Uppdraget på hemsidan för Stanford University laboratory of Sergiu Paşca är på en gång enkel och spektakulärt ambitiös. Hans grupp "strävar efter att förstå reglerna som styr de molekylära och cellulära stegen som ligger till grund för sammansättningen av det mänskliga nervsystemet och de molekylära mekanismerna som leder till neurologiska och psykiatriska sjukdomar."
Paşcas valda väg till detta mål använder en avancerad form av stamcellsteknologi. Först omprogrammerar han genetiskt hudceller från autister och patienter med sjukdomar som schizofreni till att bli mångsidiga stamceller; sedan inducerar han cellerna att sätta sig i ett mer definierat tillstånd som neural vävnad i en laboratorieskål. Genom att observera hur dessa celler fungerar eller inte fungerar, får Paşca, professor i psykiatri och beteendevetenskap vid Stanford och chef vid Wu Tsai Neurosciences Institute, insikter i vad som gör hjärnan hos människor med neurologiska tillstånd annorlunda.
I sin strävan att göra dessa modellsystem mer verklighetstrogna har han gjort till synes fantastiska vetenskapliga innovationer. I sitt Palo Alto-laboratorium har Paşca skapat sfäriska vävnader i miniatyr, eller organoider, som liknar olika delar av den mänskliga hjärnan. Han och hans kollegor har kopplat samman organoider av hjärna, ryggmärg och muskelvävnad till "assembloider" som kan rycka på kommando.
Och i nytt jobb Paşcas team har precis meddelat idag att mänskliga organoider som introduceras i en ung råttas hjärna som utvecklas spontant kan spridas ut och integrera sig i djurets neurala kretsar – ett resultat som visar vägen mot forskningsmodeller av den mänskliga hjärnan som blir allt fler verklighetstrogen men ändå praktisk och etisk att arbeta med.
När Vilcek Foundation i New York tilldelade Paşca sitt pris 2018 för kreativt löfte i biomedicinsk vetenskap, gjorde de det för att hans "ansträngning ledde till ett förråd av patienthärledda hjärnkulturer som är bland de mest realistiska modellerna av hjärnans utveckling som finns tillgängliga för forskare idag .”
Enligt hans postdoktorala rådgivare, Ricardo Dolmetsch, vd för forskning och utveckling vid genterapiföretaget uniQure: "Sergius arbete lyfter möjligheten att vi en dag kommer att kunna transplantera saknade hjärnceller till personer med sjukdom eller utveckla laboratoriemodeller av neurologiska eller psykiatriska sjukdomar som vi kan använda för att utveckla läkemedel."
Vi pratade med Paşca i somras via Zoom och telefon. Intervjuerna har förtätats och redigerats för tydlighetens skull.
Har du alltid velat göra vetenskaplig forskning?
Från tidig ålder. Ja.
Jag växte upp i Rumänien, i en liten stad i Transsylvanien. Som barn byggde jag ett laboratorium i källaren i min familjs hus. Jag skulle försöka förbättra växternas tillväxt genom att tillsätta olika kemikalier i jorden och sedan mäta deras effekt. En gång lade jag till en kopparbaserad molekyl. Det fick en av mina plantor att öka med 20%. Det fastnade för mig på forskning.
Och idag odlar man nervceller i ett laboratorium. Hur kom det sig?
[Skrattar.] Det är en lång historia. Jag gick i skolan åren efter störtandet av Ceauşescu-diktaturen. På den tiden led Rumänien av diktaturens långsiktiga effekter – isolering, underutveckling. I slutet av gymnasiet vann jag ett pris i en nationell tävling i kemi. Priset kom med antagning till valfritt rumänskt universitet. Jag valde Iuliu Haţieganu University of Medicine i Cluj-Napoca. Tanken var att bli läkare-forskare. Jag trodde då, och känner fortfarande, att världen behöver fler av dem.
Tyvärr upptäckte jag en gång på läkarutbildningen att det fanns få resurser: inga anslag, inga reagenser för labbarbete. Men jag hade en mycket hängiven professor, och hon använde 200 euro av sina egna pengar – en förmögenhet på den tiden – för att beställa ett litet reagenskit från Tyskland. Vi planerade sedan under ett år hur vi skulle använda den på bästa sätt.
