Az emberi agy belső működésének megértését régóta hátráltatja az emberi neuronok fejlődésének, összekapcsolódásának és kölcsönhatásainak megfigyelésének gyakorlati és etikai nehézségei. Ma, be egy új tanulmány kiadva Természet, a Stanford Egyetem idegtudósai által vezetett Sergiu Paşca beszámoltak arról, hogy új módszert találtak az emberi neuronok tanulmányozására – emberi agyszerű szövetek átültetésével néhány napos patkányba, amikor az agyuk még nem alakult ki teljesen. A kutatók kimutatták, hogy az emberi neuronok és más agysejtek képesek növekedni és beépülni a patkány agyába, részévé válva annak a funkcionális idegrendszernek, amely feldolgozza az érzeteket és szabályozza a viselkedés egyes aspektusait.
Ezzel a technikával a tudósoknak képesnek kell lenniük új élő modellek létrehozására az idegrendszeri fejlődési rendellenességek széles skálájára, beleértve az autizmus spektrumzavarok legalább néhány formáját. A modellek ugyanolyan praktikusak lennének az idegtudományi laboratóriumi vizsgálatokhoz, mint a jelenlegi állatmodellek, de jobbak lennének az emberi rendellenességek ellen, mivel valódi emberi sejtekből állnának funkcionális idegi áramkörökben. Ideális célpontjai lehetnek a modern idegtudományi eszközöknek, amelyek túlságosan invazívak ahhoz, hogy valódi emberi agyban használják őket.
„Ez a megközelítés előrelépést jelent a területen, és új módot kínál a neuronális működés zavarainak megértésére," mondott Madeline Lancaster, az Egyesült Királyságbeli Cambridge-i MRC Laboratory of Molecular Biology idegtudósa, aki nem vett részt a munkában.
A munka izgalmas új fejezetet jelent az idegi organoidok használatában is. Csaknem 15 évvel ezelőtt a biológusok felfedezték, hogy az emberi őssejtek képesek önszerveződni, és kis gömbökké nőni, amelyek különböző típusú sejteket tartalmaznak, és hasonlítanak az agyszövetre. Ezek az organoidok új ablakot nyitottak az agysejtek tevékenységébe, de a kilátásnak megvannak a határai. Míg az edényben lévő neuronok képesek kapcsolódni egymáshoz és elektromosan kommunikálni, nem tudnak igazán működőképes áramköröket kialakítani, és nem érik el az egészséges neuronok teljes növekedését és számítási képességét természetes élőhelyükön, az agyban.
Úttörő munka különböző kutatócsoportok évekkel ezelőtt bebizonyították, hogy az emberi agyi organoidok beilleszthetők a felnőtt patkányok agyába, és túlélhetők. Az új tanulmány azonban először mutatta ki, hogy egy újszülött patkány feltörekvő agya elfogadja az emberi neuronokat és lehetővé teszi azok érését, miközben integrálja azokat a helyi áramkörökbe, amelyek képesek irányítani a patkány viselkedését.
Paşca rámutatott, hogy „ezer okunk van azt hinni, hogy ez nem fog működni”, tekintettel arra, hogy a két faj idegrendszere hogyan és mikor fejlődik ki drasztikusan. És mégis működött, az emberi sejtek megtalálták azokat a nyomokat, amelyekre szükségük volt a lényeges kapcsolatok létrehozásához.
"Ez egy nagyon szükséges és elegáns tanulmány, amely a helyes irányba tereli a területet, és olyan megközelítéseket keres, amelyek elősegítik az emberi agyi organoidok fiziológiai jelentőségét az emberi agy fejlődésének későbbi szakaszainak modellezésére" Giorgia Quadrato, a Dél-Kaliforniai Egyetem idegkutatója.
Paşca mindig is a motivációja volt, hogy megértse azokat a sejtes és molekuláris folyamatokat, amelyek az idegsejtekben rosszul mennek el, és agyi rendellenességekhez vezetnek. [A szerkesztő megjegyzése: Lásd a kísérő interjú Paşcával életéről, karrierjéről és munkája motivációiról.] Mivel számos pszichiátriai és neurológiai rendellenesség gyökeret ereszt az agyban a fejlődés során – bár a tünetek csak évekkel később jelentkeznek –, a neuronok fejlődésének megfigyelése tűnt a legjobb módszernek arra, hogy betöltsük az űröket. Ezért volt Paşca célja, hogy emberi agyi organoidokat ültessen át újszülött patkányokba, mióta 13 évvel ezelőtt elkezdett egy edényben neuronokkal dolgozni.
