Na raskrsnici ljudskog imunog sistema i mozga nalaze se mikroglija, specijalizovane imunološke ćelije mozga koje igraju ključnu ulogu u razvoju i bolesti. Iako je značaj mikroglije nesporan, njihovo modeliranje i proučavanje je ostao težak zadatak.
Za razliku od nekih ljudskih ćelija koje se mogu proučavati van tela ili na neljudskim modelima, ljudsku mikrogliju je teško proučavati kada se ukloni iz okruženja ljudskog mozga. Da bi prevazišli ovu barijeru, naučnici Salka su razvili organoidni model — trodimenzionalnu kolekciju ćelija koja imitira karakteristike ljudskog tkiva.
Ovaj model omogućava istraživačima da prouče razvoj i funkcionisanje ljudskih mikroglija po prvi put u živom ljudskom tkivu. Dalje, naučnici su ispitali mikrogliju dobijenu od pacijenata kod dece sa poremećajem spektra makrocefaličnog autizma (stanje gde je obim glave bebe veći od 97% drugih beba) kako bi utvrdili da li okruženje mozga utiče na razvoj reaktivnije mikroglije.
Nalazi, objavljeni u Cell 11. maja 2023., naglašavaju važnost interakcije imunoloških ćelija i mozga i poboljšavaju razumevanje neurodegenerativnih i razvojnih bolesti, kao što su poremećaj autističnog spektra i Alchajmerova bolest.
„Izvan okruženja mozga, mikroglija gubi skoro svu funkciju i značenje“, kaže profesor Rusti Gejdž, viši autor i nosilac Katedre za istraživanje neurodegenerativnih bolesti povezanih sa starenjem Vi i Džon Alder. „Znali smo da ako pronađemo način da repliciramo okruženje ljudskog mozga u organoidu kako bismo proučavali ljudsku mikrogliju, onda bismo konačno imali alat za ispitivanje kako zdrav i bolesni mozak utiče na mikrogliju i, recipročno, koliko je zdrav i bolestan mikroglija utiče na mozak.“ Vremenski snimak ćelije imunog mozga nazvane mikroglija (bela) koja se kreće u okruženju organoida sličnom ljudskom mozgu (crveno). Kredit: Institut Salk
Pojavivši se pre otprilike 10 godina, organoidi su postali preovlađujuće sredstvo za premošćavanje jaza između studija ćelija i ljudi. Organoidi mogu oponašati ljudski razvoj i stvaranje organa bolje od drugih laboratorijskih sistema, omogućavajući istraživačima da proučavaju kako lekovi ili bolesti utiču na ljudske ćelije u realističnijem okruženju. Organoidi mozga se obično uzgajaju u posudama za kulturu, ali su organoidi strukturno i funkcionalno ograničeni nedostatkom krvnih sudova, kratkim vremenom preživljavanja i nemogućnošću da održe različite tipove ćelija (kao što je mikroglija).
„Da bismo stvorili organoidni model mozga koji sadrži zrelu mikrogliju i koji nam omogućava da ih istražujemo, koristili smo novu tehniku transplantacije da bismo stvorili okruženje nalik ljudskom mozgu“, kaže koautor Abed Mansour, bivši postdoktorski istraživač u Gageovoj laboratoriji i sada docent na Hebrejskom univerzitetu u Jerusalimu. „Tako da bismo konačno mogli da napravimo organoid ljudskog mozga koji ima sve karakteristike neophodne za orkestriranje rasta, ponašanja i funkcije ljudske mikroglije.“
Za razliku od prethodnih modela, istraživači su stvorili organoid ljudskog mozga koji je imao mikrogliju i okruženje nalik ljudskom mozgu, što im je konačno omogućilo da sagledaju uticaje životne sredine na mikrogliju tokom razvoja mozga. Otkrili su da se karakterističan protein koji se zove SALL1 pojavio već jedanaest nedelja u razvoju i služio je za potvrdu mikroglijalnog identiteta i promovisanje zrele funkcije. Pored toga, otkrili su da su faktori specifični za moždano okruženje, poput proteina TMEM119 i P2RI12, neophodni za funkcionisanje mikroglije.
„Stvaranje modela ljudskog mozga koji može efikasno da replicira okruženje ljudskog mozga je veoma uzbudljivo“, kaže vanredni profesor Aksel Nimerjan, još jedan autor studije. „Sa ovim modelom konačno možemo istražiti kako ljudska mikroglija funkcioniše u okruženju ljudskog mozga.“
Kako je tim saznao više o mikrogliji, važnost odnosa između moždanog okruženja i mikroglije postala je jasna – posebno u scenarijima bolesti. Laboratorija je prethodno ispitala neurone izvedene od ljudi sa poremećajem spektra autizma i otkrila da njihovi neuroni rastu brže i imaju složenije grane od neurotipičnih kolega. Sa novim organoidnim modelom, tim bi mogao da pita da li su te neuronske razlike promenile okruženje mozga i uticale na razvoj mikroglije.
Da bi to uradili, uporedili su mikrogliju dobijenu iz uzoraka kože tri osobe sa poremećajem spektra makrocefaličnog autizma sa tri neurotipične osobe sa makrocefalijom. Istraživači su otkrili da su osobe sa poremećajem autističnog spektra pokazale neuronske razlike koje je tim ranije primetio, i da su na mikrogliju uticale te razlike u okruženju njihovog rasta. Zbog ove promene životne sredine zavisne od neurona, mikroglija je postala reaktivnija na oštećenja ili uljeze – nalaz koji može objasniti upalu mozga uočenu kod nekih osoba sa poremećajem autističnog spektra.
Pošto je ovo bila preliminarna studija sa malom veličinom uzorka, tim planira da u budućnosti ispita više mikroglije od dodatnih ljudi kako bi potvrdio svoje nalaze. Takođe imaju za cilj da prošire svoja istraživanja na proučavanje drugih razvojnih i neurodegenerativnih bolesti kako bi videli kako mikroglija doprinosi nastanku bolesti.
„Umesto da dekonstruišemo mozak, odlučili smo da ga sami konstruišemo“, kaže koautor Sajmon Šafer, bivši postdoktorski istraživač u Gageovoj laboratoriji, a sada docent na Tehničkom univerzitetu u Minhenu. „Izgradnjom sopstvenog modela mozga možemo da radimo odozdo prema gore i vidimo rešenja koja je možda nemoguće videti odozgo nadole. Željni smo da nastavimo da poboljšavamo naš model i razotkrivamo odnos između mozga i imunog sistema.“
