Cercetătorii mențin organoizi cerebrali pentru o perioadă mai lungă decât niciodată
Un grup internațional de cercetători a reușit să mențină organoizi cerebrali, modele tridimensionale ale țesutului cerebral uman, pentru o perioadă mai lungă ca niciodată. Timp de peste cinci ani, țesutul a continuat să se dezvolte într-un mod care seamănă foarte mult cu dezvoltarea creierului uman. Rezultatele studiului au fost publicate în revista Nature.
Prin extinderea duratei de viață a acestor organoizi, cercetătorii creează noi oportunități pentru a investiga neurodezvoltarea, a modela tulburările cerebrale și a testa medicamente potențiale. Creierul uman continuă să se dezvolte până la vârsta de douăzeci de ani. Pentru a studia acest proces prelungit, cercetătorii s-au bazat tradițional pe țesut uman donat și pe modele animale. Ambele abordări au generat informații importante, dar fiecare are limitările sale: țesutul donat oferă doar instantanee ale dezvoltării cerebrale, iar creierele animale diferă de creierul uman în compoziția tipurilor de celule și în cronologia dezvoltării.
Așadar, cercetătorii folosesc din ce în ce mai mult organoizi cerebrali, modele ale țesutului cerebral uman derivate din celule stem, pentru a studia dezvoltarea creierului uman. „Aceste modele ne permit să urmărim dezvoltarea în timp și să examinăm cum apar diferitele tipuri de celule cerebrale”, afirmă Noelia Antón-Bolaños, profesor asistent la UMC Utrecht. Până acum, majoritatea studiilor s-au concentrat asupra stadiilor timpurii de dezvoltare, deoarece cercetătorii nu au putut menține organoizii cerebrali în cultură pentru perioade prelungite. Antón-Bolaños și colegii săi au investigat astfel cât de mult pot continua să se dezvolte organoizii cerebrali umani.
Cercetătorii s-au confruntat cu o provocare majoră: menținerea organoizilor cerebrali sănătoși timp de câțiva ani. Condițiile standard de cultură nu au susținut în mod adecvat activitatea neuronală pe termen lung. „În timpul dezvoltării creierului uman, neuronii prezintă activitate spontană”, explică Antón-Bolaños. „Prin adaptarea compoziției mediului de cultură, am susținut acea activitate, am menținut neuronii activi și am păstrat populațiile neuronale pentru o perioadă mult mai lungă.” Cercetătorii dedicați au îngrijit culturile într-un mediu izolat pe parcursul întregului studiu. Folosind această abordare, echipa a menținut organoizi timp de peste cinci ani. La momente definite, cercetătorii au profilat tipurile de celule prezente, modelele de exprimare a genelor, modificările epigenetice și activitatea neuronală.
Apoi, cercetătorii au examinat dacă organoizii au rămas doar viabili sau au continuat să se dezvolte. Mai multe linii de dovezi au condus la aceeași concluzie. Diferitele tipuri de celule cerebrale au apărut în aceeași ordine ca în timpul dezvoltării creierului uman, neuronii au format conexiuni din ce în ce mai complexe, iar genele au devenit active sau inactive la momentele așteptate. Unele dintre cele mai puternice dovezi au provenit din mici modificări chimice ale ADN-ului. „În creierul uman, aceste modificări epigenetice se acumulează conform unui model caracteristic de dezvoltare”, explică Antón-Bolaños. „Am observat același model în organoizii cerebrali.” După aproximativ un an, organoizii au prezentat chiar trăsături care apar de obicei doar după naștere. „Celulele sunt în afara corpului, totuși urmează aproximativ aceeași cronologie de dezvoltare ca și noi — chiar mai aproape decât ne-am anticipat.”
Echipa a descoperit, de asemenea, că celulele mature păstrează o memorie a timpului de dezvoltare. „Când am disociat un organoid mai vechi și am permis celulelor să crească din nou, acestea au produs tipurile de celule asociate cu un stadiu tardiv de dezvoltare”, spune Antón-Bolaños. „Însă când am combinat celule mai vechi cu celule mai tinere, celulele mai vechi și-au recăpătat capacitatea de a produce neuroni — dar numai tipurile asociate cu stadii mai târzii de dezvoltare.” Acest lucru este remarcabil deoarece creierul uman încetează să producă neuroni relativ devreme și ulterior trece la producerea celulelor gliale. „Dacă putem identifica semnalele care reactivează producția de neuroni în celule mai vechi, ar putea oferi noi modalități de a studia tulburările neurodegenerative.”
Pentru că organoizii continuă să se dezvolte pe parcursul anilor, cercetătorii pot examina o porțiune mult mai mare a traiectoriei de dezvoltare umană. Acest lucru este deosebit de relevant pentru condiții precum tulburarea de spectru autist și schizofrenia, în care neurodezvoltarea alterată joacă un rol important. „Aceste organoide cerebrale sunt, de asemenea, foarte reproducibile”, afirmă Antón-Bolaños. „Aceasta este esențială pentru utilizarea lor ca modele de boală și ar putea sprijini în cele din urmă studiile de testare a medicamentelor în organoizi.” Organoizii sunt încă în dezvoltare în laborator. Cercetătorii doresc acum să determine cum semnalele de mediu, cum ar fi stimularea cu lumină, îmbunătățesc maturarea ulterioară. Domeniul vizează, de asemenea, îmbunătățirea caracteristicilor care rămân incomplete, inclusiv vascularizarea și organizarea în straturi a cortexului cerebral.
Acum știm că aceste modele au capacitatea de a continua să se dezvolte timp de ani. Următorul pas este să înțelegem cum să oferim condiții optime pentru ca această capacitate să se desfășoare. Aceasta ne va aduce mai aproape de modele mai fidele ale creierului uman.”
