Naukowcy eksperymentują z chimerami. Neurony szczurów zregenerowały mózgi myszy
Naukowcom udało się zregenerować uszkodzenia w mózgach myszy przy użyciu neuronów wyhodowanych ze szczurzych komórek macierzystych. Stworzone w ten sposób mózgi dostarczają cennych informacji na temat powstawania tkanki mózgowej i przedstawiają nowe możliwości przywracania utraconych na skutek choroby czy procesów starzenia się funkcji mózgu.
Kiedy komórki jednego gatunku rosną w ciele innego, powstały w ten sposób organizm nazywany jest chimerą międzygatunkową. Tego typu chimery tworzono i wykorzystywano już wcześniej do badań nad niektórymi tkankami, na przykład u myszy zawierających komórki ludzkiego układu odpornościowego, w celu badania reakcji chorobowych. Jednak tworzenie chimer dla innych tkanek, takich jak tkanka nerwowa, jest bardziej złożone.
W niedawnych badaniach dwa niezależne zespoły naukowców wykazały, że dodanie neuronów szczurów do mózgów myszy, które wcześniej pozbawiono istotnych jego części, może pomóc w odzyskaniu utraconych funkcji. Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Cell" (DOI: 10.1016/j.cell.2024.03.042; DOI:10.1016/j.cell.2024.03.017).
Dalsza część artykułu pod materiałem wideo
Myszy i szczury
- Badanie to pomaga wykazać potencjalną elastyczność mózgu w zakresie wykorzystywania syntetycznych obwodów neuronowych do przywracania funkcji mózgu – mówi Kristin Baldwin z Columbia University w Nowym Jorku, autorka jednego z dwóch artykułów. - Możliwość wytworzenia tkanki mózgowej jednego gatunku w innym może pomóc nam zrozumieć rozwój i ewolucję mózgu różnych gatunków – wskazuje Jun Wu z University of Texas Southwestern Medical Center w Dallas, współautor drugiej publikacji.
Zespół Baldwin przywrócił mysie węchowe obwody nerwowe, wzajemnie połączone neurony w mózgu odpowiedzialne za zmysł węchu, wykorzystując komórki macierzyste szczurów. Z kolei zespół Wu opracował platformę opartą na technologii edycji genów CRISPR-Cas9, która może skutecznie identyfikować geny napędzające rozwój określonych tkanek.
Myszy i szczury to dwa odrębne gatunki, które ewoluowały niezależnie przez około 20 do 30 milionów lat. W poprzednich eksperymentach, dzięki technice zwanej komplementacją blastocyst, naukowcom udało się zastąpić trzustkę u myszy przy użyciu szczurzych komórek macierzystych. Badacze wstrzyknęli szczurze komórki macierzyste do blastocyst myszy – embrionów we wczesnym stadium, które zostały zmodyfikowane genetycznie tak, by pozbawić je zdolności do rozwoju trzustki. Szczurze komórki macierzyste rozwinęły się w brakującą trzustkę i przywróciły jej funkcję.
Przodomózgowie myszy powstałe z komórek szczura
Do tej pory nikt nie wytwarzał tkanek mózgowych przy użyciu komórek macierzystych innego gatunku na drodze komplementacji blastocyst. W nowych pracach badacze korzystając z platformy opracowanej przez zespół Wu przetestowali siedem różnych genów i odkryli, że wyeliminowanie jednego z nich – Hesx1 – prowadzi do powstania myszy bez przodomózgowia - dużego obszaru w mózgu, który koordynuje większość zachowań zwierzęcia. Myszy te dość szybko umierały.
Jednak gdy uczeni wstrzyknęli szczurze komórki macierzyste do blastocyst myszy bez Hesx1, komórki szczurów wypełniły niszę, tworząc u myszy przodomózgowie. Szczury mają większe mózgi niż myszy, ale przodomózgowie pochodzenia szczurzego rozwijało się w mózgu myszy w tym samym tempie i wielkości, co naturalne mysie przodomózgowie. Co więcej, szczurze neurony były w stanie przekazywać sygnały do sąsiednich neuronów myszy i odwrotnie.
Naukowcy nie sprawdzali, czy przodomózgowie pochodzące ze szczurzych komórek macierzystych zmieniły zachowanie myszy. - Brakuje dobrych testów behawioralnych pozwalających odróżnić szczury od myszy, ale z naszego eksperymentu wynika, że myszy ze szczurzym przodomózgowiem nie zachowują się nadzwyczajnie – mówi Wu.
