Sel Manusia yang Dikembangkan di Lab Membentuk Sirkuit Kerja di Otak Tikus

Pemahaman kita tentang cara kerja bagian dalam otak manusia telah lama tertahan oleh kesulitan praktis dan etis dalam mengamati neuron manusia berkembang, terhubung, dan berinteraksi. Hari ini, di sebuah studi baru diterbitkan dalam Alam, ahli saraf di Universitas Stanford yang dipimpin oleh Sergiu Pasca melaporkan bahwa mereka telah menemukan cara baru untuk mempelajari neuron manusia — dengan mentransplantasikan jaringan mirip otak manusia ke tikus yang baru berumur beberapa hari, ketika otak mereka belum sepenuhnya terbentuk. Para peneliti menunjukkan bahwa neuron manusia dan sel otak lainnya dapat tumbuh dan mengintegrasikan diri ke dalam otak tikus, menjadi bagian dari sirkuit saraf fungsional yang memproses sensasi dan mengontrol aspek perilaku.

Dengan menggunakan teknik ini, para ilmuwan harus mampu menciptakan model hidup baru untuk berbagai gangguan perkembangan saraf, termasuk setidaknya beberapa bentuk gangguan spektrum autisme. Model akan sama praktisnya untuk studi laboratorium ilmu saraf seperti model hewan saat ini tetapi akan lebih baik untuk gangguan manusia karena mereka akan terdiri dari sel manusia nyata dalam sirkuit saraf fungsional. Mereka bisa menjadi target ideal untuk alat ilmu saraf modern yang terlalu invasif untuk digunakan di otak manusia nyata.

“Pendekatan ini merupakan langkah maju untuk bidang ini dan menawarkan cara baru untuk memahami gangguan fungsi saraf,"Kata Madeline Lancaster, seorang ahli saraf di MRC Laboratory of Molecular Biology di Cambridge, Inggris, yang tidak terlibat dalam penelitian tersebut.

Pekerjaan ini juga menandai babak baru yang menarik dalam penggunaan organoid saraf. Hampir 15 tahun yang lalu, para ahli biologi menemukan bahwa sel punca manusia dapat mengatur dirinya sendiri dan tumbuh menjadi bola-bola kecil yang menampung berbagai jenis sel dan menyerupai jaringan otak. Organoid-organoid ini membuka jendela baru ke dalam aktivitas sel-sel otak, tetapi pandangan itu ada batasnya. Sementara neuron dalam piringan dapat terhubung satu sama lain dan berkomunikasi secara elektrik, mereka tidak dapat membentuk sirkuit yang benar-benar berfungsi atau mencapai pertumbuhan penuh dan kecakapan komputasi neuron sehat di habitat alami mereka, otak.

Pekerjaan perintis oleh berbagai kelompok penelitian membuktikan bertahun-tahun yang lalu bahwa organoid otak manusia dapat dimasukkan ke dalam otak tikus dewasa dan bertahan hidup. Tetapi studi baru menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa otak tikus yang baru lahir yang sedang berkembang akan menerima neuron manusia dan membiarkannya menjadi dewasa, sementara juga mengintegrasikannya ke dalam sirkuit lokal yang mampu mendorong perilaku tikus.

Paşca menunjukkan bahwa ada "seribu alasan untuk percaya bahwa itu tidak akan berhasil", mengingat perbedaan drastis dalam bagaimana dan kapan sistem saraf kedua spesies berkembang. Namun itu berhasil, dengan sel manusia menemukan petunjuk yang mereka butuhkan untuk membuat koneksi penting.

“Ini adalah studi yang sangat dibutuhkan dan elegan yang mengarahkan bidang ini ke arah yang benar dalam mencari pendekatan untuk memajukan relevansi fisiologis organoid otak manusia untuk memodelkan tahap perkembangan otak manusia selanjutnya,” kata Giorgia Quadrato, seorang ahli saraf di University of Southern California.

Memahami proses seluler dan molekuler yang salah dalam neuron dan menyebabkan gangguan otak selalu menjadi motivasi Paşca. [Catatan editor: Lihat wawancara pendamping dengan Paşca tentang kehidupan, karier, dan motivasinya untuk pekerjaannya.] Karena banyak gangguan kejiwaan dan neurologis berakar di otak selama perkembangan — meskipun gejalanya mungkin tidak muncul sampai bertahun-tahun kemudian — mengamati bagaimana neuron berkembang tampaknya merupakan cara terbaik untuk mengisi kekosongan dalam pemahaman kita. Itulah mengapa tujuan Paşca untuk mentransplantasikan organoid otak manusia ke tikus yang baru lahir sejak ia mulai bekerja dengan neuron di piring 13 tahun yang lalu.

