni človeški mini možgani delujejo znotraj podgane?

V prvem testu je ekipa uporabila priljubljen sledilnik za preslikavo povezav med organoidom in očesom živali. Podobno kot barvilo je sledilnik virus, ki skače med nevronskimi povezavami – imenovanimi sinapse –, medtem ko prenaša beljakovino, ki pod fluorescenčnim mikroskopom sveti svetlo zeleno. Tako kot označena pot na Google Zemljevidih se je svetlobni tok jasno povezal vse do presajenih mini možganov, kar pomeni, da je bilo njihovo vezje prek več sinaps povezano z očmi podgan.

Drugo vprašanje: ali bi lahko presajeno tkivo pomagalo podgani "videti"? Pri šestih od osmih živali je vklop ali izklop luči sprožil električni odziv, kar nakazuje, da so se človeški nevroni odzvali na zunanjo stimulacijo. Vzorec električne aktivnosti je bil podoben naravnim v vidni skorji, kar kaže, da imajo organoidni nevroni primerljiv potencial za odzivnost na svetlobo kot nevron vidne skorje, so povedali avtorji.

V drugem testu so presadki razvili "izbirčne" nevrone, ki so imeli raje določeno orientacijsko selektivnost za svetlobo - posebnost, vgrajena v našo sposobnost zaznavanja sveta. Pri testiranju z različnimi svetlobnimi rešetkami, ki so utripale od črne do bele, je splošna preferenca cepljenih nevronov posnemala prednost normalnih, zdravih nevronov.

"Videli smo, da se je lepo število nevronov znotraj organoida odzvalo na specifične usmeritve svetlobe, kar nam daje dokaz, da so se ti organoidni nevroni lahko ne samo integrirali z vidnim sistemom, ampak so lahko sprejeli zelo specifične funkcije vida. korteks,« je dejal Chen.

Možgansko tkivo Plug-and-Play?

Študija kaže, da lahko mini-možgani hitro vzpostavijo nevronske mreže z možgani gostitelja, veliko hitreje kot presajanje posameznih matičnih celic. Predlaga močno uporabo tehnologije: popravilo poškodovanih možganov z izjemno hitrostjo.

Veliko vprašanj ostaja. Prvič, študija je bila izvedena na podganah, ki so prejemale imunosupresive za zaviranje zavrnitve. Upanje za mini-možgane je, da jih bodo gojili iz pacientovih lastnih celic, s čimer bo odpravljena potreba po zdravilih za zaviranje imunskega odziva – upanje, ki ga je treba še v celoti preizkusiti. Druga težava je, kako najbolje uskladiti »starost« mini možganov s starostjo njihovih gostiteljev, da ne bi motili človekovih intrinzičnih nevronskih signalov.

Naslednji korak ekipe je podpreti druge poškodovane možganske regije z uporabo mini možganov, zlasti poškodbe zaradi degeneracije zaradi starosti ali bolezni. Dodajanje neinvazivnih tehnologij, kot je nevromodulacija ali vizualna "rehabilitacija" nevronov, bi lahko dodatno pomagalo presadku, da se vključi v gostiteljev krog in potencialno dvigne njihovo funkcijo.

»Zdaj želimo razumeti, kako bi lahko organoide uporabili na drugih področjih možganske skorje, ne le v vizualni skorji, in želimo razumeti pravila, ki vodijo, kako se organoidni nevroni integrirajo z možgani, da lahko bolje nadzorujemo ta proces in naj se zgodi hitreje,« je dejal Chen.

Kreditno slike: Jgamadze et al.