Och det var så att studera hjärnsjukdomar först kom upp för mig. Jag hade övervägt att använda det reagenspaketet för att testa metaboliter i blodet hos patienter med hjärt-kärlsjukdom. Men för att lära mig något, skulle jag behöva testa hundratals, kanske tusentals patienter. Vi hade bara tillräckligt med reagens för 50 reaktioner!
En dag, när jag var på en statistiklektion, slog det mig: Det enda sättet att göra en studie med en liten kohort patienter skulle vara att titta på en sjukdom som var sällsynt. Jag tänkte: autism.
Autism? Det är inte så sällsynt - en av 50 har någon form av det.
Det visste vi inte för 20 år sedan.
Min idé var att se om vi kunde hitta signaturer på tillståndet i blodet hos barn med autism. För att göra studien behövde jag övertyga föräldrar att donera små mängder av deras barns blod. Att prata med dem var hjärtskärande. Det öppnade mina ögon för det enorma lidande som familjerna gick igenom. Föräldrarna undrade: "Vad orsakade detta?"
Allt jag kunde säga var: "Ingenting är känt."
För att kunna ge bättre svar anmälde jag mig till en kurs i Bukarest som erbjuds av International Brain Research Organization, IBRO. De var amerikanska och brittiska neuroforskare som försökte föra avancerad hjärnvetenskap till isolerade länder. Tydligheten i deras presentationer och skönheten i de neurovetenskapliga upptäckterna de beskrev gjorde mig oerhört upphetsad.
På lektionerna lärde jag känna Jack McMahan, en av grundarna av neurobiologiprogrammet på Stanford. Vi höll kontakten och senare hjälpte han mig att komma till Kalifornien.
Vad blev det av din metabolitstudie?
Vi upptäckte att vissa patienter med autism hade abnormiteter i sin enkolsmetabolism. Denna väg, som är beroende av folat och B-vitaminer, var något störd, och detta var sannolikt relaterat till en kombination av genetiska och näringsmässiga faktorer.
När jag avslutade läkarutbildningen hade jag publicerat flera artiklar om autism. Jack McMahan läste dem och sa: ”Varför kommer du inte till Stanford? Jag har en kollega som är intresserad av att flytta hans labb i den här riktningen.” Det var Ricardo Dolmetsch, som några år senare blev global chef för neurovetenskap vid Novartis Institutes for Biomedical Research.
Det tog ett tag att få finansiering, men så småningom fick jag ett IBRO-stipendium och kom till Palo Alto.
Vad var ditt uppdrag i Dolmetsch-laboratoriet?
Att skapa ett nytt tillvägagångssätt för att lära sig om den mänskliga hjärnan.
Ett par år tidigare hade Shinya Yamanaka från University of California, San Francisco och Kyoto University kommit på hur man kan ta hudceller från möss och programmera om dem för att återgå till inducerade pluripotenta stamceller - iPS-celler. Stamceller kan lockas in i alla typer av olika celler, inklusive neuroner, nervsystemets byggstenar. Yamanaka skulle få Nobelpriset för detta.
I Ricardos labb planerade jag att hitta sätt att omvandla mänskliga iPS-celler till neuroner. Tanken var att skaffa hudceller från barn med autism, göra dem tillbaka till stamceller och sedan vägleda dem till att bli neuroner i en petriskål. Om vi lyckades hoppades vi överskrida de barriärer som har hindrat oss från att helt förstå hur det mänskliga nervsystemet utvecklas. Detta skulle vara ett sätt att med större klarhet förstå den biologiska grunden för neuropsykiatriska tillstånd som autism, epilepsi och schizofreni.
Vilka är dessa hinder?
Huvudproblemet är den mänskliga hjärnans outhärdliga otillgänglighet.
När något går fel i mjälten eller levern tar läkare en biopsi och analyserar vävnaden. Denna praxis revolutionerade medicinen. Forskare har kunnat ta patienters celler, lägga dem i en skål, identifiera de felaktiga mekanismerna och använda olika föreningar för att återställa dem. Det är så de har upptäckt nya droger.
Men förutom i sällsynta situationer borrar vi inte genom skallen på en levande person för att direkt studera mänsklig hjärnvävnad. Utöver de medicinska riskerna finns det djupa kulturella tabun. Vi tenderar att associera hjärnan med "oss", med vem vi är. Genom att beröra hjärnan direkt, ses dessa metoder på sätt och vis störa "jaget".