Dalam pekerjaan baru — yang juga dipimpin oleh rekan Stanford Paşca Felisitas Gore, Kevin Kelley dan Omer Revah (sekarang di Hebrew University of Jerusalem) — tim memasukkan organoid otak manusia kortikal ke dalam korteks somatosensori anak tikus yang sangat muda, sebelum sirkuit otak anak tikus itu sepenuhnya terbentuk. Ini memberi neuron manusia kesempatan untuk menerima koneksi jarak jauh dari wilayah kunci yang memproses informasi sensorik yang masuk. Kemudian para peneliti menunggu untuk melihat apakah organoid itu akan tumbuh seiring dengan perkembangan otak tikus lainnya.

“Kami menemukan bahwa jika kami memasukkan organoid pada tahap awal itu … itu tumbuh hingga sembilan kali lebih besar daripada awalnya selama empat atau lima bulan,” kata Paşca. Itu diterjemahkan ke area jaringan otak mirip manusia yang menutupi sekitar sepertiga dari salah satu belahan otak tikus.

Tetapi meskipun neuron manusia tetap bersama di area kortikal di mana mereka ditempatkan secara operasi, para peneliti menunjukkan bahwa mereka menjadi bagian aktif dari sirkuit saraf yang tertanam jauh di dalam otak tikus. Sebagian besar neuron manusia yang ditransplantasikan mulai merespons sensasi sentuhan dari kumis tikus: Ketika embusan udara diarahkan ke kumis, neuron manusia menjadi lebih aktif secara elektrik.

Yang lebih mengejutkan, aliran sinyal saraf juga bisa berjalan ke arah lain dan memengaruhi perilaku. Ketika neuron manusia dirangsang dengan cahaya biru (melalui teknik yang disebut optogenetika), itu memicu perilaku terkondisi pada tikus yang membuat mereka mencari hadiah dengan lebih sering menjilat botol air.

“Itu berarti bahwa kita sebenarnya telah mengintegrasikan sel manusia ke dalam sirkuit,” kata Paşca. “Itu tidak mengubah sirkuit. … Hanya saja sel manusia sekarang menjadi bagian darinya.”

Sel-sel yang ditransplantasikan tidak secara sempurna meniru jaringan otak manusia dalam pengaturan baru mereka. Misalnya, mereka tidak mengatur diri mereka sendiri ke dalam struktur berlapis-lapis yang sama seperti yang terlihat di korteks manusia. (Mereka juga tidak mengikuti jejak neuron tikus di sekitarnya dan membentuk kolom seperti tong yang merupakan karakteristik dari korteks somatosensori tikus.) Tetapi neuron yang ditransplantasikan secara individu memang menyimpan banyak sifat listrik dan struktural manusia normal.

Sel-sel mengambil keuntungan dari satu keuntungan utama berada di dalam otak: Mereka berhasil terhubung dengan sistem pembuluh darah otak tikus, memungkinkan pembuluh darah menembus jaringan untuk memberikan oksigen dan hormon. Kurangnya suplai darah dianggap sebagai alasan utama mengapa neuron manusia yang tumbuh di piring secara rutin gagal matang sepenuhnya, bersama dengan kurangnya input sinyal saraf yang mungkin diperlukan untuk membentuk perkembangan, Paşca menjelaskan. Ketika timnya membandingkan neuron manusia yang ditransplantasikan dengan mereka yang hidup di piring, mereka menemukan bahwa neuron yang ditransplantasikan enam kali lebih besar, dengan ukuran dan profil aktivitas listrik lebih dekat dengan neuron dari jaringan otak manusia alami.

"Ada sesuatu tentang lingkungan in vivo - jadi, nutrisi dan sinyal listrik yang mereka terima di otak - yang membawa sel manusia ke tingkat pematangan lain," kata Paşca.

Karena neuron manusia sangat matang di dalam otak tikus, Paşca dan rekan-rekannya dapat melihat perbedaan yang tidak biasa dalam perkembangan organoid otak yang berasal dari orang-orang dengan kelainan genetik yang disebut sindrom Timothy, yang sering menyebabkan autisme dan epilepsi. Pada otak tikus, neuron manusia yang ditransplantasikan yang membawa gen untuk sindrom Timothy menumbuhkan cabang dendritik abnormal yang membuat koneksi yang tidak biasa. Yang terpenting, beberapa dari perkembangan atipikal ini hanya dapat dilihat pada neuron manusia yang tumbuh di dalam korteks tikus, dan tidak pada neuron organoid di dalam cawan.

Paşca menekankan bahwa sampai sekarang, jenis perubahan halus pada neuron yang matang yang memengaruhi fungsi otak dan menyebabkan gangguan neurologis dan psikiatri ini sebagian besar tersembunyi dari kita.

“Hasilnya sangat menarik,” kata Bennet Novitch, seorang ahli saraf dan ahli biologi sel punca di University of California, Los Angeles. Studi in vitro jaringan saraf masih akan lebih cepat dan lebih praktis untuk banyak jenis studi neurologis dan tes obat, katanya, tetapi makalah baru “mengilustrasikan bagaimana mengungkapkan karakteristik dewasa neuron manusia … masih paling baik dicapai dalam pengaturan in vivo .”

