Vedci vytvorili laboratórne ľudské mozgové tkanivo a transplantovali ho do špeciálne upravených myší. Tkanivo nielen prežilo a výrazne narástlo, ale vytvorilo funkčné spojenia s nervovým systémom zvierat. Najväčšie prekvapenie však prišlo neskôr. V ľudskom tkanive sa objavil vzácny typ neurónov, ktorý sa vedcom dovtedy nepodarilo vypestovať v laboratórnej kultúre.

Ako informovala agentúra Reuters, vedci zo Stanfordovej univerzity transplantovali laboratórne vypestované ľudské kortikálne organoidy do mozgov geneticky upravených myší. Nový experiment, publikovaný v prestížnom časopise Nature, má umožniť podrobnejšie skúmanie vývoja ľudského mozgu a mechanizmov ochorení, ako sú epilepsia, schizofrénia, detská mozgová obrna či niektoré poruchy autistického spektra.

Neboli to však myši s „ľudským mozgom“

Pri podobnom výskume je dôležité presne vysvetliť, čo vedci vlastne vytvorili.

Nešlo o transplantáciu celého ľudského mozgu ani o vytvorenie myši s ľudskou mysľou. Výskumníci pracovali s kortikálnymi organoidmi – trojrozmernými zhlukmi buniek vypestovanými z ľudských kmeňových buniek, ktoré napodobňujú niektoré bunkové a vývojové vlastnosti mozgovej kôry.

Organoidy vznikli z buniek získaných napríklad z kože alebo krvi, ktoré vedci najskôr preprogramovali na indukované pluripotentné kmeňové bunky. Tie sa následne dokážu diferencovať na rôzne typy buniek ľudského organizmu.

Vedci ich potom nasmerovali k vytvoreniu tkaniva pripomínajúceho vyvíjajúcu sa mozgovú kôru.

Ani označenie „miniatúrny mozog“ však nie je presné. Organoidy nereprodukujú celý ľudský mozog, jeho kompletnú štruktúru ani jeho komplexnosť.

Myšiam vytvorili v mozgu priestor

Práve tu sa nový experiment výrazne odlišoval od predchádzajúcich pokusov.

Vedci geneticky upravili myši tak, aby sa u nich nevytvorila väčšina buniek, z ktorých by za normálnych okolností vznikla mozgová kôra a hipokampus. V mozgu tak zostal priestor, do ktorého mohli krátko po narodení transplantovať ľudské kortikálne organoidy.

Tento prístup dostal názov xenokortikácia a samotné zvieratá vedci označujú ako xenokortikálne myši.

Ľudské tkanivo získalo podstatne viac priestoru na rast než pri predchádzajúcich experimentoch, pri ktorých sa organoidy transplantovali do zvierat s normálne vyvinutou mozgovou kôrou.

Výsledok bol výrazný. Ľudské tkanivo prežilo, rástlo a postupne sa integrovalo do nervového systému hostiteľských zvierat.

Tri mesiace po transplantácii tvorilo podľa Stanford Medicine viac ako 90 percent objemu kortikálneho tkaniva v mozgoch experimentálnych myší ľudské tkanivo.

Ľudské neuróny sa spojili s nervovým systémom myší

Ešte zaujímavejšie bolo to, čo ľudské bunky po transplantácii začali robiť.

Nevytvorili iba pasívnu masu tkaniva. Výskumníci zaznamenali organizovanú elektrickú aktivitu pripomínajúcu vyvíjajúce sa nervové okruhy.

Ľudské neuróny zároveň vytvárali rozsiahle spojenia s nervovým systémom myší a ich výbežky smerovali cez mozog dokonca až k mieche.

Takáto integrácia je pre výskumníkov dôležitá. Organoidy pestované iba v laboratórnej miske majú množstvo obmedzení – chýba im prirodzené krvné zásobenie, kontakt s celým nervovým systémom, senzorické vstupy a motorické výstupy a niektoré bunky v nich nedokážu dostatočne dozrieť.

Živý organizmus poskytuje podmienky, ktoré samotná laboratórna kultúra nedokáže úplne napodobniť.

Potom objavili bunky, ktoré tam nečakali

Jedno z najzaujímavejších zistení prišlo pri podrobnej analýze ľudského tkaniva.

Vedci v ňom objavili von Economove neuróny, mimoriadne vzácny typ nervových buniek.

Práve tento výsledok výskumníkov podľa Stanford Medicine ohromil. Tieto bunky sa predtým nepodarilo vytvoriť v bežnej laboratórnej kultúre a vedci ich poznali najmä zo skúmania mozgového tkaniva po smrti.

