Naukowcy z University of Michigan, Weizmann Institute of Science i University of Pennsylvania opracowali innowacyjną metodę hodowli komórek macierzystych, która pozwala uzyskać pełny model wczesnych stadiów układu nerwowego człowieka. Mowa oczywiście o organoidach, czyli mininarządach, które odzwierciedlają kluczowe właściwości strukturalne i funkcjonalne ludzkich narządów, ale są jedynie mniej lub bardziej dokładnymi kopiami. Kluczowe jest, by były one jak najlepszej jakości, bo tylko wtedy są w stanie imitować procesy zachodzące w naszych organizmach.
Czytaj też: Po raz pierwszy stworzono minimózgi z tkanki płodu. Historia dzieje się na naszych oczach
Prof. Jianping Fu z University of Michigan mówi:
Takie modele otworzą drzwi do badań podstawowych, które pozwolą zrozumieć wczesny rozwój centralnego układu nerwowego człowieka i jego nieprawidłowe działanie w przypadku różnych zaburzeń.
Najdokładniejszy model mózgu i rdzenia kręgowego z laboratorium w historii
Organoidy wytworzone przy użyciu komórek macierzystych pochodzących od pacjentów można wykorzystać do określenia, które leki są najskuteczniejsze. Organoidy mózgu i rdzenia kręgowego są już wykorzystywane do badania chorób neurologicznych i neuropsychiatrycznych, często jednak naśladują tylko jedną część centralnego układu nerwowego i są zdezorganizowane. Teraz stworzono strukturę odtwarzającą rozwój wszystkich trzech części embrionalnego mózgu i rdzenia kręgowego jednocześnie, co nie udawało się do tej pory. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature.
Czytaj też: Stworzyli pierwsze w historii sztuczne jądra! Mamy rozwiązanie problemu bezpłodności?
Chociaż model jest wierny wielu aspektom wczesnego rozwoju mózgu i rdzenia kręgowego, nie jest idealny. Przede wszystkim tworzenie cewy nerwowej – pierwszy etap rozwoju ośrodkowego układu nerwowego – przebiega tu zupełnie inaczej. Modelu nie można używać do symulacji zaburzeń wynikających z nieprawidłowego zamknięcia cewy nerwowej, np. rozszczepu kręgosłupa.
Organoid powstał przy użyciu ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych, które uformowano u podłużą strukturę o długości ok 4 mm i szerokości 0,2 mm. Przyklejono ją do chipa z maleńkimi kanalikami, przez które były wprowadzane substancje stymulujące wzrost komórek i ukierunkowujące je na budowę centralnego układu nerwowego. Przypominało to mniej więcej cewę nerwową występującą w 4-tygodniowym zarodku.
Następnie do układu dodano specjalny żel, który pozwolił komórkom wzrost w trzech wymiarach i substancje, które nakierowały je na rozwój w prekursory komórek nerwowych. W rezultacie, system zorganizował się tak, aby naśladować przodomózgowie, śródmózgowie, tyłomózgowie i rdzeń kręgowy w sposób wyjątkowo wiernie odzwierciedlający rozwój embrionalny.
Komórki hodowano przez 40 dni, symulując rozwój ośrodkowego układu nerwowego do około 11 tygodni po zapłodnieniu. W tym czasie udało się zademonstrować rolę określonych genów w rozwoju rdzenia kręgowego i dowiedzieć się, w jaki sposób określone typy komórek wczesnego ludzkiego układu nerwowego różnicują się w komórki o wyspecjalizowanych funkcjach.
Prof. Hongjun Song z University of Pennsylvania wyjaśnia:
W wielu przypadkach modele zwierzęce po prostu nie odzwierciedlają cech ani stopnia ciężkości chorób mózgu człowieka, takich jak małogłowie. Nawet naczelne inne niż ludzie nie są takie same. Zatem w kontekście biologii chorób i strategii leczenia model komórek ludzkich jest prawie niezastąpiony.
Naukowcy mają nadzieję nadal wykorzystywać ten model do badania wzajemnych zależności między różnymi częściami mózgu podczas rozwoju. Interesuje ich również badanie, w jaki sposób mózg wysyła instrukcje dotyczące ruchu za pośrednictwem rdzenia kręgowego. Ten kierunek badań mógłby rzucić nowe światło na zaburzenia takie jak paraliż, ale wymagałby połączenia neuronów w działający obwodowy układ nerwowy, czego nie przeprowadzono w tym eksperymencie.