Novi organoidni model dopaminergičkog sistema baca svetlo na njegovu složenu funkcionalnost i potencijalne implikacije za Parkinsonovu bolest. Model, koji je razvila grupa Jurgen Knoblich na Institutu za molekularnu biotehnologiju (IMBA) Austrijske akademije nauka, replicira strukturu, povezanost i funkcionalnost dopaminergičkog sistema.
Studija, objavljena u Nature Methods, takođe otkriva trajne efekte hronične izloženosti kokainu na dopaminergičko kolo, čak i nakon povlačenja.
Završeno trčanje, ranojutarnji udar kofeina, miris kolačića u rerni – svi ovi nagrađujući trenuci su posledica udara neurotransmitera dopamina, koji oslobađaju neuroni u neuronskoj mreži u našem mozgu, nazvanog „put dopaminergičke nagrade.“
Osim što posreduju u osećaju „nagrade“, dopaminergički neuroni takođe igraju ključnu ulogu u kontroli fine motorike, koja se gubi kod bolesti kao što je Parkinsonova bolest. Uprkos važnosti dopamina, ključne karakteristike sistema još nisu shvaćene i ne postoji lek za Parkinsonovu bolest. U svojoj novoj studiji, grupa Jirgena Knoblicha sa IMBA razvila je organoidni model dopaminergičkog sistema, koji rekapitulira ne samo morfologiju sistema i nervne projekcije već i njegovu funkcionalnost.
Tremor i gubitak motoričke kontrole su karakteristični simptomi Parkinsonove bolesti i nastaju zbog gubitka neurona koji oslobađaju neurotransmiter dopamin, koji se naziva dopaminergički neuroni. Kada dopaminergički neuroni umru, kontrola fine motorike se gubi, a pacijenti razvijaju tremor i nekontrolisane pokrete. Iako je gubitak dopaminergičkih neurona ključan u razvoju Parkinsonove bolesti, mehanizmi kako se to dešava i kako možemo sprečiti – ili čak popraviti – dopaminergički sistem još nisu shvaćeni.
Životinjski modeli za Parkinsonovu bolest dali su određeni uvid u Parkinsonovu bolest; međutim, kako glodari prirodno ne razvijaju Parkinsonovu bolest, studije na životinjama su se pokazale nezadovoljavajućim u rekapitulaciji karakteristika ove bolesti. Pored toga, ljudski mozak sadrži mnogo više dopaminergičkih neurona, koji se takođe različito povezuju unutar ljudskog mozga, šaljući projekcije ka strijatumu i korteksu.
„Pokušali smo da razvijemo in vitro model koji rekapitulira ove ljudske osobine u takozvanim organoidima mozga“, objašnjava Daniel Reumann, ranije doktor nauka. student u laboratoriji Jurgen Knoblich na IMBA i prvi autor rada. „Moždani organoidi su trodimenzionalne strukture izvedene iz ljudskih matičnih ćelija, koje se mogu koristiti za razumevanje razvoja i funkcije ljudskog mozga“, dalje objašnjava on.
Tim je prvo razvio organoidne modele takozvanog ventralnog srednjeg mozga, strijatuma i korteksa – regiona povezanih neuronima u dopaminergičkom sistemu – a zatim je razvio metod za spajanje ovih organoida zajedno. Kao što se dešava u ljudskom mozgu, dopaminergički neuroni organoida srednjeg mozga šalju projekcije ka strijatumu i organoidima korteksa.
„Pomalo iznenađujuće, primetili smo visok nivo dopaminergičke inervacije, kao i sinapse koje se formiraju između dopaminergičkih neurona i neurona u strijatumu i korteksu“, priseća se Reumann.
Da bi procenio da li su ovi neuroni i sinapse funkcionalni, tim je sarađivao sa grupom Sedrika Bardija na SAHMRI i Flinders univerzitetu u Australiji, kako bi istražili da li bi neuroni u ovom sistemu počeli da formiraju funkcionalne neuronske mreže. Zaista, kada su istraživači stimulisali srednji mozak, koji sadrži dopaminergičke neurone, neuroni u striatumu i korteksu su reagovali na stimulaciju. „Uspešno smo modelirali dopaminergičko kolo in vitro, jer ćelije ne samo da se pravilno povezuju, već i funkcionišu zajedno“, kaže Reumann.
Organoidni model dopaminergičkog sistema mogao bi se koristiti za poboljšanje ćelijske terapije za Parkinsonovu bolest. U prvim kliničkim studijama, istraživači su ubrizgali prekursore dopaminergičkih neurona u striatum, kako bi pokušali da nadoknade izgubljenu prirodnu inervaciju.
Međutim, ove studije su imale različit uspeh. U saradnji sa laboratorijom Malin Parmar na Univerzitetu u Lundu, Švedska, tim je pokazao da dopaminergične progenitorske ćelije ubrizgane u model dopaminergičkog organoida sazrevaju u neurone i proširuju neuronske projekcije unutar organoida.
„Naš organoidni sistem mogao bi da posluži kao platforma za testiranje uslova za ćelijske terapije, omogućavajući nam da posmatramo kako se ćelije prekursora ponašaju u trodimenzionalnom ljudskom okruženju“, objašnjava Jirgen Knoblich, autor studije. „Ovo omogućava istraživačima da prouče kako se progenitori mogu efikasnije razlikovati i pruža platformu koja nam omogućava da proučavamo kako regrutovati dopaminergičke aksone za ciljane regione, a sve na način visoke propusnosti.“
Dopaminergički neuroni se takođe aktiviraju kad god se osećamo nagrađeni, čineći tako osnovu „puta nagrađivanja“ u našem mozgu. Ali šta se dešava kada je dopaminergička signalizacija poremećena, kao što je zavisnost? Da bi istražili ovo pitanje, istraživači su koristili dobro poznati inhibitor ponovnog uzimanja dopamina, kokain. Kada su organoidi bili izloženi kokainu hronično tokom 80 dana, dopaminergičko kolo se promenilo funkcionalno, morfološki i transkripciono.
Ove promene su postojale, čak i kada je izloženost kokainu zaustavljena 25 dana pre kraja eksperimenta, koji je simulirao stanje odvikavanja. „Čak i nakon skoro mesec dana nakon prestanka izlaganja kokainu, efekti kokaina na dopaminergičko kolo su i dalje bili vidljivi, što znači da sada možemo da istražimo koji su dugoročni efekti dopaminergičke prekomerne stimulacije u sistemu in vitro specifičnom za ljude“, Reumann kaže.
