Egy stanfordi kutatócsoport sikeresen ültetett be emberi neuronokat újszülött patkányok agyába. Ez óriási eredmény a területen, és az így kapott új állatmodellekkel hitelesebben lehet vizsgálni a különböző neurológiai betegségeket, illetve az agysérülések gyógyítására is új módok kínálkozhatnak.
A szakértők a napokban közzétett tanulmányukban számoltak be az agyi organoidok sikeres integrációjáról. A beültetett sejtcsomókból több milliónyi új sejt fejlődött, amelyek olyannyira beépültek az agy rendszerébe, hogy képesek voltak érzékszervi jeleket fogadni a patkányok bajszából, illetve a mozgás irányításához szükséges agyi parancsjeleket generálni.
Sergiu Pasca, a kutatást vezető neurológus elmondása szerint kollégáival az a fő céljuk, hogy az új patkánymodell révén jobban megismerjék az autizmust, a skizofréniát és más idegrendszeri problémák biológiai hátterét.
Miniagyak Petri-csészében
Pasca 2009 óta dolgozik a Stanfordon, ahová azért érkezett, hogy az emberi neuronok laborban való növesztését tanulmányozza. Ehhez kollégáival önkéntesektől vett bőrsejteket programoztak át indukált pluripotens őssejtekké, majd rávették őket, hogy neuronokká fejlődjenek. A kísérlet olyan jól sikerült, hogy azt is meg tudták figyelni, hogy az így növesztett neuronokon feszültségimpulzusok futnak végig a Petri-csészében.
Ezt követően a kísérletet Timothy-szindrómás emberekből származó bőrsejtekkel is megismételték. Utóbbi az autizmus egy ritka, egyetlen mutáció okozta formája, amely súlyos szívproblémákhoz, valamint nyelvi és szociális képességek károsodásához vezet.
A Petri-csészében tenyésztett Timothy-szindrómás neuronok és a tipikus neuronok között számos eltérést figyeltek meg a szakértők, többek közt azt, hogy a beteg neuronok extra mennyiségben termeltek neurotranszmittereket, például dopamint.
Egy-egy sejt vizsgálata ugyanakkor csak korlátozott információt kínálhat az ilyen állapotokról. Pasca is gyanította, hogy többet tudhat meg, ha több ezer hasonló neuront vizsgál, amelyek rendszerben működnek. Így a legújabb fejlesztésekkel imitálva a fejlődő agy körülményeit, organoidokat, apró szerveket növesztett a sejtekből: az átprogramozott bőrsejtekből nyert pedig olyan sejtcsomók nőttek, amelyek a kéregbeli idegsejtekhez hasonlítottak.
Ezt követően a szakértők több különböző sejttípusból álló organoidokat kötöttek össze a laborban: az egyik kéregsejtekből állt, a másik gerincvelői sejtekből, a harmadik pedig izomsejtekből. És a kéreg sejtjeinek stimulálásával sikerült összehúzódásra bírni az izomsejteket.
Beültetés és beépülés
Az organoidok ugyanakkor messze vannak a tényleges agyaktól. Az idegsejtjeik csökevényesek maradnak, és elektromosan nem olyan aktívak, mint az élő agyban lévő neuronok. Ezért a szakértők elkezdték az organoidokat élő agyakba helyezni, mivel úgy gondolták, hogy a Petri-csésze korlátozza azok fejlődését. 2018-ban a Salk Intézet idegkutatója, Fred Gage és kollégái ültettek emberi agyi organoidokat felnőtt egerek agyába. Az emberi idegsejtek tovább érlelődtek, miközben az egéragy vérerekkel látta el őket.
Ezt követően Gage és más kutatók organoidokat ültettek be az agy azon részébe, ahol az egerek a szemükből érkező jeleket érzékelik. Amikor az állatokat pulzáló fehér fénynek tették ki, az emberi organoidok neuronjai ugyanúgy reagáltak, mint az egér saját agyi sejtjei, írják a szakértők egy júniusban online közzétett, még nem lektorált tanulmányban.
Pasca és csapata szintén hasonlón dolgozott, de ők nem felnőtt, hanem fiatal rágcsálókba ültették be a laborban növesztett szervecskéket. Egy-két nappal a patkányok születése után egy mákszemnyi méretű organoidot injektáltak az agy szomatoszenzoros kéregnek nevezett részébe, amely az érintést, a fájdalmat és más, a test egész területéről érkező jeleket dolgoz fel. A patkányoknál ez a régió különösen érzékeny a bajuszszálakból érkező jelekre.
