Οι παλαιότεροι μίνι εγκέφαλοι έχουν ζωντανά νεαρά κύτταρα
Όταν κατέστη δυνατή η αφαίρεση ενός όγκου από έναν ασθενή και η μελέτη του σε ένα πιάτο, ο τομέας της ογκολογίας μεταμορφώθηκε. Ο Sergiu Paşca, ένας νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, θέλει η ψυχιατρική να βιώσει το ίδιο είδος επανάστασης. Ωστόσο, ο εγκέφαλος παρουσιάζει ακόμη μεγαλύτερη πρόκληση από τον καρκίνο. Χωρίς την επιλογή απλώς να κόψουν κομμάτια από τον υγιή εγκεφαλικό φλοιό ενός ατόμου με τον τρόπο που οι γιατροί μπορούν να ανατέμνουν έναν όγκο, οι επιστήμονες του εγκεφάλου έπρεπε να γίνουν δημιουργικοί.
Τώρα ο Paşca έχει ενώσει άλλους ερευνητές στην ανάπτυξη μικρών σφαιρών ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού, διαμέτρου περίπου τεσσάρων χιλιοστών, από βλαστοκύτταρα στο εργαστήριο. Με την προτροπή από τις σωστές χημικές ουσίες, αυτές οι καλλιέργειες αναπτύσσονται σε νευρώνες και άλλους τύπους κυττάρων που οργανώνονται σε εβδομάδες και μήνες σε δομές που μοιάζουν με πραγματικές περιοχές του ανθρώπινου εγκεφάλου, τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό. (Τα προσόντα είναι απαραίτητα επειδή από αυτές τις δομές λείπουν κρίσιμα συστατικά, συμπεριλαμβανομένων των αιμοφόρων αγγείων και των κυττάρων του ανοσοποιητικού.) Οι ερευνητές είναι αισιόδοξοι ότι αυτό το κατόρθωμα της μηχανικής ιστών θα επιφέρει μια ριζική αλλαγή στη βασική έρευνα του εγκεφάλου, τη μοντελοποίηση ασθενειών και την εξατομικευμένη ιατρική.
Τα τελευταία πέντε χρόνια, οι επιστήμονες εργάστηκαν για να κάνουν αυτούς τους «μίνι εγκεφάλους», ή εγκεφαλικά οργανοειδή, περισσότερο σαν αληθινούς. Νωρίτερα αυτόν τον μήνα, για παράδειγμα, Quanta αναφέρθηκε σε μια νέα μέθοδο για τη συναρμολόγηση κυκλωμάτων πρόσθιου εγκεφάλου που επιτρέπει στους ενδονευρώνες να μεταναστεύουν από τη μια περιοχή στην άλλη, όπως συμβαίνει στον πραγματικό εγκέφαλο.
Αλλά οι περισσότεροι από τους πολιτισμούς που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα μιμούνται τον εγκέφαλο μόνο στο πρώτο τρίμηνο ανάπτυξής του. Τα αυξανόμενα στοιχεία δείχνουν ότι οι διεργασίες που εμπλέκονται σε νευροαναπτυξιακές διαταραχές όπως ο αυτισμός και η σχιζοφρένεια ξεκινούν αργότερα, στο δεύτερο ή τρίτο τρίμηνο ή ακόμα και μετά τη γέννηση. Οι αλλαγές στη σύνθεση του εγκεφάλου σε αυτό το ευρύ χρονικό διάστημα μπορεί να είναι βαθιές ακόμη και σε υποκυτταρικό επίπεδο, γεγονός που φαίνεται να περιορίζει την ερευνητική αξία των πρώιμων εμβρυϊκών μίνι εγκεφάλων.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Neuron , ωστόσο, ο Paşca και η ομάδα του μπορεί να εμπόδισαν αυτό το εμπόδιο ωθώντας τους μίνι-εγκεφάλους σε μια άνευ προηγουμένου μακροζωία. Έχουν γαλουχήσει τα εγκεφαλικά οργανοειδή τους για σχεδόν δύο χρόνια - καθιστώντας τα μερικές από τις μακροβιότερες καλλιέργειες ανθρώπινων κυττάρων που έχουν καταγραφεί. (Σε μια συνέντευξη, ο Paşca πρόσθεσε ότι ορισμένα από τα οργανοειδή επιμένουν ακόμη και τώρα, σε περισσότερες από 850 ημέρες.) Για να βοηθήσουν στην επίδειξη της αξίας των μίνι εγκεφάλων, οι επιστήμονες εστίασαν στην ωρίμανση ενός τύπου εγκεφαλικού κυττάρου που έχει σε μεγάλο βαθμό αγνοηθεί προηγούμενες μελέτες κυτταροκαλλιέργειας επειδή είναι αργή στην ανάπτυξη και δύσκολο να εξεταστεί.
Τα αστροκύτταρα είναι μεγάλα, μη νευρωνικά κύτταρα σε σχήμα αστεριού που αποτελούν μεγάλο μέρος της λευκής ουσίας του εγκεφάλου και υπερτερούν σε μεγάλο βαθμό των νευρώνων στη φαιά ουσία. Οι επιστήμονες μόλις πρόσφατα άρχισαν να εκτιμούν τις σημαντικές εργασίες που επιτελούν τα αστροκύτταρα:Βοηθούν τους νευρώνες να σχηματίσουν συνάψεις και να τις κλαδέψουν όταν δεν χρειάζονται πλέον. κάνουν συνδέσεις με τα αιμοφόρα αγγεία. αισθάνονται τραύμα στον εγκέφαλο. Αλλά τα αστροκύτταρα παίζουν επίσης ρόλο σε νευροεκφυλιστικές καταστάσεις όπως η αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS ή νόσος του Lou Gehrig) και είναι ύποπτα ότι συμβάλλουν σε νευροαναπτυξιακές διαταραχές.
