Meie arusaamist inimaju sisemisest tööst on pikka aega takistanud praktiline ja eetiline raskus jälgida inimese neuronite arengut, ühendust ja vastastikmõju. Täna, sisse uus uuring avaldatakse loodus, Stanfordi ülikooli neuroteadlased eesotsas Sergiu Paşca teatasid, et nad on leidnud uue viisi inimese neuronite uurimiseks – siirdades inimese ajutaolisi kudesid vaid päevade vanustele rottidele, kui nende aju pole veel täielikult moodustunud. Teadlased näitavad, et inimese neuronid ja muud ajurakud võivad kasvada ja integreeruda roti ajusse, muutudes osaks funktsionaalsest närvisüsteemist, mis töötleb aistinguid ja kontrollib käitumise aspekte.
Seda tehnikat kasutades peaksid teadlased suutma luua uusi elamismudeleid paljude neuroarenguhäirete, sealhulgas vähemalt teatud autismispektri häirete vormide jaoks. Need mudelid oleksid neuroteaduslike laboriuuringute jaoks sama praktilised kui praegused loommudelid, kuid oleksid paremad inimeste häirete jaoks, kuna need koosneksid reaalsetest inimrakkudest funktsionaalsetes närviahelates. Need võivad olla ideaalsed sihtmärgid kaasaegsetele neuroteaduse tööriistadele, mis on liiga invasiivsed, et neid päris inimese ajus kasutada.
"See lähenemisviis on valdkonna jaoks samm edasi ja pakub uut viisi neuronite talitlushäirete mõistmiseks,"ütles Madeline Lancaster, Ühendkuningriigis Cambridge'is asuva MRC molekulaarbioloogia labori neuroteadlane, kes ei osalenud töös.
Töö tähistab ka uut põnevat peatükki närviorganoidide kasutamises. Ligi 15 aastat tagasi avastasid bioloogid, et inimese tüvirakud võivad ise organiseeruda ja kasvada väikesteks sfäärideks, mis sisaldasid erinevat tüüpi rakke ja meenutasid ajukoe. Need organoidid avasid uue akna ajurakkude tegevusse, kuid vaatel on oma piirid. Kuigi tassis olevad neuronid saavad üksteisega ühenduse luua ja elektriliselt suhelda, ei saa nad moodustada tõeliselt funktsionaalseid ahelaid ega saavutada tervete neuronite täielikku kasvu ja arvutusvõimet nende loomulikus elupaigas, ajus.
Teerajaja töö mitmed uurimisrühmad tõestasid aastaid tagasi, et inimese ajuorganoide saab sisestada täiskasvanud rottide ajju ja ellu jääda. Kuid uus uuring näitab esimest korda, et vastsündinud roti kasvav aju võtab vastu inimese neuroneid ja võimaldab neil küpseda, integreerides need ka kohalikesse ahelatesse, mis on võimelised roti käitumist juhtima.
Paşca märkis, et on "tuhat põhjust arvata, et see ei tööta", arvestades drastilisi erinevusi selles, kuidas ja millal kahe liigi närvisüsteem areneb. Ja ometi see töötas, inimrakud leidsid vajalikke vihjeid oluliste ühenduste loomiseks.
"See on väga vajalik ja elegantne uuring, mis juhib valdkonda õiges suunas, otsides lähenemisviise, mis edendaksid inimese aju organoidide füsioloogilist tähtsust inimese aju arengu hilisemate etappide modelleerimiseks," ütles ta. Giorgia Quadrato, Lõuna-California ülikooli neuroteadlane.
Paşca motivatsioon on alati olnud nende raku- ja molekulaarsete protsesside mõistmine, mis neuronites sassi lähevad ja põhjustavad ajuhäireid. [Toimetaja märkus: vaadake kaasnev intervjuu Paşcaga tema elust, karjäärist ja töö motivatsioonist.] Kuna paljud psühhiaatrilised ja neuroloogilised häired juurduvad ajus arengu käigus – kuigi sümptomid võivad ilmneda alles aastaid hiljem – on neuronite arengu jälgimine tundunud olevat parim viis täita tühimikud meie arusaamises. Seetõttu on Paşca eesmärk inimese aju organoidide siirdamine vastsündinud rottidele olnud sellest ajast peale, kui ta 13 aastat tagasi töötas tassis neuronitega.
Uues töös, mida juhtisid ka Paşca Stanfordi kolleegid Felicity Gore, Kevin Kelley ja Omer Revah (praegu Jeruusalemma Heebrea Ülikoolis) – töörühm sisestas inimese ajukoore organoidid väga noorte rotipoegade somatosensoorsesse ajukooresse, enne kui poegade ajuahelad olid täielikult välja kujunenud. See andis inimese neuronitele võimaluse saada kaugühendusi võtmepiirkonnast, mis töötleb sissetulevat sensoorset teavet. Seejärel ootasid teadlased, kas organoid kasvab koos ülejäänud roti areneva ajuga.