Az emberi neuronok addig osztódtak a patkányagyban, amíg körülbelül hárommillió darab lett belőlük, így a patkányagy egyik felén lévő kéregállomány körülbelül harmadát tették ki. A beültetett organoidban minden sejt hatszor hosszabbra nőtt, mint korábban a Petri-csészében. És a sejtek nagyjából olyan aktívak voltak, mint az emberi agyban lévő neuronok.
Még meglepőbb volt, hogy az organoidok spontán módon rácsatlakoztak a patkányok idegsejti hálózatára.
Ennek során nemcsak a közeli, hanem egészen a távoli neuronokhoz is csatlakoztak. Ezek a kapcsolatok az emberi neuronokat érzékennyé tették a patkány érzékszerveire. Amikor a kutatók levegőt fújtak a patkány bajszára, az emberi organoid reagált az ingerre.
Jobb modellek
Pasca és kollégái azzal kapcsolatban is kísérleteket végeztek, hogyan hat az organoid a patkányok viselkedésére. Ehhez egy ivókutat helyeztek el a patkányok kamrájában, és az állatok 15 nap alatt megtanulták, hogy csak akkor kapnak inni, ha emberi organoidjuk stimulálódik. Az emberi organoidok a jelek szerint eddigre sikeresen kommunikáltak a patkányok agyának jutalomközpontjával.
Ezek a kevert fajú kísérletek persze komoly etikai kérdéseket vetnek fel. A munka megkezdése Pasca konzultált a Stanford jogi és etikai szakértőivel is, akik arra biztatták, hogy különösen figyeljen az állatok fájdalmára és közérzetére. A csapat nem látott bizonyítékot arra, hogy a patkányok fájdalmat éreztek volna, rohamoktól szenvednének, vagy hogy emlékezet-, illetve mozgásproblémáik lettek volna. Úgy tűnt, hogy nagyon jól tolerálják az emberi transzplantátumot, mondja Pasca.
Az emberi organoidok ugyanakkor nem tették emberibbé a patkányokat, a tanulási teszteken például nem értek el jobb eredményt az állatok más patkányoknál. Ami etikai szempontból is megnyugtató lehet. Ugyanakkor mindez nem biztos, hogy akkor is így lenne, ha a kutatók az ember közeli rokonaiba, például csimpánzokba ültetnének emberi organoidokat.
Pasca szerint a főemlősök és az ember közötti hasonlóság lehetővé teheti, hogy az organoidok még jobban növekedjenek, és nagyobb szerepet kapjanak az állatok kognitív folyamataiban. Éppen ezért sem ő, sem társai nem készülnek magasabb rendű élőlényekbe ültetni a szervecskéket.
A patkányokba ültetett organoidok ugyanakkor jól használhatók lehetnek különféle neurológiai rendellenességek tanulmányozására.
Egy kísérletben Pasca csapata egy Timothy-szindrómás beteg bőrsejtjeiből készült organoidot ültetett be egy patkány agyának egyik oldalára, a másik oldalra pedig egy másik, mutáció nélküli organoidot implantáltak.
Mindkét organoid növekedésnek indult az állatban. A Timothy-szindrómás neuronok ugyanakkor kétszer annyi dendritet, a bejövő jelek fogadására szolgáló elágazást növesztettek, ráadásul ezek rövidebbek voltak, az egészséges oldaliaknál. Pasca reméli, hogy ezek az eltérések a patkányok viselkedésében is tetten érhetők lehetnek, és segíthetnek feltárni, hogy a különböző mutációk (köztük más betegségekhez köthető mutációk is) hogyan változtatják meg az agy működését.
***
Isaac Chen, a Pennsylvaniai Egyetem idegsebésze és organoidkutatója, aki nem vett részt a kutatásban, egy másik lehetőséget is lát az új kutatási irányban: az szerinte egy napon alkalmas lehet az emberi agyi sérülések gyógyítására is.
Chen elképzelése szerint az agysérült betegek bőrsejtjeiből lehetne agyi organoidokat növeszteni, majd ezeket befecskendezni a betegek agyába. Ott aztán az organoid megnőve összekapcsolódhatna az egészséges neuronokkal.
Hogy ez a koncepció mennyire lehet működőképes, azt persze egyelőre még senki sem tudja, de kétségkívül izgalmas lehetőségeket vet fel.