Von Economove neuróny sú veľké, charakteristicky tvarované bunky. U ľudí sa nachádzajú najmä v oblastiach mozgu spojených okrem iného so sociálnym vnímaním a rozhodovaním. Nie sú výlučne ľudské – nachádzajú sa aj u niektorých ďalších veľkých a sociálne komplexných živočíchov vrátane ľudoopov, slonov a veľrýb.

Zaujímavé sú aj z medicínskeho hľadiska. Predpokladá sa, že môžu byť obzvlášť zraniteľné pri niektorých formách frontotemporálnej demencie.

Nový model by preto mohol vedcom umožniť skúmať tieto vzácne bunky spôsobom, ktorý bol doteraz prakticky nemožný.

Vedci potom myšiam znížili prísun kyslíka

Výskumníci nový model hneď otestovali na probléme, pri ktorom existuje výrazný rozdiel medzi ľudským a myším mozgovým tkanivom.

Vyvíjajúci sa ľudský mozog môže byť mimoriadne citlivý na nedostatok kyslíka. Ak k nemu dôjde počas tehotenstva alebo v období okolo pôrodu, môže mať vážne neurologické následky.

Laboratórne myši sú však voči niektorým úrovniam nedostatku kyslíka podstatne odolnejšie. To komplikuje používanie bežných myších modelov na výskum poškodenia ľudského mozgu.

Xenokortikálne myši vedci preto vystavili piatim hodinám zníženej koncentrácie kyslíka.

Výsledok bol výrazný.

Ľudské kortikálne tkanivo utrpelo značné poškodenie a u zvierat sa objavili problémy so stabilitou chôdze a koordináciou pohybu. Bežné laboratórne myši a upravené myši bez transplantovaného ľudského tkaniva boli pri rovnakých podmienkach takmer neovplyvnené.

Experiment tak ukázal, že nový model dokáže zachytiť biologickú zraniteľnosť, ktorá je charakteristickejšia pre ľudské nervové bunky.

Môže pomôcť pri výskume vážnych ochorení

Potenciálne využitie je rozsiahle.

Vedci by mohli vytvárať organoidy z buniek konkrétnych pacientov, ktorí nesú genetické zmeny spojené s neurologickými alebo psychiatrickými ochoreniami.

Po transplantácii by následne mohli sledovať, ako tieto zmeny ovplyvňujú vývoj jednotlivých buniek, nervových okruhov a potenciálne aj správanie celého zvieraťa.

Výskumníci vidia možnosti pri skúmaní autizmu, epilepsie, schizofrénie, detskej mozgovej obrny či frontotemporálnej demencie, ako aj pri testovaní potenciálnych liečebných postupov.

To však neznamená, že nový experiment už priniesol liečbu týchto ochorení. Ide predovšetkým o nový výskumný model, ktorého možnosti a limity bude potrebné ďalej skúmať.

Experiment otvára aj zložité etické otázky

Čím viac sa ľudské nervové tkanivo dokáže integrovať do mozgu zvieraťa, tým dôležitejšia je otázka, kde by mali byť hranice podobného výskumu.

Autori štúdie preto upozorňujú na dve základné oblasti.

Prvou je dobré zaobchádzanie so zvieratami. Experiment musí mať dostatočné vedecké opodstatnenie, utrpenie zvierat musí byť minimalizované a podobné postupy by sa mali používať vtedy, keď požadované informácie nemožno primerane získať alternatívnym spôsobom.

Druhá otázka je ešte komplikovanejšia: mohlo by čoraz komplexnejšie ľudské nervové tkanivo integrované do zvieracieho mozgu niekedy vytvoriť neočakávané schopnosti alebo vlastnosti?

Vedci túto možnosť berú vážne. Experimenty preto prebiehali po konzultáciách s bioetikmi a podľa príslušných etických pravidiel. Autori zároveň odporúčajú, aby podobný výskum aj v budúcnosti sprevádzala dôsledná etická kontrola.

Myši zostali myšami

Samotný Sergiu Pașca upozornil, že výrazy ako „myši s ľudským mozgom“ alebo „humanizované myši“ sú zavádzajúce.

Zvieratá si zachovali myší nervový systém. Obsahovali však veľké množstvo transplantovaného ľudského kortikálneho tkaniva, ktoré rástlo, diferencovalo sa a vytváralo funkčné spojenia.

Pri testoch sa xenokortikálne myši vo všeobecnosti pohybovali podobne ako normálne myši, hoci vedci zaznamenali určité rozdiely v koordinácii končatín a organizácii spontánneho správania.

Práve možnosť sledovať ľudské nervové bunky v živom a fungujúcom nervovom systéme môže byť najväčšou hodnotou experimentu.

Výskum totiž vedcom poskytuje niečo, čo sa získava mimoriadne ťažko – možnosť sledovať vývoj ľudského mozgového tkaniva v živom organizme bez experimentovania na ľudskom mozgu.