Paşca berharap bahwa dapat mempelajari neuron manusia dewasa di dalam tikus pada akhirnya akan membawa perawatan untuk gangguan kejiwaan dan kondisi neurologis lebih dekat. Orang lain di lapangan juga berharap. “Jika strategi transplantasi organoid ini benar-benar dapat meniru tanda penyakit, ini benar-benar dapat mempercepat jalan kita menuju penyembuhan,” kata Joel Blanchard, seorang ahli saraf di Icahn School of Medicine di Gunung Sinai.

Sifat pekerjaan baru dapat menimbulkan pertanyaan tentang kesejahteraan dan perlakuan etis terhadap tikus. Untuk itu, Paşca dan rekan-rekannya sejak awal telah aktif berdiskusi dengan para ahli etika. Seperti dalam semua eksperimen yang melibatkan hewan, ada persyaratan hukum bahwa tikus harus dipantau secara ekstensif oleh teknisi laboratorium dengan wewenang untuk menghentikan eksperimen kapan saja. Tetapi tidak ada perbedaan yang ditemukan pada tikus dengan organoid otak manusia yang ditransplantasikan dalam serangkaian tes perilaku dan kognitif.

Insu Hyun, seorang ahli bioetika yang berafiliasi dengan Pusat Bioetika Harvard Medical School, mengatakan dia tidak memiliki masalah etika tentang eksperimen saat ini. Tim Paşca mengikuti semua pedoman yang dikembangkan oleh International Society for Stem Cell Research yang mengatur penelitian dengan organoid otak manusia dan transfer sel manusia ke hewan. “Bagi saya, masalahnya benar-benar pemahaman: Ke mana Anda pergi dari sana?” dia berkata.

Hyun lebih peduli tentang tim peneliti lain yang sekarang mungkin tertarik untuk mentransplantasikan organoid otak manusia ke spesies yang lebih mirip dengan kita, seperti primata bukan manusia. "Anda harus memiliki percakapan yang sangat intens di tingkat pengawasan mengapa Anda dibenarkan untuk pergi ke sesuatu yang lebih kompleks," kata Hyun.

Paşca mengatakan bahwa dia dan rekan-rekannya tidak tertarik pada eksperimen yang mendorong batas seperti itu. Dia juga berpikir bahwa kesulitan menumbuhkan dan mempertahankan organoid untuk transplantasi akan mengekang penelitian yang paling berpotensi sembrono. “Ada beberapa tempat dengan infrastruktur dan keahlian yang dibutuhkan untuk melakukan ini,” katanya.

Tantangan ilmiah yang lebih langsung dan praktis terletak pada peningkatan organoid otak manusia yang ditransplantasikan ke tikus. Tidak diragukan lagi, jalan masih panjang. Jaringan mirip otak manusia saat ini kehilangan banyak sel otak penting di luar neuron, seperti mikroglia dan astrosit, serta neuron yang terlibat dalam menghambat aktivitas neuron lain. Tim Paşca saat ini sedang mengerjakan eksperimen yang akan mentransplantasikan "kumpulan" - set organoid yang mewakili berbagai daerah otak yang sel-selnya bermigrasi dan berinteraksi satu sama lain.

Mungkin ada batasan seberapa banyak temuan dari neuron manusia di dalam otak tikus dapat diterapkan pada otak manusia alami. Tikus yang digunakan dalam studi transplantasi ini dilahirkan dengan sistem kekebalan yang rusak, karena mutasi genetik. Itu membuat mereka cocok untuk transplantasi, karena sistem kekebalan mereka cenderung menolak sel manusia yang ditanamkan. Tetapi itu juga berarti bahwa studi penyakit neurodegeneratif seperti Alzheimer yang diketahui memiliki komponen kekebalan mungkin lebih sulit. Dan tidak peduli seberapa realistis organoid otak manusia yang ditransplantasikan, selama mereka berada di otak tikus, mereka akan terkena darah tikus, dengan profil nutrisi dan hormonnya yang unik, daripada darah manusia. Dengan demikian, ahli saraf mungkin mempelajari sistem yang tidak sesuai dengan kenyataan di dalam tengkorak manusia.

Tetapi bagi Paşca, sistem baru ini menawarkan kesempatan untuk lebih dekat dengan kebenaran dasar tentang bagaimana proses neurobiologis yang berubah menyebabkan gangguan neurologis dan psikiatri. Transplantasi organoid ke tikus yang baru lahir akhirnya menawarkan cara untuk menggunakan kekuatan penuh alat ilmu saraf modern dalam penelitian tentang pengembangan neuron dan sirkuit manusia.

“Masalah sulit, seperti memahami gangguan kejiwaan yang merupakan kondisi unik manusia, akan membutuhkan pendekatan yang berani,” kata Paşca.