När jag tänker tillbaka på mina kliniska rotationer i läkarutbildningen kände jag mig nästan avundsjuk på mina kollegor på onkologiska avdelningen. Den molekylärbiologiska revolutionen, i kombination med tillgängligheten till de cancervävnader de var intresserade av, gjorde att de hade nya behandlingar på gång. Det hände fantastiska saker med leukemi, till exempel.
Med autism hade vi ingenting. Vi kunde inte identifiera mekanismerna som orsakade problemen eftersom vi inte direkt kunde studera hjärnvävnad. Och även om vi kunde, skulle vi inte ha vetat vad vi skulle leta efter.
Kunde du inte studera mänsklig hjärnvävnad som erhållits från obduktioner?
Obduktionshjärnan berättar lite om den elektriska aktiviteten hos levande neuroner. Du måste mäta den aktiviteten eftersom det är vad neuroner i hjärnan gör: De avfyrar elektriska signaler.
När det gäller djurmodeller har de begränsningar när det gäller studier av psykiatriska störningar. Den mänskliga hjärnan är mer komplicerad än hos möss eller till och med makaker. Miljontals år av evolution skiljer oss från dessa djur. Vi har sett otaliga exempel på läkemedel som var mycket framgångsrika på gnagare och sedan misslyckades i kliniska prövningar på människor.
Jag tänkte att vi skulle kunna flytta saker framåt genom att göra lite levande mänsklig hjärnvävnad själva.
Din idé måste ha varit kontroversiell.
Åh, ja. Det fanns folk som trodde att det inte skulle fungera. De trodde att när man omvandlade hudcellerna skulle man förlora sjukdomens patofysiologi, och då skulle vi inte kunna upptäcka något nytt.
Men inom åtta månader hade vi fungerande mänskliga neuroner från stamceller som hade börjat som huden på patienter med en genetisk form av autism. När du tittade på dem under mikroskopet kunde du se dem utlösa kalciumsignaler. Vi var på väg någonstans.
Hur går man tillväga för att göra neuroner?
Cellulär omprogrammering fick oss stamceller från hudcellerna. Vi lockade sedan stamcellerna att differentiera till andra typer av celler.
Stamceller älskar att differentiera sig. De måste förvandlas till andra celltyper. Och de har faktiskt en hög sannolikhet att bli neuroner nästan som standard. Du behöver inte göra så mycket för att göra neuroner, även om det hjälper att vägleda dem. Vad du gör är att du spetsar mediet som stamcellerna hålls i med molekyler som främjar transformation. Ibland tar man bort några molekyler också.
Vi hade snart miljontals vackra neuroner. Den dåliga nyheten var att våra nervceller fastnade i botten av en petriskål i ett enda cellskikt, där de gav upp efter veckor i odling. Om vi skulle avslöja vad som händer med den mänskliga hjärnan när den utvecklas under månader efter månader, behövde vi längre varaktiga neuroner.
Jag hade en idé. Jag köpte en uppsättning laboratoriediskar av plast belagda med ett nonstick-ämne, och vi odlade cellerna i dem. Otroligt nog fungerade gambiten! Cellerna kunde inte fästa vid skålen. Istället flöt de runt i mediet och bibehöll dem och samlades till små bollar lika stora som ärtor.
Först kallade vi dessa flytande cellklumpar för sfäroider. Senare blev de kända som organoider - något som liknade ett specifikt organ men inte var ett.
Hur skilde sig cellerna i dessa bollar från dina ensamma neuroner?
De växte i tredimensionellt rum. De flyttade runt och interagerade med varandra. Viktigt är att de kunde behållas i en skål under längre perioder.
Under rätt omständigheter kunde vi behålla organoiderna i 900 dagar. Och det gjorde att vi kunde observera nya saker. Till exempel, vid ungefär nio eller 10 månader, blev cellerna mer som postnatala neuroner än prenatala. De verkade ha en känsla av tidens gång, och vad det borde betyda för deras utveckling.
Hur användbara var organoiderna för din forskning?
Låt mig berätta om ett experiment vi genomförde med dem.
Det finns en genetisk sjukdom som kallas 22q11.2-deletionssyndrom som innebär förlust av en del av den 22:a kromosomen. Patienter har en 30-faldig ökning av risken för schizofreni. De kan också utveckla autism eller andra neuropsykiatriska störningar. Vi rekryterade 15 patienter och 15 friska kontroller och började tillverka neuroner som liknade hjärnbarken från huden de donerade. Vi såg att neuronerna från patienterna hade onormala elektriska egenskaper. De kunde inte kommunicera med varandra ordentligt.
