Naše razumevanje notranjega delovanja človeških možganov je dolgo oviralo praktično in etično težko opazovanje razvoja, povezovanja in medsebojnega delovanja človeških nevronov. Danes, v nova študija objavljeno v Narava, nevroznanstveniki z univerze Stanford pod vodstvom Sergiu Paşca poročajo, da so našli nov način za preučevanje človeških nevronov - s presaditvijo človeškim možganom podobnega tkiva v podgane, stare le nekaj dni, ko njihovi možgani še niso popolnoma oblikovani. Raziskovalci kažejo, da lahko človeški nevroni in druge možganske celice rastejo in se integrirajo v možgane podgan ter tako postanejo del funkcionalnega nevronskega vezja, ki obdeluje občutke in nadzoruje vidike vedenja.
Z uporabo te tehnike bi morali biti znanstveniki sposobni ustvariti nove življenjske modele za širok spekter nevrorazvojnih motenj, vključno z vsaj nekaterimi oblikami motenj avtističnega spektra. Modeli bi bili prav tako praktični za nevroznanstvene laboratorijske študije, kot so trenutni živalski modeli, vendar bi bili boljši nadomestki za človeške motnje, ker bi sestavljali prave človeške celice v funkcionalnih nevronskih vezjih. Lahko bi bile idealne tarče za sodobna nevroznanstvena orodja, ki so preveč invazivna za uporabo v resničnih človeških možganih.
»Ta pristop je korak naprej na tem področju in ponuja nov način za razumevanje motenj delovanja nevronov,"je dejal Madeline Lancaster, nevroznanstvenik v Laboratoriju za molekularno biologijo MRC v Cambridgeu v Veliki Britaniji, ki ni bil vključen v delo.
Delo prav tako označuje vznemirljivo novo poglavje v uporabi nevronskih organoidov. Pred skoraj 15 leti so biologi odkrili, da se človeške matične celice lahko samoorganizirajo in zrastejo v majhne kroglice, ki vsebujejo različne vrste celic in so podobne možganskemu tkivu. Ti organoidi so odprli novo okno v dejavnosti možganskih celic, vendar ima pogled svoje meje. Medtem ko se nevroni v krožniku lahko povežejo med seboj in komunicirajo električno, ne morejo oblikovati resnično funkcionalnih vezij ali doseči polne rasti in računalniške zmogljivosti zdravih nevronov v njihovem naravnem okolju, možganih.
Pionirsko delo Različne raziskovalne skupine so pred leti dokazale, da je organoide človeških možganov mogoče vstaviti v možgane odraslih podgan in preživeti. Toda nova študija prvič kaže, da bodo rastoči možgani novorojene podgane sprejeli človeške nevrone in jim omogočili, da dozorijo, hkrati pa jih bodo vključili v lokalne kroge, ki bodo lahko vplivali na vedenje podgan.
Paşca je poudaril, da obstaja "tisoč razlogov za domnevo, da to ne bo delovalo," glede na drastične razlike v tem, kako in kdaj se razvije živčni sistem obeh vrst. In vendar je delovalo, saj so človeške celice našle namige, ki so jih potrebovale za vzpostavitev bistvenih povezav.
"To je zelo potrebna in elegantna študija, ki usmerja področje v pravo smer iskanja pristopov za izboljšanje fiziološkega pomena organoidov človeških možganov za modeliranje kasnejših stopenj razvoja človeških možganov," je dejal. Giorgia Quadrato, nevroznanstvenik na Univerzi Južne Kalifornije.
Razumevanje celičnih in molekularnih procesov, ki gredo po zlu v nevronih in vodijo do možganskih motenj, je bila vedno Paşcina motivacija. [Opomba urednika: Glej spremljajoči intervju s Paşco o njegovem življenju, karieri in motivacijah za njegovo delo.] Ker se številne psihiatrične in nevrološke motnje med razvojem ukoreninijo v možganih – čeprav se simptomi morda ne pojavijo šele čez leta – se je zdelo, da je opazovanje razvoja nevronov najboljši način za zapolnitev praznin v našem razumevanju. Zato je bil Paşcin cilj presaditi organoide človeških možganov v novorojene podgane, odkar je pred 13 leti začel delati z nevroni v posodi.
