Naukowcom z Northwestern University udało się wyhodować pierwsze dojrzałe neurony z ludzkich komórek macierzystych. Otwiera to nowe możliwości dla badań medycznych i potencjalnych terapii transplantacyjnych w chorobach neurodegeneracyjnych i urazach.
Chociaż już wcześniej badaczom udawało się tworzyć neurony z komórek macierzystych, to jednak funkcjonalnie były one niedojrzałe i przypominały neurony z embrionalnych lub wczesnych etapów postnatalnych. Zmniejszało to ich potencjał w badaniach nad neurodegeneracją. Teraz to się zmieni. Aby stworzyć dojrzałe neurony, zespół wykorzystał tzw. „tańczące molekuły” („tańczące cząsteczki”) - to przełomowa technika wprowadzona w zeszłym roku przez profesora z Northwestern University Samuela I. Stuppa.
Opis i wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Cell Stem Cell” (DOI: 10.1016/j.stem.2022.12.010).
Zespół najpierw przekształcił komórki macierzyste w neurony ruchowe i korowe, a następnie umieścił je na powłokach z syntetycznych nanowłókien, zawierających szybko poruszające się („tańczące”) molekuły. Wyhodowane w ten sposób neurony były nie tylko bardziej dojrzałe, ale wykazywały również zwiększone zdolności sygnalizacyjne i większą zdolność do rozgałęziania się. Jest to niezbędne, aby komórki mogły nawiązać ze sobą kontakt synaptyczny. Co więcej neurony nie „zlepiały się”, w przeciwieństwie do hodowanych obecnie komórek.
Naukowcy uważają, że po dopracowaniu ich techniki, te dojrzałe neurony mogłyby być przeszczepiane pacjentom. Taka terapia mogłaby być stosowana m.in. przy urazach rdzenia kręgowego i przy chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS), choroba Parkinsona, choroba Alzheimera czy stwardnienie rozsiane.
Dojrzałe neurony stwarzają również nowe możliwości do badania chorób neurodegeneracyjnych i innych chorób związanych z wiekiem. Naukowcy mają nadzieję, że ulepszone eksperymenty pomogą w lepszym zrozumieniu późniejszych stadiów tych chorób.
- Po raz pierwszy udało nam się wywołać zaawansowane dojrzewanie funkcjonalne ludzkich neuronów pochodzących z komórek macierzystych, poprzez umieszczenie ich na syntetycznej matrycy – wyjaśnia współautor badania Evangelos Kiskinis z Northwestern. - Jest to ważne, ponieważ istnieje wiele zastosowań, które wymagają od badaczy korzystania z oczyszczonych populacji neuronów. Większość laboratoriów wykorzystuje neurony myszy lub szczurów hodowane z neuronami pochodzącymi z ludzkich komórek macierzystych. Ale to nie pozwala naukowcom zbadać, co dzieje się tylko w ludzkich neuronach – dodaje.
- Do tej pory komórki macierzyste udawało się przekształcić jedynie w młode neurony – mówi współautor badań, prof. Stupp. - Jednak, aby były one przydatne w sensie terapeutycznym, potrzebujemy dojrzałych neuronów. W przeciwnym razie to tak, jakby poprosić dziecko o wykonanie zadania, które wymaga dorosłego człowieka. Potwierdziliśmy, że neurony pokryte naszymi nanowłóknami osiągają większą dojrzałość niż w przypadku innych metod, a dojrzałe neurony mają większą zdolność do tworzenia połączeń synaptycznych, które są fundamentalne dla funkcji neuronów – tłumaczy naukowiec.
Aby rozwinąć dojrzałe neurony, naukowcy wykorzystali nanowłókna złożone z „tańczących cząsteczek”. To materiał, który laboratorium Stuppa opracował jako potencjalną metodę leczenia ostrych urazów rdzenia kręgowego. W poprzednich badaniach opublikowanych w czasopiśmie „Science”, Stupp odkrył, jak „dostroić” ruch molekuł, tak aby mogły one znaleźć i odpowiednio „zaangażować się” w rozwój stale poruszających się receptorów komórkowych. Naśladując ruch biologicznych cząsteczek, materiały syntetyczne mogą „komunikować się” w ten sposób z komórkami.
Kluczową innowacją w badaniach Stuppa było odkrycie, jak kontrolować zbiorowy ruch ponad 100 000 cząsteczek w obrębie nanowłókien. Ponieważ receptory komórkowe w ludzkim ciele mogą poruszać się w szybkim tempie - czasami w skali czasowej milisekund - stają się one trudnymi do „trafienia” ruchomymi celami.
W nowym badaniu, Stupp i Kiskinis odkryli, że nanowłókna dostrojone do cząsteczek o największym ruchu doprowadziły do rozwoju dojrzałych neuronów. Innymi słowy, neurony hodowane na bardziej dynamicznych powłokach - zasadniczo rusztowaniach złożonych z wielu nanowłókien - były dojrzalsze, najmniej skłonne do „zlepiania się” i posiadały bardziej intensywne zdolności sygnalizacyjne.
Stupp uważa, że jego metoda działa, ponieważ „receptory poruszają się bardzo szybko na błonie komórkowej, a cząsteczki sygnalizacyjne naszych rusztowań również poruszają się bardzo szybko”. - Jest zatem bardziej prawdopodobne, że będą zsynchronizowane. Jeśli dwaj tancerze nie są zsynchronizowani, to taniec nie wychodzi. Receptory są aktywowane przez sygnały pochodzące takich specyficznych „spotkań” – wyjaśnia naukowiec.
Stupp i Kiskinis wierzą, że ich dojrzałe neurony dadzą lepszy wgląd w choroby związane ze starzeniem się. Być może w końcu opracowane zostaną terapie pozwalające na przeszczep takich komórek osobom z urazami lub chorobami neurodegradacyjnymi.
Źródło i fot.: Northwestern University. Na zdjęciu obrazy fluorescencyjne ludzkich neuronów (zabarwionych na czerwono, zielono i niebiesko) rosnących na powłokach z szybko poruszającymi się cząsteczkami (po lewej) lub konwencjonalną lamininą (po prawej) przez 60 dni.
