Vår förståelse av den mänskliga hjärnans inre funktioner har länge hållits tillbaka av den praktiska och etiska svårigheten att observera mänskliga neuroner utvecklas, kopplas samman och interagerar. Idag, i en ny studie som publicerades i Natur, neuroforskare vid Stanford University under ledning av Sergiu Paşca rapporterar att de har hittat ett nytt sätt att studera mänskliga neuroner - genom att transplantera mänsklig hjärnliknande vävnad till råttor som bara är dagar gamla, när deras hjärnor ännu inte har formats helt. Forskarna visar att mänskliga nervceller och andra hjärnceller kan växa och integrera sig i råttans hjärna, och blir en del av det funktionella neurala kretslopp som bearbetar förnimmelser och kontrollerar aspekter av beteenden.
Med denna teknik bör forskare kunna skapa nya levande modeller för ett brett spektrum av neuroutvecklingsstörningar, inklusive åtminstone vissa former av autismspektrumstörning. Modellerna skulle vara lika praktiska för neurovetenskapliga labbstudier som nuvarande djurmodeller är men skulle vara bättre stand-ins för mänskliga sjukdomar eftersom de skulle bestå av riktiga mänskliga celler i funktionella neurala kretsar. De kan vara idealiska mål för moderna neurovetenskapliga verktyg som är för invasiva för att användas i riktiga mänskliga hjärnor.
"Det här tillvägagångssättet är ett steg framåt för fältet och erbjuder ett nytt sätt att förstå störningar av neuronal funktion,"sade Madeline Lancaster, en neuroforskare vid MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannien, som inte var involverad i arbetet.
Verket markerar också ett spännande nytt kapitel i användningen av neurala organoider. För nästan 15 år sedan upptäckte biologer att mänskliga stamceller kunde självorganisera sig och växa till små sfärer som höll olika typer av celler och liknade hjärnvävnad. Dessa organoider öppnade ett nytt fönster till hjärncellers aktiviteter, men synen har sina gränser. Medan neuroner i en maträtt kan ansluta till varandra och kommunicera elektriskt, kan de inte bilda verkligt funktionella kretsar eller uppnå den fulla tillväxten och beräkningsförmågan hos friska neuroner i deras naturliga livsmiljö, hjärnan.
Banbrytande arbete av olika forskargrupper bevisade för år sedan att mänskliga hjärnans organoider kunde infogas i hjärnan på vuxna råttor och överleva. Men den nya studien visar för första gången att den spirande hjärnan hos en nyfödd råtta kommer att acceptera mänskliga nervceller och tillåta dem att mogna, samtidigt som de integreras i lokala kretsar som kan driva råttans beteende.
Paşca påpekade att det fanns "tusen skäl att tro att det inte skulle fungera", med tanke på de drastiska skillnaderna i hur och när nervsystemen hos de två arterna utvecklas. Och ändå fungerade det, med de mänskliga cellerna som hittade de ledtrådar de behövde för att skapa viktiga förbindelser.
"Detta är en välbehövlig och elegant studie som styr fältet i rätt riktning för att leta efter metoder för att främja den fysiologiska relevansen av mänskliga hjärnorganoider för att modellera senare stadier av mänsklig hjärnans utveckling," sa Giorgia Quadrato, en neuroforskare vid University of Southern California.
Att förstå de cellulära och molekylära processerna som går snett i neuroner och leder till hjärnsjukdomar har alltid varit Paşcas motivation. [Redaktörens anmärkning: Se medföljande intervju med Paşca om hans liv, karriär och motiv för hans arbete.] Eftersom många psykiatriska och neurologiska störningar slår rot i hjärnan under utveckling – även om symtom kanske inte dyker upp förrän år senare – har det verkat som det bästa sättet att fylla tomrummen i vår förståelse att se hur nervceller utvecklas. Det är därför det har varit Paşcas mål att transplantera mänskliga hjärnans organoider till nyfödda råttor ända sedan han började arbeta med neuroner i en maträtt för 13 år sedan.