Az új munkában – amelyet szintén Paşca stanfordi kollégái vezettek Felicity Gore, Kevin Kelley és Omer Revah (jelenleg a jeruzsálemi Héber Egyetemen) – a csapat kérgi emberi agyi organoidokat illesztett be nagyon fiatal patkánykölykök szomatoszenzoros kéregébe, mielőtt a kölykök agyi áramköre teljesen kiépült volna. Ez lehetőséget adott az emberi neuronoknak arra, hogy hosszú távú kapcsolatokat fogadjanak egy kulcsfontosságú régióból, amely feldolgozza a bejövő szenzoros információkat. Ezután a kutatók megvárták, vajon az organoid együtt fog-e növekedni a patkány fejlődő agyának többi részével.
„Felfedeztük, hogy ha az organoidot abban a korai stádiumban helyezzük be… négy-öt hónap alatt akár kilencszer nagyobbra nő, mint eredetileg” – mondta Paşca. Ez egy olyan emberszerű agyszövet területet jelentett, amely a patkány agyféltekéjének körülbelül egyharmadát borította.
De annak ellenére, hogy az emberi neuronok együtt maradtak a kérgi területen, ahová műtéti úton helyezték el őket, a kutatók kimutatták, hogy a patkány agyába mélyen befűzött idegi áramkör aktív részeivé váltak. Az átültetett emberi neuronok többsége reagálni kezdett a patkány bajuszának érintésére: Amikor levegőt fújtak a bajuszra, az emberi neuronok elektromosan aktívabbá váltak.
Még meglepőbb, hogy az idegi jelek áramlása a másik irányba is futhat, és befolyásolhatja a viselkedést. Amikor az emberi neuronokat kék fénnyel stimulálták (az optogenetikának nevezett technikával), az olyan feltételes viselkedést váltott ki a patkányokban, amely arra késztette őket, hogy jutalmat keressenek azzal, hogy gyakrabban nyalnak egy vizespalackot.
„Ez azt jelenti, hogy valóban emberi sejteket integráltunk az áramkörbe” – mondta Paşca. „Nem változtatja meg az áramköröket. … Csak az emberi sejtek most már részei ennek.”
Az átültetett sejtek új környezetükben nem utánozták tökéletesen az emberi agyszövetet. Például nem szerveződtek ugyanabba a többrétegű struktúrába, mint az emberi kéregben. (Nem is követték a környező patkányneuronok példáját, és nem alkották meg a patkány szomatoszenzoros kéregére jellemző hordószerű oszlopokat.) De az egyes átültetett neuronok megőrizték a normális emberi elektromos és szerkezeti tulajdonságok nagy részét.
A sejtek kihasználták az agy belsejének egyik fő előnyét: sikeresen kapcsolódtak a patkány agy érrendszeréhez, lehetővé téve, hogy az erek átjárják a szövetet, hogy oxigént és hormonokat szállítsanak. Úgy gondolják, hogy a vérellátás hiánya a fő oka annak, hogy az edényben növekvő emberi neuronok rutinszerűen nem érnek el teljesen, valamint hiányoznak a neurális jelbemenetek, amelyek valószínűleg szükségesek a fejlődés alakításához – magyarázta Paşca. Amikor csapata összehasonlította az átültetett emberi neuronokat az edényben élőkkel, azt találták, hogy az átültetett neuronok hatszor nagyobbak, méretük és elektromos aktivitási profiljuk közelebb áll a természetes emberi agyszövetből származó neuronokhoz.
„Van valami az in vivo környezetben – tehát az agyban kapott tápanyagokban és elektromos jelekben –, ami az emberi sejteket az érés egy másik szintjére emeli” – mondta Paşca.
Mivel az emberi neuronok olyan sokat érettek a patkányagyban, Paşca és munkatársai szokatlan különbségeket tapasztalhattak a Timothy-szindrómának nevezett genetikai rendellenességben szenvedőkből származó agyi organoidok fejlődésében, amelyek gyakran okoznak autizmust és epilepsziát. A patkányagyban a Timothy-szindróma géneket hordozó transzplantált emberi neuronok rendellenes dendritágakat növesztettek, amelyek szokatlan kapcsolatokat hoztak létre. Döntő fontosságú, hogy ezen atipikus fejlemények némelyike csak a patkánykéregben növekedő emberi neuronokban volt megfigyelhető, és nem az edényben lévő organoid neuronokban.
Paşca hangsúlyozza, hogy ez idáig az érő idegsejtek ilyen jellegű finom változásai, amelyek befolyásolják az agy működését, és neurológiai és pszichiátriai rendellenességekhez vezetnek, nagyrészt rejtve maradtak előlünk.
„Az eredmények nagyon izgalmasak” – mondta Bennett Novics, idegtudós és őssejtbiológus a Kaliforniai Egyetemen, Los Angelesben. Az idegszövetek in vitro vizsgálata továbbra is gyorsabb és praktikusabb lesz sokféle neurológiai vizsgálat és gyógyszerteszt esetében, de az új dokumentum „szemlélteti, hogy az emberi neuronok érett tulajdonságainak feltárása hogyan érhető el legjobban in vivo környezetben. .”
