Nasze rozumienie wewnętrznego funkcjonowania ludzkiego mózgu od dawna jest wstrzymywane przez praktyczną i etyczną trudność obserwowania rozwoju, łączenia i interakcji ludzkich neuronów. Dziś w nowe badanie opublikowane w Natura, neurologowie z Uniwersytetu Stanforda pod kierownictwem Sergiu Pasca donoszą, że znaleźli nowy sposób na badanie ludzkich neuronów – przeszczepiając ludzką tkankę przypominającą mózg szczurom, które mają zaledwie kilka dni, kiedy ich mózgi nie są jeszcze w pełni uformowane. Naukowcy pokazują, że ludzkie neurony i inne komórki mózgowe mogą rosnąć i integrować się z mózgiem szczura, stając się częścią funkcjonalnego układu nerwowego, który przetwarza wrażenia i kontroluje aspekty zachowań.
Korzystając z tej techniki, naukowcy powinni być w stanie stworzyć nowe żywe modele dla szerokiej gamy zaburzeń neurorozwojowych, w tym przynajmniej niektórych form zaburzeń ze spektrum autyzmu. Modele byłyby tak samo praktyczne dla neuronaukowych badań laboratoryjnych, jak obecne modele zwierzęce, ale byłyby lepszymi zastępcami dla ludzkich zaburzeń, ponieważ składałyby się z prawdziwych ludzkich komórek w funkcjonalnych obwodach nerwowych. Mogą być idealnymi celami dla nowoczesnych narzędzi neuronauki, które są zbyt inwazyjne, aby można je było wykorzystać w prawdziwym ludzkim mózgu.
„To podejście jest krokiem naprzód w tej dziedzinie i oferuje nowy sposób zrozumienia zaburzeń funkcjonowania neuronów”,"powiedział Madeline Lancaster, neurolog z Laboratorium Biologii Molekularnej MRC w Cambridge w Wielkiej Brytanii, który nie był zaangażowany w prace.
Praca otwiera również nowy, ekscytujący rozdział w wykorzystaniu organoidów nerwowych. Prawie 15 lat temu biolodzy odkryli, że ludzkie komórki macierzyste mogą się samoorganizować i rosnąć w małe kulki, które zawierają różne typy komórek i przypominają tkankę mózgową. Te organoidy otworzyły nowe okno na aktywność komórek mózgowych, ale widok ma swoje ograniczenia. Chociaż neurony w naczyniu mogą łączyć się ze sobą i komunikować się elektrycznie, nie mogą tworzyć naprawdę funkcjonalnych obwodów ani osiągnąć pełnego wzrostu i sprawności obliczeniowej zdrowych neuronów w ich naturalnym środowisku, czyli mózgu.
Pionierskie prace przez różne grupy badawcze dowiodły wiele lat temu, że organoidy ludzkiego mózgu mogą zostać wprowadzone do mózgów dorosłych szczurów i przeżyć. Jednak nowe badanie pokazuje po raz pierwszy, że rozwijający się mózg nowonarodzonego szczura zaakceptuje ludzkie neurony i pozwoli im dojrzewać, jednocześnie integrując je z lokalnymi obwodami zdolnymi do kierowania zachowaniem szczura.
Paşca wskazał, że istnieje „tysiąc powodów, by sądzić, że to nie zadziała”, biorąc pod uwagę drastyczne różnice w sposobie i czasie rozwoju układów nerwowych obu gatunków. A jednak to zadziałało, a ludzkie komórki znalazły wskazówki, których potrzebowały do nawiązania niezbędnych połączeń.
„To bardzo potrzebne i eleganckie badanie, które kieruje pole we właściwym kierunku poszukiwania podejść do zwiększenia fizjologicznego znaczenia organoidów ludzkiego mózgu w modelowaniu późniejszych etapów rozwoju ludzkiego mózgu” – powiedział. Giorgia Quadrato, neurolog z Uniwersytetu Południowej Kalifornii.
Zrozumienie procesów komórkowych i molekularnych, które zachodzą w neuronach i prowadzą do zaburzeń mózgu, zawsze było motywacją Paşca. [Od redakcji: Zobacz towarzyszący wywiad z Paşcą o jego życiu, karierze i motywacjach do pracy.] Ponieważ wiele zaburzeń psychiatrycznych i neurologicznych zakorzenia się w mózgu podczas rozwoju — mimo że objawy mogą pojawić się dopiero po latach — obserwowanie rozwoju neuronów wydawało się najlepszym sposobem na wypełnienie luk w naszym rozumieniu. Właśnie dlatego celem Paşca było przeszczepienie organoidów ludzkiego mózgu nowonarodzonym szczurom, odkąd 13 lat temu zaczął pracować z neuronami w naczyniu.
