Oamenii de știință creează organoizi cerebrali cu identitate regională corticală specifică
Creierul uman este adesea descris ca una dintre cele mai complexe structuri biologice, iar puterea sa derivă în mare parte din modul în care este organizat.
Stratul său exterior, cortexul cerebral, nu reprezintă o foaie uniformă. Pe măsură ce creierul se dezvoltă, acesta se împarte în zone distincte care îndeplinesc funcții diferite, de la mișcare și viziune la memorie, limbaj și înțelegere socială.
Acest proces este cunoscut sub denumirea de „arealizare” și se consideră că stă la baza multor capacități ale creierului. De asemenea, poate ajuta la explicarea unor probleme care afectează dezvoltarea cerebrală.
Organizarea aceasta atrage interesul nu doar din partea neuroștiințelor. Inginerii au împrumutat idei din creier – care se construiește fără un plan și funcționează cu foarte puțină energie – pentru lucrări în domeniul calculatoarelor și roboticii. Biologia a fost dificil de studiat, deoarece majoritatea acestor modele se formează înainte de naștere.
Chiar și în dezvoltarea timpurie, creierul uman are o senzație de localizare. Semnalele chimice ajută celulele în dezvoltare să își determine poziția, contribuind la diferențele dintre zonele din față și cele din spate ale cortexului cerebral.
Până acum, cercetătorii au întâmpinat dificultăți în reproducerea acestei organizări în modele de creier crescut în laborator.
O echipă de cercetători de la Universitatea din California, Irvine, a dezvoltat o nouă abordare care le permite să inginerieze țesut cerebral uman cultivat în laborator cu o identitate regională definită, producând organoizi cu caracteristici specifice fie părții din față, fie celei din spate a cortexului cerebral în dezvoltare. Această avansare ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine cum se dezvoltă creierul uman și ce se întâmplă atunci când acest proces este perturbat în tulburările neurodezvoltării.
Într-un studiu publicat recent în Cell Stem Cell, echipa condusă de UC Irvine a creat organoizi neocorticali umani – țesuturi mici, tridimensionale, cultivate din celule stem umane care imită trăsături importante ale cortexului cerebral în dezvoltare. Fiecare organoid a fost direcționat să își asume identitatea unei regiuni din față sau din spate.
„Organoizii cerebrali au devenit instrumente puternice pentru studiul dezvoltării umane, dar creierul uman este un spațiu extrem de organizat”, spune Momoko Watanabe. „Prin introducerea identității regionale în aceste modele, putem începe să punem întrebări despre dezvoltare și boală care erau dificile de abordat cu organoizii convenționali.”
Cortexul cerebral este stratul exterior al creierului și este implicat în funcții care variază de la mișcare și procesare senzorială la limbaj și gândire de nivel înalt. Totuși, nu fiecare parte a cortexului se dezvoltă în același mod.
În timpul dezvoltării timpurii, semnalele chimice ajută la crearea unei hărți biologice, ghidând diferite regiuni spre identități distincte.
Organoizii cerebrali obișnuiți reproduc multe caracteristici ale țesutului cerebral în dezvoltare, dar de obicei omite această etapă. Fiecare organoid ajunge să aibă un mozaic de regiuni aleatorii în loc de o delimitare clară între față și spate.
Echipa UC Irvine a descoperit o modalitate de a introduce această orientare.
Prin expunerea organoizilor în dezvoltare la semnale chimice selectate cu grijă la începutul creșterii, cercetătorii au putut să direcționeze unele spre caracteristici asociate cu partea din față a cortexului sau spre cele asociate cu partea din spate.
Apoi, au examinat celulele individuale pentru a determina dacă acele diferențe semănau cu dezvoltarea umană reală. Analiza a peste 200.000 de celule a arătat că organoizii reproduc caracteristicile moleculare asociate cu diferite regiuni ale cortexului uman prenatal.
În esență, cercetătorii au oferit țesutului cortical crescut în laborator un „compas biologic”, o senzație reproducibilă de față sau spate.
Utilizând noul model, echipa a investigat sindromul X fragil, o afecțiune genetică și o cauză principală de dizabilitate intelectuală moștenită, asociată și cu tulburările din spectrul autismului.
Cercetătorii au dorit să afle dacă sindromul X fragil ar putea afecta nu doar celulele individuale ale creierului, ci și modelele de dezvoltare mai ample care ajută la organizarea acelor celule în cortex. Rezultatele au arătat că da.
Două proteine importante pentru dezvoltarea creierului, numite SOX4 și SOX11, apar de obicei la niveluri diferite în țesutul din față și spate. Această diferență s-a manifestat constant în organoizii crescuți din donatori fără afecțiune. În organoizii care modelau sindromul X fragil, ea a dispărut în mare parte. Modelarea generală front-spate era încă prezentă, dar această diferență specifică s-a uniformizat.
Alți cercetători au raportat aceeași uniformizare în țesutul cerebral donat de persoane cu autism; diferența obișnuită în nivelurile SOX4 și SOX11 între fața și spatele cortexului este mai mică decât se aștepta.
Aceste descoperiri nu demonstrează că modelarea perturbată a creierului cauzează autism. În schimb, ele evidențiază un proces de dezvoltare potențial pe care cercetătorii îl pot investiga acum într-un model de țesut uman cu detalii spațiale mai mari.
Aplicațiile potențiale se extind dincolo de sindromul X fragil.
Tulburările neurologice și neurodezvoltării nu afectează neapărat fiecare parte a creierului în același mod. Prin oferirea organoizilor de caracteristici regionale definite, cercetătorii pot începe să studieze nu doar ce se schimbă într-o afecțiune, ci și unde apar acele schimbări în timpul dezvoltării.
Platforma contribuie la eforturile în creștere de a dezvolta modele de cercetare bazate pe țesut uman care pot completa studiile pe animale. Deoarece aspectele importante ale dezvoltării creierului uman diferă de cele ale altor specii, organoizii derivați din celule stem pot oferi cercetătorilor o altă modalitate de a investiga procesele care sunt dificile de studiat direct la oameni sau de a reproduce în animale.
Cercetătorii afirmă că abordarea ar putea fi utilizată pentru a examina modul în care factorii genetici și de mediu afectează diferite regiuni ale cortexului în dezvoltare și, în timp, să ajute oamenii de știință să investigheze mecanismele bolii și potențiale strategii terapeutice.
Laboratorul lui Watanabe de la UC Irvine construiește modele de organoizi cerebrali umani pentru a studia dezvoltarea creierului și bolile neurologice. Aceasta face parte dintr-un efort interdisciplinar mai amplu la UC Irvine care cuprinde anatomia și neurobiologia, biologia celulelor stem, biologia dezvoltării, ingineria țesuturilor, matematica și abordările computaționale.
