W badaniach farmaceutycznych do badania chorób wykorzystuje się zwykle modele zwierzęce i konwekcyjne metody hodowli komórkowej. Jednakże zasadnicze różnice w aspektach rozwojowych i fizjologicznych między ludźmi a powszechnie stosowanymi modelami zwierzęcymi stanowią poważne utrudnienie. W przypadku zaburzeń mózgu, takich jak choroby neurodegeneracyjne i rozwojowe, istniejące metody nie są w stanie uwzględnić złożoności ludzkiego mózgu, co powoduje, że duże firmy farmaceutyczne poważnie ograniczają badania w tej dziedzinie.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z projektu Mini Brains finansowanego przez ERBN opracowali trójwymiarowy system hodowli organoidów oparty na komórkach macierzystych, określany mianem techniki organoidów mózgowych. „Ideą było wykorzystanie tych organów jako wysoce opłacalnego narzędzia w odkrywaniu i rozwijaniu terapii chorób neurodegeneracyjnych i rozwojowych”, wyjaśnia kierownik projektu dr Jürgen Knoblich.

Technika organoidów mózgowych

Naukowcy hodowali ludzkie zarodkowe linie komórek macierzystych i indukowali pluripotencjalne komórki macierzyste w określonych warunkach wzrostu, aby ułatwić rozróżnienie na kilka tkanek mózgu. Dokładniej rzecz biorąc, wytworzyli prymitywną warstwę komórkową in vitro, zwaną neuroektodermą, z której wywodzi się układ nerwowy i która jest utrzymywana na specjalnym rusztowaniu w celu wspomagania wzrostu złożonych tkanek.

Po około 20 dniach hodowli w bioreaktorze powstała tkanka neuronabłonkowa otaczająca jamę wypełnioną płynem, przypominającą komorę mózgową. „Dziesięć dni później rozwinęły się określone obszary mózgu, w tym kora mózgowa, siatkówka, opony mózgowe i splot naczyniowy”, kontynuuje dr Knoblich. Chociaż w bioreaktorze mogły one trwać bez końca, brak krążenia uniemożliwił dalszy rozwój „mózgów”.

Potencjał kliniczny organoidów mózgowych

Naukowcom udało się wyhodować organoidy dotknięte małogłowiem, ludzką chorobą genetyczną, w której wielkość mózgu jest znacznie zmniejszona. Co ciekawe, zaobserwowali oni, że podczas gdy tkanka neunabłonkowa była mniejsza w porównaniu z normalnymi organoidami, organoidy z małogłowiem charakteryzowały się zwiększonym rozwojem neuronalnym. To skłoniło dr Knoblicha i jego zespół do zasugerowania, że u pacjentów z małogłowiem, różnicowanie nerwowe podczas rozwoju mózgu zachodzi przedwcześnie kosztem komórek macierzystych i progenitorowych, wpływając na wielkość mózgu.

W innej części projektu badacze wykorzystywali organoidy do zbadania złożonych interakcji, takich jak migracja komórek i wzrost aksonów, pomiędzy różnymi rozwijającymi się obszarami mózgu. Nacisk położono na hamujące interneurony GABAergic, które odgrywają kluczową rolę w regulacji aktywności mózgu i są powiązane z padaczką, schizofrenią i autyzmem. Interneurony pojawiają się w przedniej części mózgu człowieka i migrują na dużą odległość do regionów tylnych. Jeśli migracja ta, która jest spowodowana różnymi sygnałami chemicznymi, takimi jak CXCR4, nie powiedzie się, mogą wystąpić napady padaczkowe.

Ponadto naukowcy wykorzystali bioinżynierię w celu poprawy architektury organoidów. Mikrofilamenty posłużyły do generowania rusztowań pływających, które zachowywały swoje właściwości samorganizujące się, ale wykazywały zwiększoną strukturę.

Wykorzystywanie specyficznych dla pacjenta organoidów mózgowych do badań naukowych i badań przesiewowych leków stanowi alternatywę dla testów na zwierzętach oraz zmniejsza koszty. Może również obniżyć koszty opracowywania leków, zmniejszyć obciążenie związane z leczeniem chorób mózgu oraz zwiększyć liczbę zatwierdzonych leków na zaburzenia mózgu. „Potencjał kliniczny organoidów mózgowych jest ogromny; po raz pierwszy możemy tworzyć organoidy pochodzące z krwi pacjenta lub komórek skóry. Umożliwi to uzyskanie nowych informacji na temat mechanizmów prowadzących do zaburzeń neurologicznych”, przewiduje dr Knoblich. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki nowemu finansowanemu ze środków ERBN projektowi Mini Brain badania neurologiczne pójdą o krok dalej.

Źródło: www.cordis.europa.eu