Nu behandlas schizofreni ofta med antipsykotiska läkemedel. Vi lade några av dessa läkemedel i en skål med kortikala organoider gjorda av våra patienters celler, och vi såg att de antipsykotiska läkemedlen vände problemet med neuronernas elektriska egenskaper.
Detta innebar att vi nu hade ett sätt att testa dessa droger i en skål.
Du pratade om organoider. Men vad är assembloider?
Assembloids är ett nytt modellsystem vi kom med för sex till sju år sedan. De är tredimensionella cellodlingssystem byggda av minst två olika typer av organoider, eller genom att kombinera organoider med några andra specialiserade celltyper. Genom att sätta ihop dem kan vi se nya cellegenskaper som härrör från deras nära interaktioner.
Du kan sätta två organoider som liknar olika hjärnregioner tillsammans och se hur neuronerna projicerar mot varandra och sedan ansluter för att bilda kretsar. Eller så kan du kombinera organoider med immunceller och titta på neuroimmuna interaktioner vid sjukdom.
Till exempel finns det en sällsynt typ av autism förknippad med en genetisk störning som kallas Timothy syndrom. Det orsakas av en enbokstavsmutation i en gen som kodar för en kalciumkanal. Det tillåter för mycket kalcium att komma in i cellerna när de tar emot elektriska signaler. Det interfererar med överföringen av kemiska signaler inom neuroner och andra exciterbara celler.
Vi tog hudceller från patienter med Timothy syndrom, gjorde assembloider och observerade sedan vad som hände inom dem. Vi kunde se att nervcellerna som växte från patienternas celler rörde sig oftare, men de rörde sig på kortare avstånd än neuroner från den friska kontrollgruppen. Patienternas celler hamnade i slutändan efter i sin organisation.
Det måste ha varit spännande att bevittna detta i realtid.
Du kunde se det! Du kan bokstavligen se det med dina egna ögon!
Vi hade det här färgämnet som färgade kalciumet. I samma ögonblick som kalcium kom in i cellerna kunde man se färgerna gå upp och ner, vilket mätte hur mycket kalcium som kom in i cellen. Det fanns mer av det i patienternas celler.
Vi har ägnat sex år åt att räkna ut exakt hur den kalciumkanalen orsakar defekter i rörelsen av dessa specifika typer av neuroner. Den muterade kanalen hos patienter påverkar två olika molekylära vägar i neuroner. Viktigt, vi fann att du behöver två olika droger för att återställa aktiviteten. Vi tror att vi nu har grunden för vad som i framtiden kan få oss till en behandling.
Vi skulle aldrig ha kunnat lära oss detta utan assembloiderna eftersom du behöver cellerna för att interagera i tre dimensioner för att fånga det.
I din nya tidning tillkännager du att ditt labb skapade en råtta där mänskliga neuroner täcker en tredjedel av djurets cortex i ena halvklotet och djupt integreras i hjärnan. Varför skapa den här modellen?
I mer än ett decennium har vi gjort kulturerna i en maträtt som rekapitulerar många aspekter av en människas nervsystem. Men det finns begränsningar för dessa kulturer: neuronerna vi har gjort växer inte lika stora i storlek. Det finns inga beteendeeffekter som det skulle vara i en verklig mänsklig hjärna. Och de får inte sensoriska input som skulle forma deras utveckling - cortex behöver ta emot signaler. Vi har försökt ge någon meningsfull extern input till dessa mänskliga neuroner.
Så nästa steg var att odla mänskliga neuroner inuti hjärnan på en råtta. Vi tog organoiderna och transplanterade dem in i hjärnbarken på en råttvalp. Organoiden blev vaskulariserad av råttan och växte så småningom till att täcka en tredjedel av dess hjärnkortikala hemisfär.
Jag trodde att du inte var ett stort fan av djurmodeller för forskning om mänsklig hjärna. Vad hände?
Jag tror att djurmodeller och mänskliga cellulära modeller är komplementära. I det här fallet tillåter transplantation till djur oss att integrera mänskliga neuroner i kretsar för att förstå dessa sjukdomar och testa läkemedel. Det är också ett annat sätt att förstå hur mänskliga nervceller bearbetar information i levande kretsar.