I det nya arbetet — som också leddes av Paşcas Stanford-kollegor Felicity Gore, Kevin Kelley och Omer Revah (nu vid hebreiska universitetet i Jerusalem) – teamet infogade organoider från den kortikala mänskliga hjärnan i den somatosensoriska cortexen hos mycket unga råttungar, innan valparnas hjärnkretsar var helt etablerade. Detta gav de mänskliga nervcellerna en chans att ta emot långdistansförbindelser från en nyckelregion som bearbetar inkommande sensorisk information. Sedan väntade forskarna för att se om organoiden skulle växa i samverkan med resten av råttans utvecklande hjärna.
"Vi upptäckte att om vi sätter in organoiden i det tidiga skedet ... växer den upp till nio gånger större än den var från början under en period på fyra eller fem månader," sa Paşca. Det översattes till ett område med mänsklig hjärnvävnad som täckte ungefär en tredjedel av en av råttans hjärnhalvor.
Men även om de mänskliga nervcellerna stannade tillsammans i det kortikala området där de placerades kirurgiskt, visade forskarna att de blev aktiva delar av de neurala kretsarna gängade djupt i råttans hjärna. De flesta av de transplanterade mänskliga nervcellerna började reagera på beröringsförnimmelser från råttans morrhår: När luftpustar riktades mot morrhåren blev de mänskliga nervcellerna mer elektriskt aktiva.
Ännu mer överraskande kan flödet av neurala signaler också gå åt andra hållet och påverka beteendet. När de mänskliga nervcellerna stimulerades med blått ljus (genom en teknik som kallas optogenetik) utlöste det ett betingat beteende hos råttorna som fick dem att söka en belöning genom att slicka oftare på en vattenflaska.
"Det betyder att vi faktiskt har integrerat mänskliga celler i kretsen," sa Paşca. "Det förändrar inte kretsarna. … Det är bara det att mänskliga celler nu är en del av det.”
De transplanterade cellerna efterliknade inte perfekt mänsklig hjärnvävnad i sin nya miljö. Till exempel organiserade de sig inte i samma flerskiktiga struktur som ses i den mänskliga cortexen. (De följde inte heller ledningen av omgivande råttneuroner och bildade de fatliknande kolumnerna som är karakteristiska för råttans somatosensoriska cortex.) Men de individuella transplanterade neuronerna behöll många av de normala mänskliga elektriska och strukturella egenskaperna.
Cellerna utnyttjade en stor fördel med att vara inne i en hjärna: De kopplade sig framgångsrikt till råtthjärnans kärlsystem, vilket lät blodkärl tränga igenom vävnaden för att leverera syre och hormoner. Bristen på blodtillförsel tros vara en viktig orsak till att mänskliga nervceller som växer i en maträtt rutinmässigt misslyckas med att mogna helt, tillsammans med en brist på neurala signalingångar som förmodligen behövs för att forma utvecklingen, förklarade Paşca. När hans team jämförde de transplanterade mänskliga neuronerna med de som lever i en skål, fann de att de transplanterade neuronerna var sex gånger större, med en storlek och en elektrisk aktivitetsprofil som var närmare den hos neuroner från naturlig mänsklig hjärnvävnad.
"Det är något med miljön in vivo - så näringsämnena och elektriska signaler som de tar emot i hjärnan - som för mänskliga celler till en annan mognadsnivå," sa Paşca.
Eftersom de mänskliga neuronerna mognade så mycket i råtthjärnorna kunde Paşca och hans kollegor se ovanliga skillnader i utvecklingen av hjärnorganoider som härrör från människor med en genetisk störning som kallas Timothy syndrom, som ofta orsakar autism och epilepsi. I råtthjärnorna växte de transplanterade mänskliga neuronerna som bär gener för Timothy syndrom onormala dendritiska grenar som skapade ovanliga kopplingar. Avgörande är att vissa av dessa atypiska utvecklingar endast kunde ses i mänskliga nervceller som växer i råttbarken, och inte i organiska nervceller i en maträtt.
Paşca betonar att fram till nu har dessa typer av subtila förändringar i mogna neuroner som påverkar hjärnans funktion och leder till neurologiska och psykiatriska störningar till stor del varit dolda för oss.
"Resultaten är mycket spännande," sa Bennett Novitch, en neuroforskare och stamcellsbiolog vid University of California, Los Angeles. In vitro-studier av neurala vävnader kommer fortfarande att vara snabbare och mer praktiska för många typer av neurologiska studier och drogtester, noterade han, men den nya artikeln "illustrerar hur avslöjande av de mogna egenskaperna hos mänskliga neuroner ... fortfarande bäst uppnås i in vivo-miljön .”
