Oamenii de știință au crescut șoareci de laborator cărora le lipseau anumite secțiuni din creier și apoi au înlocuit țesutul lipsă cu celule umane, în cadrul unui experiment coordonat de un cercetător român de la Universitatea californiană Stanford și care reprezintă un pas înainte în studiul organoizilor ce reproduc creierul uman, transmite Live Science care citează o cercetare publicată miercuri în revista Nature.
Un organoid este o versiune miniaturizată și simplificată a unui organ, produsă de obicei in vitro în trei dimensiuni, care imită complexitatea funcțională, structurală și biologică cheie a organului respectiv. Pe termen lung, oamenii de știință își propun să utilizeze organoizii pentru a înțelege mai bine cum se dezvoltă creierul și cum se schimbă structura și funcția sa în contextul anumitor boli.
Organoizii oferă o perspectivă asupra dezvoltării timpurii a creierului, imposibil de observat îndeaproape la oameni, mai ales pentru că se desfășoară în perioada intrauterină. Deși organoizii nu sunt reproduceri perfecte ale creierului uman de dimensiuni normale, oamenii de știință cred că aceștia pot fi modele utile pentru studierea creierului în curs de dezvoltare, atât în stare de sănătate, cât și în stare de boală.
Adesea, organoizii cerebrali sunt cultivați în afara organismelor vii, fie în vase de laborator, fie în dispozitive care mențin aceste ‘minicreiere’ suspendate într-o soluție. Mai mulți organoizi care reprezintă diferite părți ale creierului sau chiar creierele unor persoane diferite pot fi, de asemenea, reunite pentru a forma structuri mai complexe.
Conform oamenilor de știință, organoizii cultivați pe șoareci de laborator (in vivo) se dezvoltă și se maturizează mai bine decât cei cultivați în vase de laborator (in vitro), din motive încă insuficient cunoscute.
‘Există anumite indicii prezente in vivo care sunt cu adevărat importante și pur și simplu nu știm ce să adăugăm in vitro’, a declarat co-autorul studiului, Dr. Sergiu Pașca, profesor de psihiatrie și științe comportamentale la Universitatea Stanford. Echipa a demonstrat acest fenomen prin transplantarea de organoizi de la șoareci de laborator într-un studiu publicat în 2022. Organoizii transplantați au crescut, au format conexiuni mai bune și au fost mai active decât organoizii cultivați în vase de laborator.
Dar transplantarea celulelor creierului uman la rozătoare vine cu alte provocări. Una dintre ele este maturizarea mai lentă a creierului uman prin comparație cu creierul rozătoarelor. ‘Chiar și atunci când sunt plasate într-un animal, într-un șoarece sau într-un șobolan, se vor dezvolta totuși de aproximativ 20 de ori mai lent decât celulele cerebrale proprii ale șoarecelui’, a declarat Pașca pentru Live Science.
Celulele creierului gazdei cresc rapid și formează noi conexiuni, în timp ce celulele umane rămân în urmă și sunt depășite în competiție, a explicat Pașca. Acest lucru limitează cantitatea de spațiu pe care celulele umane o pot ocupa. Pe măsură ce neuronii se maturizează, aceștia devin mielinizați, ceea ce înseamnă că dobândesc o izolație grasă care îi ajută să comunice mai eficient. Neuronii rozătoarelor se mielinizează mai repede decât celulele umane, iar această teacă creează o barieră fizică pe care celulele umane se chinuie să o penetreze, a spus Pașca.
În noul studiu, Pașca și colegii săi au urmărit să ofere neuronilor umani un avantaj. Nu au putut rezolva problema maturării lente a celulelor umane, dar au putut oferi celulelor spațiu suplimentar pentru a crește. După ani de experimente, ei au creat un șoarece modificat genetic care dezvoltă doar 2% din cortexul său cerebral. De asemenea, lipsește cea mai mare parte a hipocampului său – un centru major al memoriei din creier. În câteva zile de la nașterea șoarecelui, echipa transplantează țesut neuronal uman în acel spațiu liber și, în aproximativ 90% din cazuri, acel țesut uman se integrează cu succes și începe să crească, a spus Pașca.
‘Am luat pur și simplu organoizi corticali, aproximativ patru, și i-am transferat cu o seringă în acel spațiu liber’, a spus el. ‘Asta e tot. Intră acolo, se grefează și, în câteva săptămâni, încep să crească. Apoi, în câteva luni, preiau cea mai mare parte a acelui volum’.
În săptămânile care au urmat procedurii de transplant, celulele cerebrale umane din cutiile craniene ale șoarecilor au crescut, au format conexiuni și au extins proiecții în țesutul subiacent. Țesutul uman nu s-a organizat în straturi distincte, așa cum s-ar întâmpla în mod normal în interiorul capului unui om, dar a inclus multe tipuri de celule care sunt de obicei observate în cortexul cerebral uman.
Cercetătorii au comparat apoi șoarecii care au primit organoizi cerebrali cu șoareci cărora le lipsea aceeași cantitate de țesut cerebral, dar cărora nu li s-au administrat organoizi și apoi au comparat ambele grupe cu șoareci normali, nemodificați.
Poate surprinzător, șoarecii cărora le lipseau secțiuni extinse din creier încă funcționau destul de bine. ‘Te uiți la ei și nu poți spune cu adevărat care sunt care’, a spus Pașca. La o inspecție mai atentă, însă, șoarecii aveau deficite subtile în abilitățile motorii fine, memoria de lucru și socializare, a precizat el.
În viitor, capacitatea de a compara aceste trei seturi de șoareci – cu organoizi, fără organoizi și nemodificați – ar putea ajuta oamenii de știință să deslușească modul în care țesutul uman contribuie la un anumit rezultat experimental. Pașca prevede că abordarea va fi utilă pentru studierea efectelor agresiunilor asupra creierului, cum ar fi hipoxia (oxigen scăzut) și expunerea la toxine sau medicamente în uter. În plus, genetica organoizilor umani ar putea fi modificată pentru a vedea cum aceste schimbări afectează dezvoltarea, structura și funcția creierului. Acest lucru ar putea fi util pentru studierea paraliziei cerebrale sau a autismului, a sugerat el.
Din punct de vedere etic, Pașca a precizat că s-a consultat cu experți de la Stanford și cu un comitet de etică extern cu privire la bunăstarea animalelor utilizate în studiu. Studiile care implică introducerea de țesut cerebral uman în animale ridică, de asemenea, întrebări cu privire la faptul dacă acel țesut adăugat ar putea oferi animalelor noi abilități cognitive – să le facă, în esență, mai asemănătoare cu cele umane. Comitetul de etică a luat în considerare și aceste preocupări.
‘Nu am observat apariția unor noi proprietăți (dar) nu este surprinzător, deoarece suntem încă într-un stadiu foarte incipient de dezvoltare’, a mai precizat Pașca. Cercetătorii au crescut acești organoizi timp de doar șase luni, așa că erau aproximativ la fel de dezvoltați ca țesutul cerebral al unui făt de 6 luni.
