Badania nad ludzkim układem nerwowym od lat korzystają z organoidów mózgowych. Ich podstawową zaletą jest możliwość obserwowania rozwoju i właściwości ludzkich komórek w warunkach laboratoryjnych. Ograniczeniem pozostaje jednak brak pełnego środowiska organizmu – organoidy nie mają własnego, funkcjonalnego układu krążenia, nie odbierają bodźców w sposób porównywalny z tkanką w żywym mózgu i nie są częścią obwodów neuronalnych generujących zachowanie. Drugim podejściem jest wykorzystanie humanizowanych modeli zwierzęcych, które rozwiązują ograniczenia związane z izolacją, ale nie są idealnym przełożeniem dla człowieka. Celem badaczy było więc stworzenie nowego modelu pozwalającego analizować rozwój ludzkich komórek nerwowych, ich reakcję na uszkodzenia oraz potencjalne działanie terapii w żywym organizimie. 

Co dodatkowo wyróżnia badanie amerykańskich naukowców pod kierownictwem Kaganovsky'ego kontynuującego badania Sergiu P. Pașcy? Jest to przede wszystkim skala integracji ludzkiej tkanki z organizmem gospodarza: tworzenie nowych obwodów elektrycznych, naczyń krwionośnych, obecność projekcji neuronalnych pochodzenia ludzkiego w rdzeniu kręgowym myszy przekraczających miejscowe wszczepienie i pojawienie się komórek podobnych morfologicznie do neuronów von Economo (VEN) oraz innych komórek nerwowych pochodzenia ludzkiego.

Mniej konkurencji, większa integracja

Transplantacja ludzkich organoidów do mózgu gryzoni nie jest nową metodą. Już w 2022 r. zespół Sergiu P. Pașcy wykazał, że ludzkie organoidy korowe wszczepione do mózgu młodych szczurów mogą dojrzewać, odbierać sygnały z układu nerwowego gospodarza i tworzyć z nim funkcjonalne połączenia. Ograniczeniem takich modeli była jednak konkurencja między komórkami już obecnymi a wszczepionymi hCOs. Te obcego pochodzenie nie miały wystarczająco miejsca, a komórki zwierzęcia miały przewagę w postaci preferowanych połaczeń, dzięki czemu pierwsze się rozwijały i mogły wcześniej zająć dostępne nisze. W nowym modelu problem ten został częściowo rozwiązany. Obrazowanie MRI pokazało, że przeszczepy przyjmowały się u 86,2% z 29 myszy. Pomiędzy drugim a trzecim miesiącem po transplantacji ich objętość wzrosła ok. 4,7-krotnie. Po trzech miesiącach tkanka pochodzenia ludzkiego stanowiła 91,9% łącznej objętości tkanki korowej w pozostawionej przestrzeni korowej. Nie oznacza to jednak, że ok. 90% to był mózg pochodzenia ludzkiego.

Sama obecność przeszczepu nie byłaby jeszcze szczególnie przełomowa. Najważniejsze pytanie brzmiało, czy ludzka tkanka rzeczywiście włączy się w układ nerwowy gospodarza? Badacze zastosowali m.in. obrazowanie MRI, profilowanie molekularne, sekwencjonowanie RNA pojedynczych jąder komórkowych, obrazowanie aktywności wapniowej oraz rejestracje elektrofizjologiczne i testy behawioralne. Zespół wykrył, że ludzka ścieżka aksonów była szeroko rozciągnięta, ponieważ włókna nerwowe przechodziły przez wzgórze, jądra podstawy, a u niektórych osobników – sięgały do pnia mózgu i rdzenia kręgowego poza odcinek szyjny. W przeszczepionej tkance wykryto zróżnicowane populacje ludzkich komórek korowych, w tym neurony glutaminergiczne odpowiadające różnym warstwom kory, komórki glejowe oraz komórki progenitorowe. Mówiąc prościej, ludzkie komórki zachowały się tak jak u nas, tj. neurony odpowiedzialne za projekcje dalekosiężne różnicowały się w obrębie tkanki i zachowały się analogicznie jak u ludzi. Jednym z ciekawszych wyników było wykrycie komórek przypominających morfologicznie neurony von Economo oraz obecność neuronów warstwy 5 o projekcjach pozatelencefalicznych (z ang. layer 5 extratelencephalic, L5-ET). Obydwie struktury są bardzo trudne do odtwarzane w standardowych organoidach hodowanych i modelach zwierzęcych. VEN to duże, wyspecjalizowane neurony znajdywane tylko u dużych ssaków, które posiadają zaawansowane zachowania społeczne, takich jak ludzie, słonie lub wieloryby. To, że są one pochodzenia ludzkiego, umożliwia badanie procesów komórkowych i zachowań oraz leczenie w kontekście możliwym do odniesienia się do człowieka. 

