Ludzki mózg dojrzewa w tempie niemal absurdalnie wolnym w porównaniu z większością innych narządów i wieloma innymi gatunkami. Jego rozwój nie kończy się wraz z narodzinami dziecka ani nawet kilka miesięcy później. Przebudowa połączeń neuronalnych, dojrzewanie komórek, mielinizacja i zmiany w regulacji genów trwają przez lata, a pełna dojrzałość części struktur mózgu osiągana jest dopiero po kilkunastu, a nawet około dwudziestu latach życia.
Ta wyjątkowo długa skala czasowa stanowi ogromny problem dla naukowców. Najważniejszych etapów rozwoju ludzkiego mózgu nie można po prostu obserwować eksperymentalnie wewnątrz żyjącego człowieka, a modele zwierzęce nie odtwarzają w pełni charakterystycznego dla naszego gatunku, niezwykle powolnego tempa dojrzewania układu nerwowego.
Jednym z rozwiązań są organoidy mózgowe – niewielkie, trójwymiarowe struktury hodowane z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych. Nie są one miniaturowymi ludzkimi mózgami w dosłownym znaczeniu. Nie posiadają całej anatomii mózgu, połączenia z ciałem, narządów zmysłów ani pełnego zestawu sygnałów występujących podczas naturalnego rozwoju. Potrafią jednak wytwarzać wiele typów komórek charakterystycznych dla ludzkiej tkanki nerwowej i odtwarzać część programów rozwojowych zachodzących w korze mózgowej.
Dotychczas możliwości tej technologii ograniczał przede wszystkim czas. Większość eksperymentów z organoidami obejmowała tygodnie lub miesiące, podczas gdy ludzki mózg rozwija się przez lata. Szczególnie trudno było utrzymać przez długi czas zdrowe neurony, które z czasem zaczynały zanikać w sztucznych hodowlach.
Zespół kierowany przez Paolę Arlottę z Harvard University i Broad Institute przesunął tę granicę w spektakularny sposób. Naukowcy utrzymywali ludzkie organoidy kory mózgowej przez ponad pięć lat, a w niektórych hodowlach wykrywali neurony nawet po około 5,8 roku. Następnie sprawdzili, czy tkanka jedynie przeżywa, czy naprawdę nadal się rozwija.
Wynik okazał się znacznie ciekawszy niż samo ustanowienie rekordu długowieczności. Komórki organoidów nie zatrzymały swojego biologicznego zegara w chwili umieszczenia ich w laboratorium. Przez kolejne lata zmieniały ekspresję genów i epigenom w sposób przypominający dojrzewanie komórek prawdziwego ludzkiego mózgu. Co więcej, część komórek zachowywała coś, co naukowcy opisują jako pamięć czasu rozwojowego.
Organoid mózgowy nie jest małym człowiekiem ani „mózgiem w słoiku”
Zanim przejdziemy do najbardziej niezwykłych wyników eksperymentu, warto wyjaśnić, czym właściwie jest organoid mózgowy. Popularne określenie „miniaturowy mózg” jest chwytliwe, ale może prowadzić do bardzo błędnych wyobrażeń.
Organoid powstaje z pluripotencjalnych komórek macierzystych – komórek posiadających zdolność różnicowania się w wiele różnych typów tkanek. Odpowiednio dobrane warunki hodowli i zestaw sygnałów chemicznych kierują je w stronę rozwoju charakterystycznego dla układu nerwowego. Komórki zaczynają się namnażać, różnicować i samoorganizować w przestrzenną strukturę zawierającą między innymi progenitory neuronalne, neurony, astrocyty oraz inne komórki związane z rozwojem kory mózgowej.
Powstaje coś niezwykle wartościowego eksperymentalnie: fragment tkanki zachowujący część biologicznych reguł prawdziwego ludzkiego mózgu, który można obserwować, analizować i modyfikować w laboratorium.
Nie powstaje jednak pełny mózg. Organoid nie posiada czaszki, naczyń krwionośnych odpowiadających naturalnej sieci mózgowej, całej organizacji anatomicznej ludzkiego układu nerwowego ani normalnych połączeń z oczami, uszami, mięśniami i resztą organizmu. Nie otrzymuje też strumienia doświadczeń sensorycznych, który od chwili narodzin intensywnie kształtuje rozwój mózgu człowieka.
Nowe badanie również nie dostarcza dowodu na powstanie świadomości czy myślenia w takich strukturach. Naukowcy badali dojrzewanie komórek, ekspresję genów, epigenetykę, budowę neuronów oraz ich aktywność elektryczną. To bardzo dużo, ale nie jest tym samym co stworzenie funkcjonującego ludzkiego mózgu.