"Me avastasime, et kui paneme organoidi sellesse varajases staadiumis ... see kasvab nelja või viie kuu jooksul kuni üheksa korda suuremaks, kui see algselt oli," ütles Paşca. See tähendas inimesesarnase ajukoe piirkonda, mis kattis umbes kolmandiku ühest roti ajupoolkerast.
Kuid kuigi inimese neuronid jäid kokku ajukoore piirkonnas, kuhu nad kirurgiliselt paigutati, näitasid teadlased, et neist said sügavale roti ajusse keerdunud närvisüsteemi aktiivsed osad. Enamik siirdatud inimese neuroneid hakkas reageerima roti vuntside puutetundlikele tunnetele: kui vuntsidele suunati õhupahvakuid, muutusid inimese neuronid elektriliselt aktiivsemaks.
Veelgi üllatavam on see, et närvisignaalide voog võib kulgeda ka teises suunas ja mõjutada käitumist. Kui inimese neuroneid stimuleeriti sinise valgusega (optogeneetika-nimelise tehnika abil), kutsus see rottidel esile tingliku käitumise, mis pani neid otsima tasu veepudelit sagedamini lakkudes.
"See tähendab, et oleme tegelikult inimrakud vooluringi integreerinud," ütles Paşca. "See ei muuda vooluringe. ... Lihtsalt inimrakud on nüüd osa sellest.
Siirdatud rakud ei jäljendanud uues keskkonnas täiuslikult inimese ajukoe. Näiteks ei organiseerinud nad end samasse mitmekihilisse struktuuri, mida on näha inimese ajukoores. (Samuti ei järginud nad ümbritsevate roti neuronite eeskuju ega moodustanud roti somatosensoorsele ajukoorele iseloomulikke tünnilaadseid sambaid.) Kuid üksikud siirdatud neuronid säilitasid paljud inimese normaalsed elektrilised ja struktuursed omadused.
Rakud kasutasid ära üht peamist eelist ajus olemises: nad lõid edukalt ühendust roti aju veresoonte süsteemiga, võimaldades veresoontel hapniku ja hormoonide tarnimiseks kudedesse tungida. Arvatakse, et verevarustuse puudumine on peamiseks põhjuseks, miks tassis kasvavad inimese neuronid ei suuda rutiinselt täielikult küpseda, koos närvisignaali sisendite puudumisega, mida on tõenäoliselt vaja arengu kujundamiseks, selgitas Paşca. Kui tema meeskond võrdles siirdatud inimese neuroneid tassis elavate neuronitega, avastasid nad, et siirdatud neuronid olid kuus korda suuremad ning nende suurus ja elektrilise aktiivsuse profiil olid lähedasemad inimese looduslikust ajukoest pärinevate neuronite omadele.
"In vivo keskkonnas – seega toitainetes ja elektrilistes signaalides, mida nad ajus saavad – on midagi, mis viib inimrakud küpsemise teisele tasemele," ütles Paşca.
Kuna inimese neuronid olid roti ajus nii palju küpsenud, võisid Paşca ja tema kolleegid näha ebatavalisi erinevusi aju organoidide arengus, mis on saadud inimestelt, kellel on geneetiline häire nimega Timothy sündroom, mis sageli põhjustab autismi ja epilepsiat. Roti ajus kasvatasid Timothy sündroomi geene kandvad siirdatud inimese neuronid ebanormaalseid dendriitide oksi, mis lõid ebatavalisi ühendusi. Oluline on see, et mõnda neist ebatüüpilistest arengutest võis näha ainult roti ajukoores kasvavates inimese neuronites, mitte aga tassi organoidsetes neuronites.
Paşca rõhutab, et seni on seda tüüpi peened muutused küpsedes neuronites, mis mõjutavad ajufunktsiooni ja põhjustavad neuroloogilisi ja psühhiaatrilisi häireid, meie eest suuresti varjatud.
"Tulemused on väga põnevad," ütles Bennett Novitš, Los Angelese California ülikooli neuroteadlane ja tüvirakkude bioloog. Ta märkis, et närvikudede in vitro uuringud on paljude neuroloogiliste uuringute ja ravimitestide jaoks endiselt kiiremad ja praktilisemad, kuid uus artikkel "illustreerib, kuidas inimese neuronite küpsete omaduste paljastamine on endiselt kõige paremini saavutatav in vivo tingimustes. .”
