Jeśli myszy kiedykolwiek zastanawiały się, jak to jest doświadczać świata jako szczur, niektórym udało się teraz spełnić to marzenie, przynajmniej jeśli chodzi o zmysł węchu.
Naukowcy pod kierownictwem Kristin Baldwin z Uniwersytetu Columbia stworzyli myszy z mózgami hybrydowymi – po części myszami, po części szczurami – które wyczuwają zapachy świata za pomocą szczurzych neuronów.
Jest to pierwszy raz, kiedy zwierzę jest w stanie wykorzystać aparat zmysłów innej osoby do wyczuwania świata i dokładnego reagowania na niego, co jest dowodem na to, jak elastyczny może być mózg w integrowaniu zewnętrznych komórek mózgowych.
„Badania te zaczynają nam pokazywać, w jaki sposób możemy zwiększyć elastyczność mózgu, aby mógł on przyjmować inne rodzaje danych wejściowych, takie jak interfejsy człowiek-maszyna czy przeszczepione komórki macierzyste” – mówi Baldwin, profesor genetyki i rozwoju na Columbia University Vagelos Kolegium Lekarzy i Chirurgów.
Cele hybrydowe
Jednym z największych wyzwań w zrozumieniu i leczeniu chorób ludzkiego mózgu jest to, że nie da się w pełni zrozumieć tych zaburzeń przy użyciu obecnych metod badawczych.
„Mamy piękne modele komórek w naczyniach i hodowle 3D zwane organoidami i oba mają swoje zalety”, mówi Baldwin, „ale żaden z nich nie pozwala określić, czy komórki naprawdę funkcjonują na najwyższym poziomie”.
Mózgi hybrydowe pozwolą naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób komórki mózgowe chorują lub umierają, a także lepiej zrozumieć zasady naprawy i wymiany części mózgu.
„W tej chwili badacze przeszczepiają komórki macierzyste i neurony osobom chorym na chorobę Parkinsona i epilepsję. Nie wiemy jednak, jak dobrze to zadziała” – dodaje. „Dzięki hybrydowym modelom mózgu możemy zacząć uzyskiwać odpowiedzi w szybszym tempie niż badanie kliniczne”.
Tworzenie mózgów hybrydowych
Naukowcy stworzyli już mózgi hybrydowe, wstrzykując neurony lub przeszczepiając organoidy mózgowe wielkości grochu z jednego gatunku do rozwijającego się lub w pełni ukształtowanego mózgu myszy lub szczura.
„Te eksperymenty pokazały nam, że mamy pewne ograniczenia co do tego, kiedy i w jaki sposób możemy dodawać komórki mózgowe do istniejącego mózgu” – mówi Baldwin. „Jeśli mózg rozwinął się do pewnego stopnia, przeszczepione komórki niekoniecznie łączą się ze sobą w odpowiedni sposób”.
Zamiast tego zespół Baldwina wprowadził szczurze komórki macierzyste do blastocyst myszy. Jest to wczesny etap rozwoju, który następuje zaledwie kilka godzin po zapłodnieniu, dzięki czemu komórki szczura i myszy mogą rosnąć razem i integrować się samodzielnie.
Technika ta, zwana komplementacją blastocysty, jest podobna do techniki stosowanej do tworzenia myszy z ludzkim układem odpornościowym, która okazała się potężnym narzędziem badawczym. Jednak do czasu tego badania technika ta nie okazała się skuteczna w tworzeniu mózgów hybrydowych dwóch różnych gatunków.
„To, co robimy, jest naprawdę nowatorskie” – mówi Baldwin.
Neurony szczurów przywracają zmysł węchu u myszy
W pierwszych eksperymentach hybrydowych zespół zbadał, gdzie w mózgu myszy pojawiają się neurony szczurów. Szczury rozwijają się wolniej i mają większe mózgi, ale u myszy komórki szczurów postępowały zgodnie z instrukcjami myszy, przyspieszając ich rozwój i tworząc ten sam rodzaj połączeń, co ich mysie odpowiedniki.
„Można było zobaczyć komórki szczurów w prawie całym mózgu myszy, co było dla nas dość zaskakujące” – mówi Baldwin. „Mówi nam to, że istnieje niewiele barier utrudniających wstawienie, co sugeruje, że wiele rodzajów neuronów myszy można zastąpić podobnym neuronem szczura”.
Następnie naukowcy sprawdzili, czy neurony szczurów zostały zintegrowane z funkcjonalnym obwodem nerwowym, w tym przypadku częścią układu węchowego, który jest niezbędny myszom do znajdowania pożywienia i unikania drapieżników. Inżynierując embrion myszy tak, aby zabijał lub dezaktywował własne neurony węchowe, badacze mogli z łatwością ustalić, czy neurony szczura przywróciły zwierzętom zmysł węchu.
„W każdej klatce myszy ukryliśmy ciasteczko i byliśmy bardzo zaskoczeni, gdy zobaczyliśmy, że udało im się je znaleźć za pomocą neuronów szczurów” – mówi Baldwin.
Jednak niektórym myszom udało się znaleźć ciasteczko lepiej niż innym. Naukowcy odkryli, że myszy, które zachowały własne, wyciszone neurony węchowe, były mniej skuteczne w znajdowaniu ukrytych ciasteczek niż myszy, których neurony węchowe zostały zaprojektowane tak, aby znikały w trakcie rozwoju.
„To sugeruje, że dodanie neuronów zastępczych nie jest rozwiązaniem typu plug and play” – mówi Baldwin. „Jeśli chcesz funkcjonalnego zamiennika, być może będziesz musiał opróżnić dysfunkcyjne 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”.
Dzięki hybrydowemu systemowi mózgowemu stworzonemu przez zespół Baldwina badacze mogą teraz używać myszy do dokładnej analizy tego, co wydarzyło się w różnych modelach, co może ostatecznie pomóc w poprawie powodzenia przeszczepiania ludzkich komórek.
Hybrydy naczelnych?
Wadą nowego hybrydowego układu mózgowego jest to, że komórki szczura były losowo rozmieszczone u każdego zwierzęcia, co stanowiło przeszkodę w rozszerzeniu tych badań na inne układy czuciowe i nerwowe w mózgu. Laboratorium Baldwina próbuje obecnie znaleźć sposoby na spowodowanie, aby wprowadzone komórki rozwinęły się w tylko jeden typ komórek, co może pozwolić na bardziej precyzyjne eksperymenty.
Jeśli w mózgach hybrydowych można będzie ograniczyć rozwój wprowadzonych komórek, może to również otworzyć drzwi do tworzenia mózgów hybrydowych z neuronami naczelnych. „Pomogłoby nam to jeszcze bardziej zbliżyć się do zrozumienia chorób ludzkich” – mówi Baldwin.