Prvi metod kulture matičnih ćelija koji proizvodi potpuni model ranih faza ljudskog centralnog nervnog sistema razvio je tim inženjera i biologa na Univerzitetu u Mičigenu, Vajcman institutu za nauku i Univerzitetu u Pensilvaniji.
„Ovakvi modeli će otvoriti vrata za fundamentalna istraživanja kako bi se razumeo rani razvoj ljudskog centralnog nervnog sistema i kako bi on mogao da krene naopako u različitim poremećajima“, rekao je Jianping Fu, profesor mašinstva na U-M i odgovarajući autor studije u časopisu Priroda.
Sistem je primer 3D humanog organoida — kultura matičnih ćelija koje odražavaju ključne strukturne i funkcionalne osobine sistema ljudskih organa, ali su delimične ili na drugi način nesavršene kopije.
„Pokušavamo da razumemo ne samo osnovnu biologiju razvoja ljudskog mozga, već i bolesti – zašto imamo bolesti povezane sa mozgom, njihovu patologiju i kako možemo da smislimo efikasne strategije za njihovo lečenje“, rekao je Guo-Li Ming, koji zajedno sa Hongjun Songom, oba Perelman profesora neuronauke na UPenn-u i koautori studije, razvili su protokole za uzgoj i vođenje ćelija i okarakterisali strukturne i ćelijske karakteristike modela.
Na primer, organoidi razvijeni korišćenjem matičnih ćelija dobijenih od pacijenata mogu se koristiti za identifikaciju lekova koji nude najuspešniji tretman.
Organoidi ljudskog mozga i kičmene moždine već se koriste za proučavanje neuroloških i neuropsihijatrijskih bolesti, ali često oponašaju jedan deo centralnog nervnog sistema i neorganizovani su. Novi model, nasuprot tome, rekapitulira razvoj sva tri dela embrionalnog mozga i kičmene moždine istovremeno, što je podvig koji nije postignut u prethodnim modelima.
„Sam sistem je zaista revolucionaran“, rekla je Orli Rajner, profesorska katedra za neurohemiju Berstein-Mason u Veizmannu i koautor studije koji je razvio ćelijske alate za identifikaciju tipova neuronskih ćelija u modelu. „Model koji oponaša ovu strukturu i organizaciju ranije nije rađen, a nudi brojne mogućnosti za proučavanje razvoja ljudskog mozga i posebno razvojnih bolesti mozga.
Iako je model veran mnogim aspektima ranog razvoja mozga i kičmene moždine, tim primećuje nekoliko važnih razlika. Kao prvo, formiranje neuronske cevi – prva faza razvoja centralnog nervnog sistema – je veoma različita. Model se ne može koristiti za simulaciju poremećaja koji proizilaze iz nepravilnog zatvaranja neuralne cevi, kao što je spina bifida.
Umesto toga, model je počeo sa nizom matičnih ćelija otprilike veličine neuralne cevi pronađene u embrionu starom 4 nedelje – oko 4 milimetra dužine i 0,2 milimetra širine. Tim je zalepio ćelije na čip sa uzorkom sitnih kanala koje je tim koristio za uvođenje materijala koji su omogućili matičnim ćelijama da rastu i vodio ih ka izgradnji centralnog nervnog sistema.
Tim je zatim dodao gel koji je omogućio ćelijama da rastu u tri dimenzije i hemijske signale koji su ih podstakli da postanu prekursori neuronskih ćelija. Kao odgovor, ćelije su formirale cevastu strukturu. Zatim je tim uveo hemijske signale koji su pomogli ćelijama da identifikuju gde se nalaze unutar strukture i napreduju do specijalizovanijih tipova ćelija.
Kao rezultat, sistem se organizuje da oponaša prednji mozak, srednji mozak, zadnji mozak i kičmenu moždinu na način koji odražava razvoj embriona.
„Kao inženjeru, izazovan deo je naučiti neuronski razvoj i biologiju matičnih ćelija“, rekao je Ksufeng Ksue, prvi autor studije i postdoktorski saradnik mašinstva na U-M. „Bio je timski napor da se ovo ostvari, sa neverovatnim saradnicima u UPenn-u i Veizmann-u.
Tim je uzgajao ćelije 40 dana, simulirajući razvoj centralnog nervnog sistema do oko 11 nedelja nakon oplodnje. U ovom trenutku, tim je bio u mogućnosti da demonstrira uloge specifičnih gena u razvoju kičmene moždine i nauči kako se određeni tipovi ćelija u ranom ljudskom nervnom sistemu razlikuju u različite ćelije sa specijalizovanim funkcijama.
„U mnogim slučajevima, životinjski modeli jednostavno ne rekapituliraju ni karakteristike ni stepen ozbiljnosti kod bolesti ljudskog mozga kao što je mikrocefalija“, rekao je Song. „Čak ni primati koji nisu ljudi nisu isti. Dakle, u kontekstu biologije bolesti i strategija lečenja, model ljudske ćelije je skoro nezamenljiv.“
Tim planira da primeni model za proučavanje različitih bolesti ljudskog mozga koristeći matične ćelije dobijene od pacijenata.
Ksue se nada da će nastaviti da koristi ovaj model za proučavanje interakcije između različitih delova mozga tokom razvoja. Takođe je zainteresovan da proučava kako mozak šalje uputstva za kretanje preko kičmene moždine . Ova linija istraživanja, koja bi mogla da baci novo svetlo na poremećaje poput paralize, zahtevala bi da se neuroni povežu u radna kola – nešto što nije primećeno u ovoj studiji.
Insoo Hjun, bioetičar u Muzeju nauke u Bostonu, koji nije bio deo studije, napominje da se eksperimenti poput ovih pomno ispituju pre nego što im se dozvoli da nastave.
„Istraživačke grupe moraju biti jasne u vezi sa naučnim pitanjem na koje pokušavaju da odgovore — i da je stepen razvoja koji dozvoljavaju u modelu minimum za odgovor na pitanje“, rekao je on.
Model ne uključuje periferne nerve ili funkcionalna nervna kola — karakteristike koje su kritične za sposobnost ljudi da iskuse naše okruženje i procesiraju to iskustvo.