Neurony szczurów przywracają zmysł węchu myszy
W drugim badaniu zespół Baldwin wykorzystał określone geny do wyciszenia lub usunięcia neuronów odpowiedzialnych za zmysł węchu u myszy. Naukowcy wskazują, że wyciszając geny mieli na celu stworzyć model, który naśladuje to, co obserwuje się w chorobach charakteryzujących się zaburzeniami neurorozwojowymi, w których część neuronów ma problemy w komunikacji z otoczeniem. Natomiast usuwając geny symulowali niektóre choroby zwyrodnieniowe.
Dorosłe zwierzęta powstałe w ten sposób miały zakłócone obwody łączące neurony węchowe w nosie z obszarami w mózgu, uniemożliwiając im wykorzystanie zmysłu węchu do znalezienia smakołyku ukrytego przez badaczy.
Badacze wrócili do blastocyst i wstrzyknęli im szczurze komórki macierzyste. Gdy zwierzęta podrosły naukowcy monitorowali aktywność ich neuronów. Odkryli, że myszy miały funkcjonalne ścieżki neuronowe służące do wyczuwania węchu, składające się zarówno z komórek szczura, jak i myszy. Komórki te mogły komunikować się bezpośrednio między sobą.
Komórki macierzyste szczurów przywróciły węch myszy, ale na różny sposób, w zależności od modelu. W tym z wyciszeniem określonych genów, neurony myszy były obecne, ale nieaktywne. Neurony powstałe z komórek macierzystych szczurów stworzyły lepiej zorganizowane obszary mózgu w porównaniu z modelem, w którym usunięto geny. Ale podczas testów, w których chimera miała znaleźć ukryty smakołyk, model, w którym usunięto geny, lepiej sobie poradził.
- To sugeruje, że dodanie neuronów zastępczych nie jest rozwiązaniem typu plug and play. Jeśli chcesz funkcjonalnego zamiennika, być może będziesz musiał opróżnić dysfunkcjonalne neurony, które po prostu tam siedzą, co może mieć miejsce w przypadku niektórych chorób neurodegeneracyjnych, a także niektórych zaburzeń neurorozwojowych, takich jak autyzm i schizofrenia – wyjaśnia Baldwin. - Ten naprawdę zaskakujący wynik pozwala nam przyjrzeć się różnicom między tymi dwoma modelami chorób i spróbować zidentyfikować mechanizmy, które mogłyby pomóc w przywróceniu funkcji w przypadku obu typów – dodaje.
- W tej chwili w ramach badań klinicznych naukowcy przeszczepiają komórki macierzyste i neurony osobom chorym na chorobę Parkinsona i epilepsję. Ale tak naprawdę nie rozumiemy, jak dobrze to będzie działać. Dzięki naszym modelom mózgu możemy zacząć uzyskiwać odpowiedzi w szybszym tempie. Badanie to zapewnia system, w ramach którego możemy ocenić możliwości uzupełnienia mózgu tego samego gatunku na znacznie większą skalę niż badanie kliniczne – mówi Baldwin.
Uzupełnianie blastocyst jest wciąż dalekie od zastosowania klinicznego u ludzi, ale oba badania sugerują, że komórki macierzyste różnych gatunków mogą synchronizować swój rozwój z mózgiem żywiciela.
Wu i Baldwin twierdzą, że ich badania stanowią odpowiedź na utrzymujące się od dawna obawy związane z rozwojem chimer, szczególnie w celu przeszczepiania ludziom tkanek lub narządów zwierząt takich jak świnie. Oprócz względów etycznych istnieje obawa, że organizm ludzki odrzuci przeszczepiony narząd. Ponieważ zespoły dodały komórki szczura na tak wczesnym etapie rozwoju myszy – na długo przed utworzeniem układu odpornościowego w zarodkach – organizmy zwierząt nigdy nie nauczyły się rozpoznawać tych komórek jako obcych i nigdy ich nie atakowały.
Źródło: Nature, Columbia University, Cell Press, fot. Alexey Krasavin (AlexK100 on Flickr, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons
Twórz treści i zarabiaj na ich publikacji. Dołącz do WP Kreatora