Paşca reméli, hogy az érett emberi neuronok patkányokon belüli tanulmányozása végre közelebb hozza a pszichiátriai rendellenességek és a neurológiai állapotok kezelését. A területen mások is bizakodnak. "Ha ez az organoid transzplantációs stratégia valóban képes utánozni a betegségek jeleit, az valóban felgyorsíthatja a gyógyulás felé vezető utat" - mondta Joel Blanchard, a Sinai-hegyi Icahn Orvostudományi Iskola idegtudósa.
Az új munka jellege kérdéseket vethet fel a patkányok jólétével és etikus bánásmódjával kapcsolatban. Emiatt Paşca és munkatársai kezdettől fogva aktív megbeszéléseket folytattak etikusokkal. Mint minden állatokkal végzett kísérletnél, itt is törvényi előírás volt, hogy a patkányokat laboratóriumi technikusok alaposan felügyeljék, feljogosítva a kísérletet bármikor leállítani. De a viselkedési és kognitív tesztek során nem találtak különbséget a transzplantált emberi agyi organoidokkal rendelkező patkányok között.
Insoo Hyun, a Harvard Medical School Bioetikai Központjához kapcsolódó bioetikus azt mondta, hogy nincsenek etikai aggályai a jelenlegi kísérletekkel kapcsolatban. Paşca csapata követte a Nemzetközi Őssejtkutatási Társaság által kidolgozott összes irányelvet, amely az emberi agyi organoidokkal és az emberi sejtek állatokba történő átvitelével kapcsolatos kutatásokat szabályozza. „Számomra a kérdés valóban megértő: hova tovább? ő mondta.
Hyun jobban aggódik más kutatócsoportok miatt, amelyek érdekeltté válhatnak az emberi agy organoidjainak a miénkhez hasonló fajokba, például főemlősökbe való átültetésében. „Nagyon intenzív beszélgetést kell folytatnia a felügyelet szintjén arról, hogy miért indokolt valami bonyolultabb megoldásra menni” – mondta Hyun.
Paşca azt mondja, hogy őt és kollégáit nem érdeklik az efféle határfeszítő kísérletek. Azt is gondolja, hogy az organoidok transzplantációhoz való termesztésének és fenntartásának nehézségei megfékezik a legtöbb potenciálisan meggondolatlan kutatást. "Kevés olyan helyen van, ahol az ehhez szükséges infrastruktúra és szakértelem rendelkezésre áll" - mondta.
A közvetlenebb és gyakorlatiasabb tudományos kihívások a patkányokba átültetett emberi agyi organoidok javításában rejlenek. Kétségtelen, hogy még hosszú út áll előttünk. Az emberi agyszerű szövetből jelenleg a neuronokon kívül számos fontos agysejt hiányzik, mint például a mikroglia és az asztrociták, valamint olyan neuronok, amelyek más neuronok aktivitásának gátlásában vesznek részt. Paşca csapata jelenleg olyan kísérleteken dolgozik, amelyek átültetik a „szerelvényeket” – olyan organoidokat, amelyek különböző agyi régiókat képviselnek, amelyek sejtjei vándorolnak és kölcsönhatásba lépnek egymással.
Lehetnek korlátai annak, hogy a patkányagyban található emberi neuronok eredményei mennyire vonatkozhatnak a természetes emberi agyra. Az ezekben a transzplantációs vizsgálatokban használt patkányok genetikai mutáció miatt hibás immunrendszerrel születtek. Emiatt kiválóan alkalmasak transzplantációra, mivel az immunrendszerük kisebb valószínűséggel utasítja el a beültetett emberi sejteket. De ez azt is jelenti, hogy az olyan neurodegeneratív betegségek, mint például az Alzheimer-kór, amelyekről ismert, hogy immunkomponenseik vannak, tanulmányozása nehezebb lehet. És bármennyire is valósághűek az átültetett emberi agyi organoidok, amíg patkányagyban vannak, az emberi vér helyett patkányvérnek lesznek kitéve, annak egyedülálló tápanyag- és hormonprofiljával. Az idegtudósok tehát olyan rendszereket tanulmányozhatnak, amelyek némileg elmaradnak az emberi koponyán belüli valóságtól.
De Paşca számára ez az új rendszer lehetőséget kínál arra, hogy minden eddiginél közelebb kerüljön a földi igazsághoz arról, hogy a megváltozott neurobiológiai folyamatok miként okoznak neurológiai és pszichiátriai rendellenességeket. Az organoidok újszülött patkányokba történő átültetése végre módot kínál a modern idegtudományi eszközök teljes erejének az emberi neuronok és áramkörök fejlesztésére irányuló kutatására.
„A nehéz problémák, például az olyan pszichiátriai rendellenességek megértése, amelyek egyedülállóan emberi állapotok, merész megközelítést igényelnek” – mondta Paşca.