W nowej pracy — którą kierowali także koledzy Paşca ze Stanforda Felicity Gore, Kevin Kelley i Omer Revah (obecnie na Uniwersytecie Hebrajskim w Jerozolimie) — zespół umieścił organoidy korowe ludzkiego mózgu w korze somatosensorycznej bardzo młodych szczurzych szczeniąt, zanim obwody mózgowe szczeniąt zostały w pełni ustanowione. Dało to ludzkim neuronom szansę na otrzymywanie połączeń dalekiego zasięgu z kluczowego regionu, który przetwarza przychodzące informacje sensoryczne. Następnie naukowcy czekali, aby zobaczyć, czy organoid będzie rósł wraz z resztą rozwijającego się mózgu szczura.
„Odkryliśmy, że jeśli umieścimy organoid na tym wczesnym etapie… w ciągu czterech lub pięciu miesięcy rośnie on do dziewięciu razy bardziej niż początkowo” – powiedział Paşca. To przełożyło się na obszar podobnej do człowieka tkanki mózgowej, który pokrywał około jednej trzeciej półkuli mózgu szczura.
Ale mimo że ludzkie neurony pozostawały razem w obszarze korowym, w którym zostały umieszczone chirurgicznie, naukowcy wykazali, że stały się aktywnymi częściami obwodów neuronalnych wbitych głęboko w mózg szczura. Większość przeszczepionych ludzkich neuronów zaczęła reagować na wrażenia dotykowe z wąsów szczura: kiedy obłoki powietrza były skierowane na wąsy, ludzkie neurony stawały się bardziej aktywne elektrycznie.
Co jeszcze bardziej zaskakujące, przepływ sygnałów neuronowych może również przebiegać w innym kierunku i wpływać na zachowanie. Kiedy ludzkie neurony były stymulowane niebieskim światłem (za pomocą techniki zwanej optogenetyką), wyzwalało to u szczurów uwarunkowane zachowanie, które powodowało, że szukały nagrody poprzez częstsze lizanie butelki z wodą.
„Oznacza to, że w rzeczywistości zintegrowaliśmy ludzkie komórki z obwodami” – powiedział Paşca. „To nie zmienia obwodów. … Po prostu ludzkie komórki są teraz jego częścią.”
Przeszczepione komórki nie naśladowały idealnie ludzkiej tkanki mózgowej w nowym otoczeniu. Na przykład nie zorganizowali się w tę samą wielowarstwową strukturę, którą można zobaczyć w korze ludzkiej. (Nie podążały też śladem otaczających neuronów szczura i nie tworzyły beczkowatych kolumn charakterystycznych dla kory somatosensorycznej szczura.) Jednak poszczególne przeszczepione neurony zachowały wiele normalnych ludzkich właściwości elektrycznych i strukturalnych.
Komórki wykorzystały jedną główną zaletę przebywania w mózgu: z powodzeniem łączyły się z układem naczyniowym mózgu szczura, umożliwiając naczyniom krwionośnym przenikanie tkanki w celu dostarczenia tlenu i hormonów. Uważa się, że brak dopływu krwi jest głównym powodem, dla którego ludzkie neurony rosnące w naczyniu rutynowo nie dojrzewają w pełni, wraz z brakiem sygnałów neuronowych, które prawdopodobnie są potrzebne do kształtowania rozwoju, wyjaśnił Paşca. Kiedy jego zespół porównał przeszczepione ludzkie neurony z tymi żyjącymi w naczyniu, odkryli, że przeszczepione neurony były sześć razy większe, a ich rozmiar i profil aktywności elektrycznej były bliższe neuronom z naturalnej ludzkiej tkanki mózgowej.
„Jest coś w środowisku in vivo – a więc w składnikach odżywczych i sygnałach elektrycznych, które odbierają w mózgu – co przenosi ludzkie komórki na inny poziom dojrzewania” – powiedział Paşca.
Ponieważ ludzkie neurony tak bardzo dojrzały w mózgach szczurów, Paşca i jego koledzy mogli dostrzec niezwykłe różnice w rozwoju organoidów mózgowych pochodzących od osób z zaburzeniem genetycznym zwanym zespołem Timothy'ego, który często powoduje autyzm i epilepsję. W mózgach szczurów przeszczepione ludzkie neurony niosące geny zespołu Timothy'ego wykształciły nieprawidłowe gałęzie dendrytyczne, które tworzyły niezwykłe połączenia. Co najważniejsze, niektóre z tych nietypowych zmian można było zaobserwować tylko w ludzkich neuronach rosnących w korze szczura, a nie w neuronach organoidalnych w naczyniu.
Paşca podkreśla, że do tej pory tego rodzaju subtelne zmiany w dojrzewających neuronach, które wpływają na funkcjonowanie mózgu i prowadzą do zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych, były w dużej mierze przed nami ukryte.
„Wyniki są bardzo ekscytujące” – powiedział Bennetta Nowicza, neurolog i biolog komórek macierzystych z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles. Zauważył, że badania tkanek nerwowych in vitro będą nadal szybsze i bardziej praktyczne w przypadku wielu rodzajów badań neurologicznych i testów leków, ale nowy artykuł „ilustruje, w jaki sposób ujawnianie dojrzałych cech ludzkich neuronów… nadal najlepiej osiąga się w warunkach in vivo ”.
