Zespół inżynierów i neuronaukowców po raz pierwszy wykazał, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione myszom nawiązały funkcjonalną łączność z korą zwierząt i reagowały na zewnętrzne bodźce czuciowe. Wszczepione organoidy reagowały na bodźce wzrokowe w taki sam sposób, jak otaczające je tkanki. Naukowcy byli w stanie dokonać obserwacji w czasie rzeczywistym przez kilka miesięcy dzięki innowacyjnej konfiguracji eksperymentalnej, która łączy przezroczyste układy mikroelektrod grafenowych i obrazowanie dwufotonowe.
Zespół kierowany przez Duygu Kuzuma, wykładowcę na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, szczegółowo opisuje swoje odkrycia w numerze czasopisma Nature Communications z 26 grudnia. Zespół Kuzuma współpracował z naukowcami z laboratorium Anny Devor na Uniwersytecie Bostońskim; Laboratorium Alysson R. Muotri w UC San Diego; oraz laboratorium Freda H. Gage’a w Salk Institute.
Ludzkie organoidy korowe pochodzą z indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych komórek macierzystych, które zwykle same pochodzą z komórek skóry. Te organoidy mózgowe pojawiły się ostatnio jako obiecujące modele do badania rozwoju ludzkiego mózgu, a także szeregu schorzeń neurologicznych.
Jednak do tej pory żaden zespół badawczy nie był w stanie wykazać, że organoidy ludzkiego mózgu wszczepione w korze myszy były w stanie dzielić te same właściwości funkcjonalne i reagować na bodźce w ten sam sposób. Wynika to z faktu, że technologie wykorzystywane do rejestrowania funkcji mózgu są ograniczone i generalnie nie są w stanie rejestrować aktywności, która trwa zaledwie kilka milisekund.
Zespół kierowany przez UC San Diego był w stanie rozwiązać ten problem, opracowując eksperymenty łączące macierze mikroelektrod wykonane z przezroczystego grafenu i obrazowanie dwufotonowe, technikę mikroskopii, która może obrazować żywą tkankę o grubości do jednego milimetra.
„Żadne inne badanie nie było w stanie rejestrować optycznie i elektrycznie w tym samym czasie” – powiedziała Madison Wilson, pierwsza autorka artykułu i doktorantka. student w grupie badawczej Kuzuma na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. „Nasze eksperymenty ujawniają, że bodźce wzrokowe wywołują reakcje elektrofizjologiczne w organoidach, pasujące do odpowiedzi z otaczającej kory mózgowej”.
Naukowcy mają nadzieję, że to połączenie innowacyjnych technologii rejestracji neuronowej do badania organoidów posłuży jako wyjątkowa platforma do wszechstronnej oceny organoidów jako modeli rozwoju i chorób mózgu oraz zbadania ich zastosowania jako protez neuronowych do przywracania funkcji utraconym, zdegenerowanym lub uszkodzonym obszarom mózgu .
„Ta eksperymentalna konfiguracja otwiera bezprecedensowe możliwości badania dysfunkcji na poziomie ludzkiej sieci neuronowej leżących u podstaw rozwojowych chorób mózgu” – powiedział Kuzum.
Laboratorium Kuzuma po raz pierwszy opracowało przezroczyste elektrody grafenowe w 2014 roku i od tego czasu rozwija technologię. Naukowcy wykorzystali nanocząsteczki platyny do 100-krotnego obniżenia impedancji elektrod grafenowych przy jednoczesnym zachowaniu ich przezroczystości. Elektrody grafenowe o niskiej impedancji są w stanie rejestrować i obrazować aktywność neuronów zarówno na poziomie makroskali, jak i pojedynczych komórek.
Umieszczając układ tych elektrod na wierzchu przeszczepionych organoidów, naukowcy byli w stanie rejestrować elektryczną aktywność neuronów zarówno wszczepionego organoidu, jak i otaczającej kory gospodarza w czasie rzeczywistym. Za pomocą obrazowania dwufotonowego zaobserwowali również, że mysie naczynia krwionośne wrastały w organoid, dostarczając niezbędne składniki odżywcze i tlen do implantu.
Naukowcy zastosowali bodziec wzrokowy – optyczną białą diodę LED – myszom z wszczepionymi organoidami, podczas gdy myszy były pod mikroskopem dwufotonowym. Zaobserwowali aktywność elektryczną w kanałach elektrod nad organoidami, pokazując, że organoidy reagowały na bodziec w taki sam sposób, jak otaczająca je tkanka. Aktywność elektryczna rozprzestrzeniała się z obszaru najbliższego kory wzrokowej w obszarze wszczepionych organoidów poprzez połączenia funkcjonalne. Ponadto ich technologia przezroczystych elektrod grafenowych o niskim poziomie szumów umożliwiła rejestrację elektryczną aktywności skokowej z organoidu i otaczającej kory mózgowej myszy. Nagrania grafenowe wykazały wzrost mocy oscylacji gamma i blokowanie fazy skoków z organoidów do powolnych oscylacji z kory wzrokowej myszy. Odkrycia te sugerują, że organoidy nawiązały połączenia synaptyczne z otaczającą tkanką kory mózgowej trzy tygodnie po implantacji i otrzymały funkcjonalne informacje z mózgu myszy. Naukowcy kontynuowali te chroniczne multimodalne eksperymenty przez jedenaście tygodni i wykazali funkcjonalną i morfologiczną integrację wszczepionych organoidów ludzkiego mózgu z korą myszy gospodarza.
Kolejne kroki obejmują dłuższe eksperymenty z wykorzystaniem modeli chorób neurologicznych, a także włączenie obrazowania wapnia do zestawu eksperymentalnego w celu wizualizacji skokowej aktywności neuronów organoidalnych. Można również zastosować inne metody do śledzenia projekcji aksonalnych między organoidem a korą myszy.
„Wyobrażamy sobie, że w przyszłości ta kombinacja komórek macierzystych i technologii neurorejestracji zostanie wykorzystana do modelowania chorób w warunkach fizjologicznych, badania potencjalnych metod leczenia organoidów specyficznych dla pacjenta oraz oceny potencjału organoidów w przywracaniu określonych utraconych, zdegenerowanych lub uszkodzonych regiony mózgu” – powiedział Kuzum.
Prace zostały sfinansowane przez Narodowe Instytuty Zdrowia i Norweską Radę ds. Badań Naukowych oraz Narodową Fundację Nauki.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Kalifornijski – San Diego. Oryginał napisany przez Ioanę Patringenaru. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.