Här odlar forskarna minihjärnor
Genom att odla hjärnsubstans vill österrikiska forskare revolutionera forskningen inom neurosjukdomar, läkemedelsutveckling och samtidigt ersätta djurförsök.
Hjärncellerna formar en minihjärna som uppmäter 3-4 millimeter i diameter och motsvarar hjärnans utveckling hos ett nio veckor gammalt foster. Cellerna har också växt upp i 3D-formation som tillsammans med sin storlek och livslängd gör forskarnas bedrift unik. För det är inte första gången forskare försöker odla mänsklig hjärnvävnad.
Hjärnceller behöver en mycket speciell miljö för att kunna utvecklas och ofta är det odlingsmiljön som sätter stopp för utvecklingen av embryonala vävnader och stamceller. Nyckeln till de österrikiska forskarnas framgång var att de ändrade den etablerade metoden. Efter att ha genererat så kallade neuroektoderm, ett cellskikt som ligger till grund för hela nervsystemet, utifrån stamcellerna förvarades neuroektoderm-fragment i en 3D-kultur som efterliknar miljön för embryon. Därefter tillsatte forskarna näring genom droppar av en specifik gel som administrerades i en snurrande bioreaktor för att tillföra syre. Inom tre till fyra veckor kunde de urskilja definierade områden i hjärnan i sina provrör.
- Resultaten var mycket större än vad forskare tidigare lyckats med. Vi kunde se cerebrala organoider som är karakteristiska för hjärnvävnader som hjärnbarken, näthinnan, hjärnhinnor och plexus koroidea, säger försteförfattaren Madeleine Lancaster under presskonferensen som hölls inför publiceringen i Nature.
Anledningen till att forskargruppen började utveckla metoden för hjärncellsodling är att de såg en brist i användningen av djurmodeller för att studera neurodegenerativa sjukdomar hos människa. Färsk forskning har visat att utvecklingen av den mänskliga hjärnan är väldigt olik utvecklingen av tillexempel mushjärnor. Det förklarar bland annat varför våra hjärnor är så mycket större än hjärnor hos möss och innebär samtidigt att mushjärnan inte alltid är ett bra modellsystem för att studera den mänskliga hjärnan och dess sjukdomar. Forskargruppen studerade ursprungligen den ärftliga neurologiska sjukdomen mikrocefali som uppstår i fosterstadie och som hämmar utvecklingen av hjärnan. Resultatet av sjukdomen är att både huvud och hjärna blir mindre än hos en frisk person, vilket också medför vissa utvecklingsstörningar, men att ansiktet växer som hos en frisk person.
När forskarna testade sin cellodlingsmetod använde de hudceller från en mikrocefalipatient och backade tillbaka dem till ett stadie som pluripotenta stamceller. Därefter lät forskarna dem utvecklas till cerebrala organoider för att jämföra med friska patienter.
- Det jag omedelbart kunde se var att de cerebrala organoiderna från mikrocefalipatienten var mycket mindre än organoiderna från den friska personen. Detta för att mikrocefalipatientens hjärnsubstans redan i tidigt skede börjat skapa neuroner istället för att låta stamcellerna utvecklas och blir fler som det vanligtvis görs hos friska personer, säger Madeleine Lancaster.
Forskarna ser att de odlade minihjärnorna kan användas även inom andra områden som rör sjukdomar i hjärnan, såsom autism, schizofreni, Alzheimers och Parkinson. Jürgen Knoblich, som koordinerat forskningen, berättade under presskonferensen att ett vanligt missförstånd är att autism uppstår först i vuxen ålder, men att det finns tecken på att underliggande orsaker till sjukdomen uppstår redan i tidig utveckling av hjärnan.
- Vi är övertygade om att vi kan återskapa några av dessa defekter i våra modeller, säger Jürgen Knoblich.
Han ser också fler användningsområden för cellodlingsmetoden. Bland annat inom läkemedelsutvecklingen då läkemedelsubstanser ofta testas på djurmodeller eller isolerade mänskliga celler.
- Med vår metod kan man testa läkemedel direkt i mänsklig miljö och på så vis undvika djurförsök samtidigt som man får bättre resultat som kan tillämpas inför tester på patienter, säger han.
För att testa funktionaliteten hos minihjärnorna har forskarna använt kalciumbaserad avbildning där de genom flourescencefärgning kunde se att neuronerna skickade signaler.
- Vi gick också vidare och såg att neurotransmittorer ökade aktiviteten hos neuronerna och att vi genom att hämma synapserna kunde stänga av aktiviteten. Av det drog vi slutsatsen att neuronerna var aktiva och att synapserna var nödvändiga för deras aktivitet, säger Jürgen Knoblich.
Även om forskarna spår att möjligheterna är oändliga är de ödmjuka för att de fortfarande har en bit kvar att gå. Att hjärnsubstansen bara lever i tio månader och inte blir större än 3-4 millimeter är nästa utmaning och Jürgen Knoblich menar att det är långt kvar innan man kan odla hjärnceller i syfte att ersätta skadad vävnad eller delar av hjärnan.
- Det vore toppen om man kunde göra det. Men komplexiteten i hjärnan tillåter inte att delar ersätts eftersom olika delar av hjärnan är väldigt integrerade med varandra och det finns axoner som löper tvärs igenom. Så det är väldigt svårt att ersätta delar.
Också det att organoiderna utvecklas olika gör att det är svårt att förutspå resultatet av försöken och även att få in näring till minihjärnornas mitt.
- De praktiska problemen ser jag inte som omöjliga. Det gäller bara att hitta lösningar på problemen som uppstår. Men sen finns det etiska problem som är en svårare fråga.
Jürgen Knoblich understryker att även om det skulle vara praktiskt möjligt att skapa hela mänskliga hjärnor, och på längre sikt kanske hjärnor med medvetande, så är det inte försvarbart ur etisk synpunkt.
Studien publiceras i denna veckas utgåva av den ansedda tidskriften Nature.
Titel: Cerebral organoids model human brain development and microcephaly.
M. A. Lancaster, M. Renner, C.-A. Martin, D. Wenzel, L. S. Bicknell, M. E. Hurles, T. Homfray, J. S. Penninger, A. P. Jackson & J. A. Knoblich.
Nature, doi: 10.1038/nature12517