Πριν από μερικά χρόνια, ο Paşca συνεργάστηκε με τον συνάδελφό του στο Στάνφορντ, Ben Barres, για να δει τι μπορεί να αποκαλύψουν τα οργανοειδή σχετικά με την ανάπτυξη των αστροκυττάρων. Το εργαστήριο του Barres μελετούσε αστροκύτταρα και άλλα κύτταρα λευκής ουσίας για πολλά χρόνια, και ο Barres είχε πρόσφατα αρχίσει να εντοπίζει τρόπους με τους οποίους τα αστροκύτταρα στο έμβρυο διαφέρουν πολύ στο σχήμα και την έκφραση γονιδίων από εκείνα στον μεταγεννητικό εγκέφαλο (αυτός και οι συνεργάτες του περιέγραψε αυτές τις διαφορές στον Νευρώνα τον Ιανουάριο του 2016). Χρησιμοποιώντας τεχνικές που είχε αναπτύξει η Paşca για να επεκτείνει την οργανοειδή ανάπτυξη, οι Paşca και Barres μπορούσαν να δουν εάν οι παλαιότεροι μικροεγκέφαλοι θα παράγουν πιο ώριμα αστροκύτταρα που ταιριάζουν με το πρότυπο ανάπτυξης των κυττάρων στον πραγματικό εγκέφαλο.
Τα αποτελέσματα έδειξαν αξιοσημείωτες ομοιότητες. Κατά τη διάρκεια των πρώτων πέντε μηνών της ανάπτυξης των οργανοειδών, τα αστροκύτταρα ήταν πολύ ενεργά, πολλαπλασιάζονταν γρήγορα και καταβροχθίζονταν τις συναπτικές συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων - ακριβώς όπως κάνουν ενώ το έμβρυο μεγαλώνει στη μήτρα. Αλλά μετά από εννέα μήνες, τα οργανοειδή αστροκύτταρα έφτασαν σε μια πιο ώριμη κατάσταση, που μοιάζει με αυτό που είχε παρατηρήσει ο Barres στα μεταγεννητικά εγκεφαλικά κύτταρα. Άρχισαν να εκφράζουν ένα διαφορετικό σύνολο γονιδίων και το μεγαλύτερο μέρος της δραστηριότητάς τους άλλαξε σε πιο υποστηρικτικές λειτουργίες, όπως η ενίσχυση της σηματοδότησης ασβεστίου σε κοντινούς νευρώνες για να διευκολυνθεί η ωρίμανση τους.
«Οι νευρώνες είναι εύκολοι. Έχουμε πρωτόκολλα που μπορούν να δημιουργήσουν τόνους νευρώνων από ανθρώπινα βλαστοκύτταρα. Τα αστροκύτταρα είναι πιο περίπλοκα», δήλωσε η Alysson Muotri, καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Ποτέ δεν γνωρίζαμε πριν από αυτή τη μελέτη ότι αν περιμένετε αρκετά, είναι δυνατό να αποκτήσετε ώριμα αστροκύτταρα."
Τα ευρήματα της ομάδας ανοίγουν νέες ευκαιρίες για τη μελέτη της ανάπτυξης του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αυτά τα οργανοειδή όχι μόνο μπορούν να χρησιμεύσουν ως μοντέλο για την εκμάθηση περισσότερων για το πώς ωριμάζουν τα αστροκύτταρα, αλλά θα μπορούσαν επίσης να είναι ένα καλό σύστημα για τη μελέτη ασθενειών που περιλαμβάνουν νευρώνες και αστροκύτταρα, σύμφωνα με τον Guo-li Ming, νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο του Perelman School of Medicine της Πενσυλβάνια που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Για το σκοπό αυτό, ο Paşca και οι συνεργάτες του εργάζονται για την εύρεση ενός ταχύτερου τρόπου για να ωριμάσουν τα οργανοειδή κύτταρα, καθώς η διατήρηση μη μολυσμένων κυτταρικών καλλιεργειών για δύο χρόνια είναι μη βιώσιμη μακροπρόθεσμα. Δεν είναι επίσης πρακτικό για τη μοντελοποίηση ασθενειών, ειδικά εάν η ελπίδα είναι ο χειρισμός της γονιδιακής έκφρασης για να αντικατοπτρίζει τις συγκεκριμένες ασθένειες μεμονωμένων ασθενών, με στόχο τελικά να αναπτυχθούν οργανοειδή απευθείας από τα δειγματοληπτικά κύτταρά τους - ακριβώς όπως κάνουν οι ογκολόγοι με τους όγκους. Όμως, παρά την ανάγκη για βελτιώσεις, ο Paşca είναι ενθουσιασμένος με το τι μπορεί να σημαίνει η μη επεμβατική, εξατομικευμένη φύση της οργανοειδούς προσέγγισης για τη νευροϊατρική. "Τώρα μπορούμε πραγματικά να αρχίσουμε να κάνουμε ερωτήσεις σχετικά με το τι θα μπορούσε να πάει στραβά αργότερα στην εμβρυϊκή ανάπτυξη και να οδηγήσει σε ψυχιατρική διαταραχή", είπε.