Paşca loodab, et küpsete inimese neuronite uurimine rottidel toob lõpuks psühhiaatriliste häirete ja neuroloogiliste seisundite ravi lähemale. Ka teised selle valdkonna esindajad on lootusrikkad. "Kui see organoidi siirdamise strateegia suudab tõeliselt jäljendada haiguse tunnuseid, võib see tõesti kiirendada meie teed ravi poole," ütles ta. Joel Blanchard, Siinai mäel asuva Icahni meditsiinikooli neuroteadlane.
Uue töö iseloom võib tekitada küsimusi rottide heaolu ja eetilise kohtlemise kohta. Sel põhjusel on Paşca ja tema kolleegid eetikutega algusest peale aktiivselt arutanud. Nagu kõigi loomadega tehtud katsete puhul, kehtis seaduslik nõue, et laboritehnikud peavad rotte põhjalikult jälgima, kellel on õigus katse igal ajal peatada. Kuid käitumuslike ja kognitiivsete testide käigus ei leitud erinevusi rottidel, kellele oli siirdatud inimese aju organoidid.
Insoo HyunHarvardi meditsiinikooli bioeetikakeskusega seotud bioeetik ütles, et tal pole praeguste katsete pärast eetilisi muresid. Paşca meeskond järgis kõiki Rahvusvahelise Tüvirakkude Uurimise Seltsi poolt välja töötatud juhiseid, mis reguleerivad inimese aju organoidide uurimist ja inimrakkude ülekandmist loomadele. "Minu jaoks on probleem tõesti mõistev: kuhu te sealt edasi lähete?" ta ütles.
Hyun on rohkem mures teiste uurimisrühmade pärast, kes võivad nüüd olla huvitatud inimese aju organoidide siirdamisest meie omadega sarnasematesse liikidesse, näiteks ahvilistesse. "Teil peaks olema väga intensiivne vestlus järelevalve tasandil, miks teil on õigus minna millegi keerukama juurde," ütles Hyun.
Paşca ütleb, et temal ja ta kolleegidel pole selliste piiride nihutamise katsete vastu huvi. Ta arvab ka, et siirdamiseks mõeldud organoidide kasvatamise ja säilitamise raskus piirab enamikku potentsiaalselt hoolimatuid uuringuid. "Selleks vajaliku infrastruktuuri ja teadmistega kohti on vähe," ütles ta.
Vahetumad ja praktilisemad teaduslikud väljakutsed seisnevad inimese aju organoidide parandamises, mis siirdatakse rottidele. Kahtlemata on veel pikk tee minna. Inimese ajulaadsel koel puuduvad praegu peale neuronite paljud olulised ajurakud, nagu mikroglia ja astrotsüüdid, samuti neuronid, mis on seotud teiste neuronite aktiivsuse pärssimisega. Paşca meeskond töötab praegu katsetega, mis siirdavad "assembloide" - organoidide komplekte, mis esindavad erinevaid ajupiirkondi, mille rakud migreeruvad ja üksteisega suhtlevad.
Inimese neuronite leiud roti ajus võivad olla piiratud loomuliku inimese ajuga. Nendes siirdamisuuringutes kasutatud rotid on sündinud geneetilise mutatsiooni tõttu vigase immuunsüsteemiga. See muudab need siirdamiseks hästi sobivaks, kuna nende immuunsüsteem lükkab siirdatud inimrakke vähem tagasi. Kuid see tähendab ka seda, et selliste neurodegeneratiivsete haiguste nagu Alzheimeri tõve uurimine, millel on teadaolevalt immuunkomponente, võib olla keerulisem. Ja olenemata sellest, kui realistlikud on siirdatud inimaju organoidid, puutuvad nad roti ajus kokku roti verega, mille toitainete ja hormoonide profiil on unikaalne, mitte inimverega. Neuroteadlased võivad seega uurida süsteeme, mis jäävad mõnevõrra alla inimese kolju tegelikkusele.
Kuid Paşca jaoks pakub see uus süsteem võimalust jõuda lähemale kui kunagi varem maapealsele tõele selle kohta, kuidas muutunud neurobioloogilised protsessid põhjustavad neuroloogilisi ja psühhiaatrilisi häireid. Organoidide siirdamine vastsündinud rottidele pakub lõpuks võimalust kasutada tänapäevaste neuroteaduste vahendite täielikku jõudu inimese neuronite ja ahelate arendamise uurimisel.
"Rasked probleemid, nagu psühhiaatriliste häirete mõistmine, mis on ainulaadselt inimlikud seisundid, nõuavad julgeid lähenemisviise," ütles Paşca.