V novem delu — ki so ga vodili tudi Paşcaovi stanfordski kolegi Felicity Gore, Kevin Kelley in Omer Revah (zdaj na Hebrejski univerzi v Jeruzalemu) - ekipa je vstavila kortikalne organoide človeških možganov v somatosenzorično skorjo zelo mladih podganjih mladičev, preden je bilo možgansko vezje mladičev popolnoma vzpostavljeno. To je človeškim nevronom dalo možnost prejemanja povezav na dolge razdalje iz ključne regije, ki obdeluje dohodne senzorične informacije. Nato so raziskovalci čakali, da bi videli, ali bo organoid rasel skupaj z ostalimi podganjimi možgani v razvoju.
"Odkrili smo, da če organoid vstavimo v tej zgodnji fazi ... zraste do devetkrat večji, kot je bil na začetku v obdobju štirih ali petih mesecev," je dejal Paşca. To pomeni območje možganskega tkiva, podobnega človeku, ki je pokrivalo približno tretjino ene od možganskih hemisfer podgan.
Toda čeprav so človeški nevroni ostali skupaj v kortikalnem območju, kamor so jih kirurško namestili, so raziskovalci dokazali, da so postali aktivni deli nevronskega vezja, vpetega globoko v možgane podgane. Večina presajenih človeških nevronov se je začela odzivati na občutke dotika iz podganjih brkov: ko so bili na brke usmerjeni oblački zraka, so človeški nevroni postali bolj električno aktivni.
Še bolj presenetljivo je, da lahko tok nevronskih signalov teče tudi v drugo smer in vpliva na vedenje. Ko so človeške nevrone stimulirali z modro svetlobo (s tehniko, imenovano optogenetika), je to pri podganah sprožilo pogojeno vedenje, zaradi katerega so iskale nagrado s pogostejšim lizanjem steklenice z vodo.
"To pomeni, da smo človeške celice dejansko integrirali v vezje," je dejal Paşca. »Ne spreminja tokokrogov. ... Samo človeške celice so zdaj del tega.«
Presajene celice v novem okolju niso popolnoma posnemale človeškega možganskega tkiva. Na primer, niso se organizirali v enako večplastno strukturo, kot jo vidimo v človeški skorji. (Prav tako niso sledili zgledu okoliških podganjih nevronov in oblikovali sodčastih stebrov, ki so značilni za podganji somatosenzorični korteks.) Toda posamezni presajeni nevroni so ohranili veliko običajnih človeških električnih in strukturnih lastnosti.
Celice so izkoristile eno pomembno prednost bivanja v možganih: uspešno so se povezale z žilnim sistemom podganjih možganov in omogočile krvnim žilam, da prežemajo tkivo za dovajanje kisika in hormonov. Pomanjkanje oskrbe s krvjo naj bi bil glavni razlog, zakaj človeški nevroni, ki rastejo v posodi, rutinsko ne dozorijo v celoti, skupaj s pomanjkanjem živčnih signalnih vnosov, ki so verjetno potrebni za oblikovanje razvoja, je pojasnil Paşca. Ko je njegova ekipa primerjala presajene človeške nevrone s tistimi, ki živijo v krožniku, so ugotovili, da so bili presajeni nevroni šestkrat večji, z velikostjo in profilom električne aktivnosti, ki je bližje nevronom iz naravnega človeškega možganskega tkiva.
"Nekaj je v okolju in vivo – torej v hranilih in električnih signalih, ki jih prejemajo v možganih – kar popelje človeške celice na drugo stopnjo zorenja," je dejal Paşca.
Ker so človeški nevroni tako močno dozoreli v možganih podgan, so Paşca in njegovi sodelavci opazili nenavadne razlike v razvoju možganskih organoidov, pridobljenih od ljudi z genetsko motnjo, imenovano Timothyjev sindrom, ki pogosto povzroča avtizem in epilepsijo. V podganjih možganih so presajeni človeški nevroni, ki so nosili gene za Timothyjev sindrom, zrasli nenormalne dendritične veje, ki so ustvarile nenavadne povezave. Bistveno je, da je nekatere od teh netipičnih razvojev mogoče opaziti samo v človeških nevronih, ki rastejo v podganji korteksu, in ne v organoidnih nevronih v jedi.
Paşca poudarja, da so bile do zdaj tovrstne subtilne spremembe v dozorevajočih nevronih, ki vplivajo na delovanje možganov in vodijo v nevrološke in psihiatrične motnje, večinoma skrite pred nami.
"Rezultati so zelo razburljivi," je dejal Bennett Novitch, nevroznanstvenik in biolog izvornih celic na Kalifornijski univerzi v Los Angelesu. In vitro študije nevronskih tkiv bodo še vedno hitrejše in bolj praktične za številne vrste nevroloških študij in testov zdravil, je opozoril, vendar novi dokument "ponazarja, kako je razkritje zrelih značilnosti človeških nevronov ... še vedno najbolje doseči v okolju in vivo" .”