Paşca hoppas att kunna studera mogna mänskliga neuroner hos råttor äntligen kommer att föra behandlingar för psykiatriska störningar och neurologiska tillstånd närmare. Andra i fältet är också hoppfulla. "Om denna organoidtransplantationsstrategi verkligen kan efterlikna sjukdomssignaturer, kan detta verkligen påskynda vår väg mot botemedel," sa Joel Blanchard, en neuroscientist vid Icahn School of Medicine vid berget Sinai.
Det nya arbetets karaktär kan väcka frågor om råttornas välfärd och etiska bemötande. Av den anledningen har Paşca och hans kollegor fört aktiva diskussioner med etiker från början. Som i alla försök som involverade djur fanns det ett lagkrav på att råttorna skulle övervakas noggrant av laboratorietekniker med befogenhet att när som helst stoppa försöket. Men inga skillnader hittades hos råttorna med transplanterade mänskliga hjärnorganoider i en rad beteende- och kognitiva tester.
Insoo Hyun, en bioetiker knuten till Harvard Medical Schools Center for Bioethics, sa att han inte har några etiska bekymmer om de aktuella experimenten. Paşcas team följde alla riktlinjer som utvecklats av International Society for Stem Cell Research för forskning med mänskliga hjärnorganoider och överföring av mänskliga celler till djur. "För mig är frågan verkligen att förstå: Vart går du därifrån?" han sa.
Hyun är mer oroad över andra forskarlag som nu kan bli intresserade av att transplantera mänskliga hjärnorganoider till arter som är mer lika våra egna, till exempel icke-mänskliga primater. "Du skulle behöva ha en mycket intensiv konversation på tillsynsnivå om varför du är motiverad att gå till något mer komplext," sa Hyun.
Paşca säger att han och hans kollegor inte har något intresse av sådana gränsdragande experiment. Han tror också att svårigheten att odla och upprätthålla organoider för transplantation kommer att stävja den mest potentiellt hänsynslösa forskningen. "Det finns få platser med den infrastruktur och expertis som behövs för att göra detta," sa han.
De mer omedelbara och praktiska vetenskapliga utmaningarna ligger i att förbättra den mänskliga hjärnans organoider som transplanteras till råttor. Det är utan tvekan en lång väg kvar att gå. Den mänskliga hjärnliknande vävnaden saknar för närvarande många viktiga hjärnceller bortom neuroner, som mikroglia och astrocyter, såväl som neuroner som är involverade i att hämma aktiviteten hos andra neuroner. Paşcas team arbetar för närvarande med experiment som kommer att transplantera "assembloids" - uppsättningar av organoider som representerar olika hjärnregioner vars celler migrerar och interagerar med varandra.
Det kan finnas gränser för hur mycket fynden från mänskliga neuroner i en råtthjärna kan gälla en naturlig mänsklig hjärna. Råttorna som används i dessa transplantationsstudier föds med ett felaktigt immunsystem, på grund av en genetisk mutation. Det gör dem väl lämpade för transplantationer, eftersom deras immunsystem är mindre benägna att stöta bort de implanterade mänskliga cellerna. Men det betyder också att studier av neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers som är kända för att ha immunkomponenter kan vara svårare. Och oavsett hur realistiska de transplanterade mänskliga hjärnorganoiderna blir, så länge de är i en råtthjärna, kommer de att exponeras för råttblod, med sin unika profil av näringsämnen och hormoner, snarare än mänskligt blod. Neurovetenskapsmän kan alltså studera system som ligger något sämre än verkligheten i den mänskliga skallen.
Men för Paşca erbjuder detta nya system möjligheten att komma närmare sanningen än någonsin om hur förändrade neurobiologiska processer orsakar neurologiska och psykiatriska störningar. Transplantation av organoider till nyfödda råttor erbjuder äntligen ett sätt att använda den fulla styrkan hos moderna neurovetenskapliga verktyg i forskning om utvecklingen av mänskliga neuroner och kretsar.
"Svåra problem, som att förstå psykiatriska störningar som är unika mänskliga tillstånd, kommer att kräva djärva tillvägagångssätt," sa Paşca.