Paşca ma nadzieję, że możliwość badania dojrzałych ludzkich neuronów u szczurów w końcu zbliży leczenie zaburzeń psychicznych i stanów neurologicznych. Inni w tej dziedzinie też mają nadzieję. „Jeśli ta strategia przeszczepiania organoidów może naprawdę naśladować sygnatury choroby, może to naprawdę przyspieszyć naszą drogę do wyleczenia” – powiedział Joela Blancharda, neurolog w Icahn School of Medicine na górze Synaj.
Charakter nowej pracy może rodzić pytania o dobrostan i etyczne traktowanie szczurów. Z tego powodu Paşca i jego koledzy od początku prowadzili aktywne dyskusje z etykami. Jak we wszystkich eksperymentach na zwierzętach, istniał wymóg prawny, aby szczury były szeroko monitorowane przez techników laboratoryjnych z upoważnieniem do przerwania eksperymentu w dowolnym momencie. Ale nie znaleziono żadnych różnic u szczurów z przeszczepionymi organoidami ludzkiego mózgu w szeregu testów behawioralnych i poznawczych.
Insoo Hyun, bioetyk związany z Centrum Bioetyki Harvard Medical School, powiedział, że nie ma żadnych obaw etycznych w związku z obecnymi eksperymentami. Zespół Paşca postępował zgodnie ze wszystkimi wytycznymi opracowanymi przez Międzynarodowe Towarzystwo Badań nad Komórkami Macierzystymi dotyczącymi badań nad organoidami ludzkiego mózgu i przenoszenia komórek ludzkich do zwierząt. „Dla mnie problemem jest naprawdę zrozumienie: dokąd się udajesz?” powiedział.
Hyun jest bardziej zaniepokojony innymi zespołami badawczymi, które mogą teraz zainteresować się przeszczepianiem organoidów ludzkiego mózgu do gatunków bardziej podobnych do naszego, takich jak naczelne inne niż człowiek. „Musiałbyś przeprowadzić bardzo intensywną rozmowę na poziomie przeoczenia, dlaczego jesteś usprawiedliwiony pójściem do czegoś bardziej złożonego”, powiedział Hyun.
Paşca mówi, że on i jego koledzy nie są zainteresowani takimi przekraczającymi granice eksperymentami. Uważa również, że trudność w uprawie i utrzymaniu organoidów do przeszczepu ograniczy większość potencjalnie lekkomyślnych badań. „Niewiele jest miejsc z infrastrukturą i wiedzą potrzebną do tego”, powiedział.
Bardziej bezpośrednie i praktyczne wyzwania naukowe polegają na ulepszeniu organoidów ludzkiego mózgu, które są przeszczepiane szczurom. Niewątpliwie przed nami jeszcze długa droga. W ludzkiej tkance podobnej do mózgu brakuje obecnie wielu ważnych komórek mózgowych poza neuronami, takich jak mikroglej i astrocyty, a także neuronów zaangażowanych w hamowanie aktywności innych neuronów. Zespół Paşca pracuje obecnie nad eksperymentami, które polegają na przeszczepianiu „assembloidów” — zestawów organoidów reprezentujących różne regiony mózgu, których komórki migrują i wchodzą ze sobą w interakcje.
Mogą istnieć granice tego, w jakim stopniu odkrycia ludzkich neuronów w mózgu szczura mogą mieć zastosowanie do naturalnego mózgu ludzkiego. Szczury wykorzystane w tych badaniach nad przeszczepami rodzą się z wadliwym układem odpornościowym spowodowanym mutacją genetyczną. To sprawia, że dobrze nadają się do przeszczepów, ponieważ ich układ odpornościowy jest mniej podatny na odrzucenie wszczepionych ludzkich komórek. Ale oznacza to również, że badania nad chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera, o których wiadomo, że mają składniki odpornościowe, mogą być trudniejsze. I bez względu na to, jak realistyczne są przeszczepione organoidy ludzkiego mózgu, dopóki znajdują się w mózgu szczura, będą narażone na działanie krwi szczura, z jej unikalnym profilem składników odżywczych i hormonów, a nie ludzkiej krwi. Neuronaukowcy mogą zatem badać systemy, które nieco odbiegają od rzeczywistości w ludzkiej czaszce.
Jednak dla Paşca ten nowy system oferuje możliwość zbliżenia się bardziej niż kiedykolwiek do podstawowej prawdy o tym, jak zmienione procesy neurobiologiczne powodują zaburzenia neurologiczne i psychiatryczne. Przeszczepianie organoidów nowonarodzonym szczurom w końcu oferuje sposób na wykorzystanie pełnej siły nowoczesnych narzędzi neuronauki w badaniach nad rozwojem ludzkich neuronów i obwodów.
„Trudne problemy, takie jak zrozumienie zaburzeń psychicznych, które są wyłącznie ludzkimi przypadkami, będą wymagały odważnego podejścia” – powiedział Paşca.
