Hodowle komórkowe i zwierzęta laboratoryjne wciąż są najczęstszym wyborem modelowania chorób, ale w ostatnich latach popularność zyskują tzw. organoidy tkankowe. Zwane potocznie miniorganami mają charakterystykę komórkową i poziom złożoności pełnowymiarowego narządu (np. nerki czy serca), który pozwala na dokładne modelowanie jego działania w warunkach laboratoryjnych. To doskonałe rozwiązanie do testowania nowych leków, bo od razu widać ich realny wpływ na badaną tkankę.
Czytaj też: “Kompletny” ludzki embrion stworzony z komórek macierzystych. Przekroczono kolejną granicę
Z organoidami tkankowymi jest jednak pewien “problem”, bo nie da się ich stworzyć de novo. Konieczna jest matryca tkankowa, najczęściej pod postacią dorosłych komórek cofniętych w rozwoju do stadium komórek macierzystych (tzw. indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste, iPSC). Można tak pokierować różnicowaniem komórek iPSC, by wytworzyły funkcjonalny miniorgan, choć jest to zadanie trudne, wymagające odpowiedniego użycia czynników wzrostu i uruchomienia właściwych genów.
Jest inne, prostsze, choć bardziej kontrowersyjne podejście do pozyskania “bazy” dla miniorganów. Mowa o komórkach embrionalnych pozyskanych bezpośrednio z tkanki, w którą mają się rozwinąć w warunkach laboratoryjnych. Właśnie takiego podejścia użyli naukowcy z Princess Máxima Center, którzy po raz pierwszy użyli tkanki mózgowej pochodzącej z ludzkiego płodu do wykształcenia funkcjonalnych minimózgów. Jest to wielkie osiągnięcie dla nauk przyrodniczych, które może spowodować lawinę kolejnych odkryć. Szczegóły opisano w czasopiśmie Cell.
Prof. Hans Clevers, szef grupy badawczej z Princess Máxima Center, mówi:
Dzięki naszym badaniom wnosimy ważny wkład w dziedziny badań nad organoidami i mózgiem. Odkąd w 2011 r. opracowaliśmy pierwsze ludzkie organoidy jelitowe, wspaniale było obserwować, jak technologia naprawdę się rozwinęła. Od tego czasu opracowano organoidy dla prawie wszystkich tkanek ludzkiego ciała, zarówno zdrowych, jak i chorych, ale nie z mózgu. To naprawdę ekscytujące, że udało nam się teraz pokonać tę przeszkodę.
Minimózgi wielkości ziarnka ryżu, ale z pełną złożonością komórkową dorosłego organu
Zamiast namawiać komórki macierzyste do proliferacji w milionach i przekształcenia się w różne typy komórek, badaczom z Holandii udało się wyhodować organoid mózgowy prosto z płodowej tkanki mózgowej. Otrzymana samoorganizująca się struktura była mniej więcej wielkości ziarenka ryżu, a przy tym zawierała wiele różnych typów komórek występujących w mózgu, także tzw. zewnętrzny glej promienisty (charakterystyczny dla Homo sapiens). Podkreśla to bliskie podobieństwo strukturalne organoidów do ludzkiego mózgu.
Fragmenty tkanki mózgowej wytwarzały także białka tworzące macierz zewnątrzkomórkową, rodzaj “rusztowania”, które wydaje się być kluczowe dla samoorganizacji komórek w trójwymiarowe struktury. Obserwacja tego zjawiska może być istotna dla lepszego zrozumienia mechanizmów zachodzących na wczesnych etapach rozwoju mózgu.
Dr Benedetta Artegiani z Princess Máxima Center mówi:
Nasz nowy, tkankowy model mózgu pozwala nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób rozwijający się mózg reguluje tożsamość komórek. Może również pomóc zrozumieć, w jaki sposób błędy w tym procesie mogą prowadzić do chorób neurorozwojowych, takich jak małogłowie, a także innych chorób, które mogą wynikać z zaburzenia rozwoju, w tym raka mózgu u dzieci.
Komórki budujące minimózgi zachowały cechy charakterystyczne dla określonego obszaru mózgu, z którego pochodziły. Biorąc pod uwagę zdolność organoidów tkankowych do szybkiego wzrostu, uczeni zbadali ich potencjał w modelowaniu raka mózgu. Wykorzystując technikę edycji genów CRISPR/Cas9 wprowadzili błędy w dobrze znanym genie TP53, znajdującym się w chromosomie 17, który jest znany ze swoich właściwości stymulacji nowotworzenia. Mimo iż początkowo zmiany występowały tylko w kilku komórkach, po trzech miesiącach komórki z wadliwym TP53 stanowiły większość masy tkankowej, co jest cechą typową dla procesów nowotworowych.
Następnie wyłączono trzy geny powiązane z glejakiem wielopostaciowym, jednym z najgroźniejszych rodzajów guza mózgu: TP53, PTEN i NF1. Sprawdzono także, jak zmienione komórki reagują na istniejące leki przeciwnowotworowe, co jest obiecujące w zakresie łączenia niektórych farmaceutyków z określonymi mutacjami genów.
Czytaj też: Czym jest ludzki embrion? Musimy to przemyśleć
Organoidy mózgowe pochodzące z tkanki płodowej hodowano przez ponad sześć miesięcy, zgodnie z międzynarodowymi protokołami badawczymi. Warto ponownie zaznaczyć, że minimózgi nie są pełnoprawnymi mózgami – nie mają myśli, uczuć ani świadomości – choć budzą kontrowersje w świadomości społecznej. Badania przeprowadzone przez holenderskich naukowców nie są “zabawą w Boga”, a raczej próbą pełniejszego zrozumienia mechanizmów zachodzących w naszych mózgach. Planowane są już kolejne eksperymenty z zastosowaniem minimózgów, a biolodzy współpracują z bioetykami, by wyznaczyć klarowny kierunek przyszłego zastosowania organoidów tkankowych.