Miniaturowe mózgi wyhodowane w laboratorium z ludzkich komórek macierzystych wykształciły zalążkową strukturę oka zwaną kielichem ocznym. Struktury te w maleńkich mózgach reagują na światło, wysyłając sygnały do reszty tkanki mózgowej.
Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) powstają z materiału pobranego od dorosłych ludzi, który po poddaniu go inżynierii wstecznej wraca do stanu, w którym komórki mają potencjał do różnicowania się w wiele różnych typów tkanek. Komórki iPSC mogą być też wykorzystywane do tworzenia organoidów – maleńkich wersji różnych narządów, które zachowują kluczowe cechy anatomiczne pełnowymiarowych organów. Takie trójwymiarowe modele są nieocenioną pomocą w badaniach, w których użycie żywych mózgów jest niemożliwe lub nieetyczne. Uczeni uzyskują żywy narząd do testowania różnych koncepcji. Chodzi tu chociażby o testowanie reakcji na leki lub obserwowanie rozwoju w niesprzyjających warunkach. Badania na organoidach dają naukowcom szansę dogłębnego poznania narządów i zrozumienia przyczyn wielu chorób.
Niemieccy naukowcy stworzyli organoidy mózgu, u których zaobserwowali wzrost dwóch obustronnie symetrycznych kielichów ocznych, odzwierciedlając rozwój struktur oka w ludzkich embrionach. Kielichy oczne to struktury pojawiające się około piątego tygodnia rozwoju embrionu. W miarę wzrostu struktury te przekształcają się w gałkę oczną.
To niesamowite osiągnięcie może pomóc lepiej zrozumieć proces różnicowania i rozwoju oczu, a także przyczyny powstawania chorób narządu wzroku. Wyniki badań uczonych ze Szpitala Uniwersyteckiego w Düsseldorfie w Niemczech ukazały się w piśmie „Cell Stem Cell” (DOI: 10.1016/j.stem.2021.07.010).
- Nasza praca podkreśla niezwykłą zdolność organoidów mózgu do generowania prymitywnych struktur czuciowych, które są wrażliwe na światło i zawierają typy komórek podobnych do tych znajdujących się w ciele – mówi starszy autor badania Jay Gopalakrishnan ze Szpitala Uniwersyteckiego w Düsseldorfie. - Te organoidy mogą pomóc w badaniu interakcji mózg-oko podczas rozwoju zarodka, modelować wrodzone zaburzenia siatkówki i generować specyficzne dla pacjenta typy komórek siatkówki do spersonalizowanych testów leków i terapii transplantacyjnych - dodaje.
Wiele aspektów rozwoju i chorób ludzkiego mózgu można badać za pomocą trójwymiarowych organoidów. Naukowcy wcześniej wykorzystali ludzkie embrionalne komórki macierzyste do stworzenia kielichów ocznych, z których powstaje siatkówka — światłoczuła warstwa tkanki w tylnej części oka. Inne badanie wykazało, że struktury przypominające kielichy oczne można wytwarzać też z komórek iPSC, pochodzących z komórek dorosłego człowieka, które zostały genetycznie przeprogramowane z powrotem do stanu pluripotencjalnego. Z tego stanu komórki mogą różnicować się w dowolny typ komórek.
Uczeni w swoich badaniach chcieli sprawdzić, czy można wyhodować struktury oka jako integralną część organoidów mózgu. Dodałoby to korzyści wynikające z obserwacji, w jaki sposób te dwa rodzaje tkanek mogą rosnąć razem. „Rozwój oka to złożony proces, a jego zrozumienie może pomóc w lepszym rozumieniu molekularnych podstaw wczesnych chorób siatkówki” – napisali naukowcy w publikacji.
W przeszłości produkcja kielichów ocznych z pluripotencjalnych komórek macierzystych koncentrowała się na generowaniu czystej siatkówki. Do tej pory kielichy oczne i inne trójwymiarowe struktury siatkówki nie były funkcjonalnie zintegrowane z organoidami mózgu.
W swoich badaniach Gopalakrishnan i jego zespół zmodyfikowali wcześniej opracowany protokół przekształcania iPSC w tkankę nerwową. Organoidy ludzkiego mózgu utworzyły kielichy oczne, które pojawiły się już po 30 dniach i dojrzewały do stanu wyraźnie widocznych struktur w ciągu 50 dni. Ten przedział czasowy jest podobny do rozwoju siatkówki w ludzkim embrionie. Osiągnięcie to może sprawić, że niektóre rodzaje eksperymentów neurobiologii rozwojowej będą bardziej wydajne.
Naukowcy pobrali materiał od czterech dawców i wygenerowali z niego 314 organoidów mózgu, z których 72 proc. utworzyło zalążkowe struktury oka, co pokazuje, że metoda jest odtwarzalna. Struktury te zawierały różne typy komórek siatkówki, które tworzyły elektrycznie aktywne sieci neuronowe reagujące na światło. Zawierały też tkankę soczewki i rogówki.
W przyszłych badaniach naukowcy planują opracować strategie, dzięki którym kielichy oczne będą żywotne przez długi czas. Uczeni chcą je wykorzystać do zbadania mechanizmów powodujących zaburzenia siatkówki.
Źródło: Cell Press, fot. Elke Gabriel et al., Cell Stem Cell, 2021