Wpływ obecności hCO na zachowanie myszy badano za pomocą szeregu testów behawioralnych. W labiryncie Y, jako podstawie do badania pamięci roboczej, myszy apallialne nie wykonywały naprzemiennych wejść do ramion powyżej poziomu losowego, podczas gdy myszy ksenokortykalne osiągały wynik powyżej przypadku i radziły sobie ogólnie lepiej mimo braku „oryginalej” kory mózgowej i hipokampu. Wyniki badania wskazują, że skonstruowany model pozwala uzyskać mierzalne różnice w zachowaniu, ale nie oznacza prostego „przywrócenia pamięci” przez ludzką tkankę. Kolejnym wynikiem testu, na który warto zwrócić uwagę, jest wykorzystanie myszy ksenokortykalnych do modelowania encefalopatii niedotlenieniowej, w tym uszkodzeń związanych z niedotlenieniem okołoporodowym mogącym prowadzić do mózgowego porażenia dziecięcego. Po 5-godzinnej ekspozycji na 5% tlenu w tkankach pochodenia ludzkiego, w przeciwieństwie do tkanek mysich, zaobserwowano m.in. wyraźną ekspresję HIF1α oraz zwiększoną aktywność mikrogleju i astrocytów. Dowodzi to, że hCO w myszach mimo integracji wykazuje w pewnym stopniu pierwotne mechanizmy i izolacje oraz może przedstawić mierzalną odpowiedź komórkową i behawioralną na zadany stres fizjologiczny.

Czy myszy zyskały ludzkie funkcje? 

Tutaj należy się zatrzymać i zaznaczyć, że myszy nie dostały nagle ludzkiej świadomości. Mimo rozległej integracji przeszczepiona tkanka nawet po około pół roku pozostawała rozwojowo niedojrzała. Analizy transkryptomiczne wskazywały na stan odpowiadający mniej więcej późnemu drugiemu trymestrowi rozwoju ludzkiego mózgu (18–24. tydzień ciąży), a badana tkanka nie tworzyła w pełni dojrzałej, prawidłowo warstwowej kory. Została opisana jako nierówne skupiska bez uformowanej konkretnej struktury. Drugim ograniczeniem, ważnym do uwzględnienia, jest to, że hCO wszczepiano już po narodzinach, we wczesnym okresie postnatalnym (5–17. dzień), a nie do zarodka. Uzyskujemy model, w którym ludzka tkanka korowa może rozwijać się i integrować z układem nerwowym myszy, bez integracji bezpośrednio w zarodek.

Co zyskaliśmy? 

Prof. Sergiu P. Pașcy w wywiadzie dla ScienceAlert przedstawia wyniki jako nowe możliwości do badania zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych, których nie da się badać w formalnych modelach zwierzęcych oraz hodowlach komórkowych. Wszczepione tkanki pochodzenia ludzkiego z organoidów mogą w rozwijającym się, odpowiednio zmodyfikowanym organizmie zwierzęcym osiągnąć dużą skalę, różnicować się w wiele typów komórek, tworzyć połączenia z układem nerwowym gospodarza i generować mierzalną aktywność na poziomie komórkowym, obwodów oraz zachowania. Do tej niezwykłej uwagi trzeba dodać, że to neurony von Economo obumierają w otępieniach skroniowo-czołowych (z ang. frontotemporal dementia, FTD) oraz są ważnym aspektem w zaburzeniach psychicznych. Naukowiec zaznacza, że wygenerowanie struktur tak zaawansowanych u modeli zwierzęcy może umożliwić badanie w szerszym stopniu FTD, padaczki opornej na leczenie oraz autyzmu i schizofrenii. To czyni z myszy ksenokortykalnych interesujące narzędzie do badania rozwoju mózgu i mechanizmów chorób u ludzi.