Shutterstock
Zdrowie

Wszczepiany ludzki minimózg decyduje za szczurzego gospodarza

Uczeni stworzyli minimózg, który nie tylko w najdoskonalszy jak do tej pory sposób łączy się z mózgiem zwierzęcia, ale też umożliwia zmianę jego zachowania. To ważny krok na długiej drodze do skuteczniejszego leczenia zaburzeń behawioralnych u ludzi.

Opracowanie skutecznej terapii jest niemożliwe, jeśli nie jest znany dokładny patomechanizmu schorzenia. Ten zaś trzeba analizować na modelowych tkankach, które reagują tak, jak chory narząd czy układ, ale dają się skrupulatnie badać w warunkach laboratoryjnych. Niestety, w przypadku niektórych organów i dysfunkcji jest to niemożliwe.

Do najtrudniejszych do zbadania w laboratorium należą zaburzenia neurologiczne. Do tej pory wykorzystywano więc modelowe zwierzęta, np. szczury – one jednak odtwarzają specyfikę ludzkiego mózgowia w sposób niedoskonały. Dlatego uczeni od dawna podejmowali próby stworzenia modeli ludzkiej tkanki mózgowej: minimózgów. W założeniu nie miały one mieć takiej funkcjonalności jak pełnowymiarowy narząd (np. nie generowałyby świadomości). Dawałyby jednak szansę na badanie złożonych procesów, jakie zachodzą pomiędzy neuronami pacjentów ze skomplikowanymi dysfunkcjami – takimi jak uwarunkowany genetycznie zespół Timothy (powiązany z licznymi objawami neurologicznymi, arytmią serca, autyzmem i in.).

Minikości pomogą w leczeniu nowotworów

Jedną z problematycznych badawczo tkanek był do tej pory także szpik znajdujący się w kościach człowieka. To z niego wywodzą się wszystkie komórki krwi, ale też to on staje się źródłem nowotworów krwiopochodnych (np. białaczek) oraz docelowym miejscem przerzutów wielu guzów. Szwedzko-duńskiemu zespołowi udało się wyhodować organoidy kostne, czyli minikości, które posiadają wszystkie kluczowe struktury, w tym odpowiednią ilość komórek mezenchymalnych (dających początek wszystkim tkankom łącznym, w tym krwi). Z dużą skutecznością wszczepili do modeli przerzutowe komórki nowotworowe (pochodzące z raka piersi oraz z neuroblastomy). Uzyskali też personalizowane organoidy, mające w składzie komórki mezenchymalne konkretnych pacjentów. Te dokonania to szansa na lepsze poznanie patomechanizmu przerzutów i opracowanie skuteczniejszych indywidualnych metod leczenia. Wyniki badań opublikowano w „Science Translational Medicine”.

Organoid tworzy obwody funkcjonalne

Początkowo udawało się tworzyć jedynie nieduże, a więc i mało funkcjonalne organoidy – liczące do ok. 100 tys. neuronów. Głównym ograniczeniem było dostarczanie substancji odżywczych do ich wnętrza – zewnętrzne komórki pobierały pożywkę i tlen wprost z podłoża, ale te znajdujące się w środku miały tendencję do obumierania. Wkrótce udało się jednak poprawić protokoły laboratoryjne i znaleziono sposoby na tworzenie organoidów liczących po kilkaset tysięcy, a nawet milion neuronów. Struktury te nadal jednak nie spełniały oczekiwań – nie odbierając bodźców wejściowych i nie mając obwodów nerwowych, nie były w stanie organizować się tak, jak to czyni prawdziwy mózg. Nie dawały zatem szansy na badanie złożonych funkcji oryginalnego narządu. Przełomu w tym zakresie dokonało w ostatnim czasie kilka zespołów badawczych z firmą Cortical Labs na czele, której udało się stworzyć organoidy dzielące się funkcjonalnie na obszar sensoryczny oraz motoryczny. Za pomocą specjalnego układu bio-elektronicznego podłączano je do środowiska prostej gry Pong, w której mogły reagować na podstawowe bodźce i wpływać na ruch wirtualną paletką.

Niektóre zespoły badawcze stawiały zdecydowanie na wszczepianie organoidów do mózgowia żywych organizmów (myszy, szczurów). W ten sposób udawało im się rozwiązać dwa problemy: odżywienia neuronów organoidu (podłączały się one do systemu ustrojowego) oraz dostarczania mu bodźców pobudzających do funkcjonalnej organizacji. Próby te kilka razy zakończyły się powodzeniem (organoid został połączony z mózgiem gryzonia), ale jedynie na niewielką skalę – ludzka tkanka spajała się z mózgowiem zwierzęcia, ale nie tworzyła w nim zaawansowanych obwodów funkcjonalnych, np. tych powiązanych z behawiorem. Autorom publikacji, która ukazała się na łamach „Nature”, właśnie się to udało.

Organoid wpływa na motywację i behawior

Uczeni nie tylko doprowadzili do skutecznej integracji tkanki biorcy i dawcy, lecz także udowodnili, że komórki nerwowe pochodzące od człowieka wpływają zarówno na system motywacyjny gryzonia, jak i na jego zachowanie. Jednym z przykładowych testów było optogenetyczne oddziaływanie na ludzkie komórki nerwowe, które miały przekazywać obszarom ruchowym szczura polecenie „pij wodę” lub „nie pij wody”. Innymi słowy – uczeni oddziaływali światłem (określony kolor aktywuje konkretny rodzaj aktywności neuronów) na komórki ludzkiego organoidu, a ten decydował o zachowaniu szczura.

Do czego można wykorzystać te dokonania? Przede wszystkim do badania zaburzeń i nienormatywności, których objawy dotyczą złożonych reakcji behawioralnych. Ale nie tylko: nieprawidłowo funkcjonujące układy neuronów ludzkich odzwierciedlałyby swoją aktywność w zachowaniu szczura, dlatego możliwe byłoby np. śledzenie wpływu leków na złożony behawior.

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną