Przeszczep mini-mózgu

Badania nad ludzkim mózgiem są dość problematyczne. Nie dość, że sam organ jest nieco skomplikowany, to trudno o ciągły i łatwy dostęp do ochotników czy pacjentów. Pewnym przełomem ostatnich lach okazały się hodowane w laboratorium ludzkie organoidy zwane mini-mózgami. Owe mini-mózgi, dzięki publikacji w najnowszym Nature, jeszcze raz wbijają się buciorami na salony neuronauki — tym razem w głowie laboratoryjnego szczura.

Mini-mózgi

Zacznijmy od samych mini-mózgów, ponieważ są one dość niesamowitą kreacją.

Komórki macierzyste mogą przekształcać się w komórki innych typów i za to je kochamy. Biolodzy zaobserwowali, że odpowiednio kierowane, komórki macierzyste mogą się samodzielnie organizować w sferyczne, wydawałoby się funkcjonalne grupy. Dzięki postępującemu rozwojowi w dziedzinie biotechnologii mieliśmy coraz łatwiejszy dostęp do samych komórek, zaczął się więc prawdziwy wysyp mini-organów. Zespół z Keck School of Medicine wyhodował mini-nerki, zespół z Instytutu Biotechnologii Molekularnej Niemieckiej Akademii Nauk wyhodował kardiody, mini-serca. Każdemu jego mini-ja!

Nie są to całe organy, lecz ograniczona wielkość i funkcjonalność nie przeszkadza przy testowaniu wpływu np. nowych leków czy testowaniu metod regeneracyjnych. Używając specjalnego rusztowania, cukru, słodkości i różnych śliczności, stworzono więc i mini-mózgi. Neuronalne organoidy, z publikacji na publikację, otrzymywały dodatkowe struktury, np. wykształcały kielichy oczne, zalążki oczu.

Co ciekawsze, dodatkowo odkrywano ich coraz bardziej skomplikowane funkcje.

Mini-fale mini-mózgu

Jako dobry przykład przydatnej mini-funkcjonalności może posłużyć publikacja o falach mózgowych dzielnych bohaterów z University of California. Objawy chorób neurologicznych mogą występować nawet gdy sam mózg nie ma wyraźnych zmian anatomicznych. By badać genezę czy leczenie takich kwiatków, trzeba skupić się na samym tworzeniu i analizie dynamiki neuronalnych połączeń. Naukowcy badali więc elektryczną aktywność mini-mózgów oraz zakres fal mini-mózgowych. Już samo występowanie fal mózgowych, których określona oscylacja łączy się przecież u ludzi ze skupioną percepcją czy odczuwaniem relaksu, jest w organoidach czymś niesamowitym, a to był dopiero pierwszy krok.

Naukowcy stworzyli model fal mózgowych mini-mózgów wyhodowanych z komórek osób zdrowych. Dla porównania kolejne organoidy stworzono już z komórek osób z syndromem Retta. Jest to genetyczne zaburzenie obawiające się m.in. zahamowaniem rozwoju poznawczego, lub nawet regresją już nabytych umiejętności. Aktywność fal tych zaburzonych organoidów była bardziej chaotyczna — zupełnie jak u osób cierpiących na tę chorobę. Co więcej, podanie eksperymentalnego leku, zbliżyło oscylację fal w kierunku „zdrowego” modelu. Eureka, ale jednak bardzo wyizolowana.

Przeszczep mózgu

Niezmiernie niesamowite i przydatne, organoidy są tylko cieniem prawdziwych organów. Przez brak naczyń krwionośnych czy połączenia z układem limfatycznym nie można analizować działania mini-organów w pełni zintegrowanej formie. Problemem jest też ich cykl rozwoju, który ciężko jest symulować in vitro. I tu wjeżdżają laboratoryjne szczury, całe na biało.

Naukowcy ze Stanford University postanowili uporać się z powyższymi ograniczeniami. Znaleźli sposób by móc obserwować rozwój ludzkich neuronów, razem z pełną integracją z innymi układami ciała, sprytnie unikając problemów natury etycznej. Wszczepili oni ludzki organoid szczurom.

Już wcześniejsze badania pokazały, że dorosłym szczurom można wszczepić ludzki organoid, lecz jego integracja była ograniczona. W najnowszym badaniu gryzonie dopiero co uporały się ze swoimi narodzinami, więc ich mózgi nie były jeszcze w pełni uformowane. Zwiększona plastyczność dawała idealne warunki dla zagnieżdżenia się ludzkich neuronów. I plan się powiódł — zintegrowane ludzkie komórki mózgowe zostały włączone w system mózgu szczura, brały udział w przetwarzaniu informacji czy kontrolowaniu zachowania i rozwijały się razem z nim.

Tak jak przy ograniczonym testowaniu leku na objawy syndromu Retta, obserwacja i analiza zmodyfikowanych organoidów rozwijających się naturalnie w zintegrowanym środowisku daje prawdziwe pole do popisu dla eksperymentatorów. Zamiast badać tylko zaburzenia strukturalne, można skupić się na neurogenezie danej przypadłości. Można skupić się na analizie modeli zaburzeń rozwojowych, np. niektórych form autyzmu. Wszystkie te eksperymenty będą przeprowadzone w idealnym środowisku zintegrowanych, rozwijających się ludzkich neuronów. Tylko że u gryzonia.

Organoid również polubił to nowe środowisko — urósł niemalże dziewięciokrotnie w przeciągu 4-5 miesięcy. To dzięki połączeniu z układem krwionośnym, który dostarczał naszemu mini-mózgowi potrzebny tlen czy hormony. I chociaż dobrze rozwijające się, wbudowane i wyklepane, było to jednak ciało obce. Organoid nie organizował się w wielowarstwową strukturę charakterystyczną dla ludzkiej kory mózgowej, ani nie przyjął „beczkowatej” struktury szczurzej kory sensomotorycznej (gdzie był wszczepiony). Co nie zmienia faktu, że już wykazał swoją wyższość nad metodami in vitro.

Sergiu Paşca, razem z zespołem z powyższej publikacji, widząc, jak dobrze rozwijają się organoidy, umieścił w szczurach mini-mózgi z komórek osób dotkniętych zespołem Timothy’ego, u których często występuje autyzm czy epilepsja. „Chore” organoidy budowały nieprawidłowe dendryty, które tworzyły później nietypowe połączenia z resztą sieci. Co najważniejsze, ten problem nie był widoczny w organoidach hodowanych in vitro.

Co dalej?

Samym mini-mózgom, prócz całych funkcjonalnych struktur, brakuje podstawowych typów komórek, które tworzą zdrowy mózg — np. astrocytów. Subtelniejsze techniki in vitro czy in vivo powinny ten problem prędzej, czy później, rozwiązać. Dziedzina organoidów rozwija się bardzo dynamiczne, a każda kolejna publikacja, zwłaszcza związana z wszczepianiem mini-mózgów innym gatunkom, generuje kolejne, arcy-ciekawe pytania natury etycznej.

Ale to chyba temat na kolejny wpis…