Paşca upa, da bo možnost preučevanja zrelih človeških nevronov pri podganah končno približala zdravljenje psihiatričnih motenj in nevroloških stanj. Tudi drugi na terenu upajo. "Če lahko ta strategija presajanja organoidov resnično posnema znake bolezni, bi to lahko resnično pospešilo našo pot do ozdravitev," je dejal Joel Blanchard, nevroznanstvenik na Medicinski fakulteti Icahn na Mount Sinai.
Narava novega dela lahko sproži vprašanja o dobrobiti in etičnem ravnanju s podganami. Zato so Paşca in njegovi kolegi že od samega začetka aktivno razpravljali z etiki. Kot pri vseh poskusih, ki so vključevali živali, je obstajala pravna zahteva, da podgane temeljito nadzorujejo laboratorijski tehniki, ki imajo pooblastilo, da poskus kadar koli ustavijo. Toda pri podganah s presajenimi človeškimi možganskimi organoidi v nizu vedenjskih in kognitivnih testov niso našli razlik.
Insoo Hyun, bioetik, ki je povezan s Centrom za bioetiko medicinske šole Harvard, je dejal, da nima nobenih etičnih pomislekov glede trenutnih poskusov. Paşcina ekipa je sledila vsem smernicam, ki jih je razvilo Mednarodno združenje za raziskave izvornih celic, ki urejajo raziskave organoidov človeških možganov in prenos človeških celic v živali. "Zame je vprašanje resnično razumevanje: kam greš od tam?" rekel je.
Hyun je bolj zaskrbljen zaradi drugih raziskovalnih skupin, ki bi se zdaj morda začele zanimati za presaditev človeških možganskih organoidov v vrste, ki so bolj podobne našim, kot so nečloveški primati. "Morali bi imeti zelo intenziven pogovor na ravni nadzora o tem, zakaj ste upravičeni, da greste k nečem bolj zapletenemu," je dejal Hyun.
Paşca pravi, da njega in njegovih kolegov takšni eksperimenti premikanja meja ne zanimajo. Prav tako meni, da bo težava pri gojenju in vzdrževanju organoidov za presaditev omejila večino potencialno nepremišljenih raziskav. "Malo krajev je z infrastrukturo in strokovnim znanjem, potrebnim za to," je dejal.
Bolj neposredni in praktični znanstveni izzivi so izboljšanje človeških možganskih organoidov, ki jih presadijo v podgane. Nedvomno je do tja še dolga pot. Človeškemu možganskemu tkivu trenutno manjka veliko pomembnih možganskih celic poleg nevronov, kot so mikroglija in astrociti, pa tudi nevronov, ki sodelujejo pri zaviranju aktivnosti drugih nevronov. Paşcaova ekipa trenutno dela na poskusih, ki bodo presadili "assembloide" - nize organoidov, ki predstavljajo različne možganske regije, katerih celice migrirajo in medsebojno delujejo.
Morda obstajajo omejitve glede tega, koliko se ugotovitve človeških nevronov v podganjih možganih lahko nanašajo na naravne človeške možgane. Podgane, uporabljene v teh študijah presaditev, so rojene z okvarjenim imunskim sistemom zaradi genetske mutacije. Zaradi tega so zelo primerni za presaditve, saj je manj verjetno, da bo njihov imunski sistem zavrnil vsajene človeške celice. Toda to tudi pomeni, da so lahko študije nevrodegenerativnih bolezni, kot je Alzheimerjeva bolezen, za katere je znano, da imajo imunske komponente, težje. In ne glede na to, kako realistični so presajeni človeški možganski organoidi, bodo, dokler so v podganjih možganih, izpostavljeni podganji krvi z njenim edinstvenim profilom hranil in hormonov, ne pa človeški krvi. Nevroznanstveniki tako morda preučujejo sisteme, ki nekoliko ne ustrezajo realnosti v človeški lobanji.
Toda za Paşco ta novi sistem ponuja priložnost, da se približa resnici o tem, kako spremenjeni nevrobiološki procesi povzročajo nevrološke in psihiatrične motnje, kot kdaj koli prej. Presaditev organoidov v novorojene podgane končno ponuja način za uporabo polne moči sodobnih nevroznanstvenih orodij pri raziskavah razvoja človeških nevronov in vezij.
"Težke težave, kot je razumevanje psihiatričnih motenj, ki so edinstvena človeška stanja, bodo zahtevale drzne pristope," je dejal Paşca.
