Naukowcy wykazali, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione myszom są w stanie tworzyć funkcjonalne połączenia z tkanką mózgową gryzoni i reagować na zewnętrzne bodźce. Co więcej, organoidy zachowywały się identycznie, jak otaczające je tkanki.
Organoidy ludzkiego mózgu wszczepione do kory mózgowej myszy nawiązały funkcjonalne połączenia z korą zwierząt i reagowały na zewnętrzne bodźce wzrokowe w taki sam sposób, jak otaczające je tkanki. Autorzy badania wykorzystali różne techniki obrazowania, aby potwierdzić powstawanie łączeń.
Zespół kierowany przez Duygu Kuzuma z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego współpracował w badaniach z naukowcami z laboratorium Anny Devor na Uniwersytecie Bostońskim, Laboratorium Alysson R. Muotri w UC San Diego oraz laboratorium Freda H. Gage'a w Salk Institute. Wyniki i opis badań ukazał się w czasopiśmie „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-022-35536-3).
Organoidy to maleńkie wersje różnych narządów, które zachowują kluczowe cechy anatomiczne pełnowymiarowych organów. Takie trójwymiarowe modele są nieocenioną pomocą w badaniach, w których użycie prawdziwych organów 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.
Organoidy ludzkiego mózgu w ostatnich latach stały się obiecującym modelem do badania rozwoju i zaburzeń neurologicznych. Te miniaturowe mózgi, stworzone z komórek macierzystych, w badaniach przeprowadzonych na przestrzeni ostatnich lat wykształciły zalążki oczu (więcej na ten temat w tekście: Hodowane w laboratorium miniaturowe mózgi wykształciły zalążkowe struktury oka) czy wykazały wzorce aktywności podobne do mózgów wcześniaków (Mózgi hodowane w laboratorium wykazały aktywność. Wzorce podobne do mózgów wcześniaków). Ale nie tylko organoidy mózgu naukowcy wzięli na cel. Uczeni stworzyli w ten sposób także miniaturowe łożyska (Naukowcy wyhodowali w laboratorium miniaturowe ludzkie łożyska) czy gruczoły łzowe (Naukowcy wyhodowali w laboratorium gruczoły łzowe i doprowadzili je do płaczu).
Wracając do organoidów ludzkiego mózgu, w dotychczasowych badaniach nie zaobserwowano łączenia się z otaczającymi tkankami, tym bardziej uczestniczenia w zsynchronizowanej odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Wynika to z faktu, że technologie wykorzystywane do rejestrowania funkcji mózgu są ograniczone i generalnie nie są w stanie rejestrować aktywności, która trwa zaledwie kilka milisekund.
Ale naukowcy byli w stanie rozwiązać ten problem dzięki eksperymentalnej technice, która łączy przezroczyste układy mikroelektrod grafenowych i obrazowanie dwufotonowe. - Żadne inne badanie nie było w stanie rejestrować optycznie i elektrycznie w tym samym czasie – powiedziała Madison Wilson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, pierwsza autorka publikacji. - Nasze eksperymenty ujawniają, że bodźce wzrokowe wywołują reakcje elektrofizjologiczne w organoidach, pasujące do odpowiedzi z otaczającej kory mózgowej - dodała.
Naukowcy mają nadzieję, że to połączenie innowacyjnych technologii do badania organoidów posłuży jako wyjątkowa platforma do wszechstronnej oceny organoidów jako modeli rozwoju i chorób mózgu oraz badania ich zastosowania jako protez neuronowych do przywracania funkcji utraconym, zdegenerowanym lub uszkodzonym obszarom mózgu. - Ta eksperymentalna konfiguracja otwiera bezprecedensowe możliwości badania dysfunkcji na poziomie ludzkiej sieci neuronowej leżących u podstaw rozwojowych chorób mózgu – powiedział Kuzum.
Umieszczając układ elektrod na wierzchu przeszczepionych organoidów, naukowcy byli w stanie rejestrować w czasie rzeczywistym elektryczną aktywność neuronów zarówno wszczepionego organoidu, jak i otaczającej kory gospodarza. Za pomocą obrazowania dwufotonowego zaobserwowali, że mysie naczynia krwionośne wrastały w organoid, dostarczając mu niezbędne składniki odżywcze i tlen.
Kiedy badacze zastosowali bodziec wzrokowy (zwykłą, białą diodę LED), podczas gdy myszy były pod mikroskopem dwufotonowym, zaobserwowali jednoczesną aktywność w organoidach i otaczającej mysiej tkance mózgowej. Okazało się, że organoidy zareagowały na bodziec w taki sam sposób, jak otaczająca je tkanka.
Aktywność fal mózgowych w organoidach również została zsynchronizowana z aktywnością otaczającej tkanki, co wskazuje, że organoidy nawiązały połączenia synaptyczne z otaczającą tkanką kory mózgowej trzy tygodnie po implantacji i otrzymały funkcjonalne informacje z mózgu myszy.
Naukowcy kontynuowali eksperymenty przez jedenaście tygodni i wykazali funkcjonalną i morfologiczną integrację wszczepionych organoidów ludzkiego mózgu z korą mózgową gospodarza. Teraz chcą rozpocząć nowe prace, ale już z wykorzystaniem mysich modeli chorób neurologicznych.
Źródło: University of California - San Diego, fot. David Baillot/UC San Diego