Så dessa mänskliga neuroner från organoiderna har haft en chans att växa i råtthjärnor, och de har kunnat få input och output från djuret. Hur jämför de med neuroner som bara har växt inom organoiderna? Och hur jämför de med neuronerna som växer i våra egna hjärnor?
Transplanterade mänskliga neuroner är ungefär sex gånger större än mänskliga neuroner med jämförbar utveckling som bibehålls i en maträtt. De är också mer mogna elektrofysiologiskt och bildar fler synapser och är mycket närmare neuroner i den postnatala mänskliga hjärnan.
Ser du några slags beteendeskillnader hos dessa råttor som har förvärvat så många mänskliga neuroner?
Nej. Det finns inga skillnader i de kognitiva och motoriska uppgifterna där vi testade råttorna. Vi har också verifierat och de upplever inga anfall. Råttorna kan dock tränas att associera stimulering av mänskliga neuroner med leverans av en belöning. Detta erbjuder oöverträffade möjligheter att studera mänskliga hjärnsjukdomar.
Vid vilken tidpunkt bör dina assembloider och organoider ha någon form av lagliga rättigheter?
Jag tror att för in vitro-kulturer är de bara kluster av celler. Vi betraktar dem inte som hjärnor. Det blir mer nyanserat när det kommer till transplantation till djur.
Vad tycker bioetiker om dina experiment?
Vi har ett nära samarbete med dem. Under hela den här vägen har jag varit aktivt involverad i diskussioner med etiker på Stanford och utanför. Alla experiment vi gör övervakas noga och diskuteras med etiker. Vi gör inte experimenten isolerade. Experiment diskuteras innan de genomförs och säkert medan de pågår. Vi kommer att prata om konsekvenserna, för- och nackdelarna.
Tänker du någonsin på Frankenstein berättelse?
Jag tänker mycket på det. Men jag tror att historien inte är så relevant för dagens vetenskap. I dagens värld kan teknologier utvecklas som är etiska. Mycket har med forskarens motiv att göra. Mitt långsiktiga mål är att hitta en behandling och kanske ett botemedel för dessa neuroutvecklingsstörningar. Det har varit min nordstjärna.
För några år sedan innan hon fick Nobelpriset för CRISPR frågade jag Jennifer Doudna om hon var orolig för det potentiella missbruket av denna genredigeringsteknik. Hon svarade att hon var oroad över "viljan i vissa områden att rusa fram för att byta mänskliga embryon." Inte långt efteråt meddelade en ambitiös forskare i Shenzhen, Kina, att han hade använt CRISPR för att revidera den genetiska koden för två mänskliga spädbarn. Oroar du dig någonsin för att plocka upp tidningen och upptäcka att en vetenskapsman någonstans har använt ditt arbete för att i förtid producera delar av en mänsklig hjärna?
Nej. En av de saker som skiljer organoidarbete från CRISPR är de resurser som behövs för experimenten. Att göra en genredigering med CRISPR kräver bara lite träning och få resurser. Det går att göra det i ditt kök! Det vi gör kräver mycket mer tid och pengar. Att hålla celler vid liv i 900 dagar är ganska dyrt och kräver specialiserad utbildning och utrustning. Bara detta faktum ger oss lite andrum att bearbeta våra upptäckter och deras implikationer.
Det finns få platser med den infrastruktur och expertis som behövs för att göra detta. Vi försöker replikera den mänskliga hjärnans utveckling, vilket tar väldigt lång tid. Att avslöja dess dolda teknik tar ännu längre tid. Jag har jobbat med det här varje dag de senaste 15 åren.
Hur nära är du vissa lösningar?
Jag är hoppfull, men jag vill inte vara orealistisk. Vi har det definitivt bättre än för 15 år sedan. Vi har nu långa listor över gener associerade med autism och vi har det här nya verktyget för att studera dem. Men vi måste fortfarande förstå hur dessa muterade gener får saker att gå fel i hjärnan så att vi kan bygga effektiva läkemedel.
Din historia börjar i Rumänien för 20 år sedan när du inte visste vad du skulle säga till föräldrar till barn med autism. Om du gick tillbaka till det landet nu, vad skulle du säga?
Allt jag ärligt kan säga är att jag är hoppfull. Vi är fortfarande långt ifrån att ha ett botemedel. Å andra sidan har det skett enorma genombrott inom andra till synes olösliga sjukdomar de senaste åren. Det ger mig ett enormt hopp.