Największym problemem był czas
Organoidy mózgowe istnieją w badaniach naukowych już od lat i stały się niezwykle ważnym narzędziem biologii rozwojowej. Problem polegał na tym, że dobrze odtwarzały przede wszystkim stosunkowo wczesne etapy rozwoju.
To poważne ograniczenie. Jeżeli chcemy badać proces zachodzący w mózgu noworodka, kilkuletniego dziecka albo późniejsze konsekwencje zaburzeń powstających na bardzo wczesnym etapie życia, model przypominający wyłącznie mózg płodowy może nie wystarczyć.
Wcześniej pojedyncze eksperymenty utrzymywały organoidy przez około dwa lata, ale długotrwałe hodowle wiązały się z utratą wielu populacji neuronalnych. Neurony są komórkami wymagającymi. Potrzebują odpowiedniego środowiska metabolicznego, aktywności, składników odżywczych i warunków umożliwiających tworzenie oraz utrzymywanie synaps.
Zespół Paoli Arlotty postanowił więc zadać podstawowe pytanie: co się stanie, jeżeli organoidowi pozwolimy rozwijać się nie przez kilka miesięcy, lecz przez kilka lat?
Eksperyment trwał ponad pięć lat
Badacze wyhodowali organoidy reprezentujące rozwój ludzkiej kory mózgowej i utrzymywali część z nich w laboratorium przez okres przekraczający pięć lat. Materiał pobierano na kolejnych etapach – między innymi po sześciu i dziewięciu miesiącach oraz po roku, półtora roku, dwóch, trzech, czterech i pięciu latach.
Następnie przeprowadzono bardzo szczegółową analizę pojedynczych komórek.
Łącznie zestaw danych obejmował 110 organoidów i 424 720 komórek analizowanych w 16 punktach czasowych – od około 15 dni hodowli aż do pięciu lat.
Nie chodziło więc o prostą obserwację pod mikroskopem, że „kawałek tkanki nadal żyje”. Naukowcy mogli sprawdzić, jakie typy komórek występują w organoidach, które geny są w nich aktywne, jak wraz z upływem czasu zmienia się epigenom i czy proces ten przypomina to, co dzieje się w prawdziwym ludzkim mózgu.
Komórki zachowywały się tak, jakby naprawdę wiedziały, ile mają lat
Pierwszy bardzo mocny wynik pojawił się podczas analizy ekspresji genów. Naukowcy porównali programy aktywności genów w organoidach z dużymi zestawami danych pochodzących z prawdziwej ludzkiej kory mózgowej rozwijającej się przed narodzinami i po nich.
Powstał swoisty molekularny kalendarz.
Najmłodsze organoidy, hodowane przez około 15 dni do dwóch miesięcy, najbardziej przypominały pod względem transkrypcyjnym tkankę ludzkiego mózgu z pierwszego trymestru ciąży. Organoidy mające od trzech do sześciu miesięcy przesuwały się w stronę profilu typowego dla drugiego trymestru.
Po dziewięciu miesiącach i w kolejnych latach zaczęły natomiast stopniowo pojawiać się wzorce charakterystyczne dla późnego okresu prenatalnego i okresu po narodzinach. Szczególnie wyraźne sygnały rozwoju postnatalnego pojawiały się po około roku hodowli.
To jeden z najważniejszych wyników całego eksperymentu. Komórki nie wykonały kilku początkowych kroków rozwoju i nie zatrzymały się na zawsze w jednym stadium. Ich program biologiczny nadal przesuwał się do przodu wraz z rzeczywistym upływem miesięcy i lat.
Biologicznego czasu nie odmierzają wskazówki zegara, lecz geny
Czym jednak jest „wiek” pojedynczej komórki? Przecież komórka nie posiada kalendarza ani zegarka.
Biologiczny czas zapisany jest w wielu nakładających się procesach. Zmienia się aktywność genów, sposób działania elementów regulacyjnych DNA, metabolizm, budowa komórki, liczba i charakter połączeń oraz epigenom.
Epigenetyka jest tutaj szczególnie interesująca. Sekwencja DNA może pozostawać praktycznie taka sama, a jednocześnie zmienia się sposób, w jaki komórka z niej korzysta. Jednym z najważniejszych mechanizmów jest metylacja DNA – do określonych miejsc cząsteczki DNA dołączane są grupy metylowe, wpływające na sposób regulowania genów.
Wzór tych zmian jest na tyle regularny, że można na jego podstawie konstruować tak zwane zegary epigenetyczne. Analizując metylację w określonych miejscach genomu, algorytm może oszacować biologiczny lub chronologiczny wiek tkanki.
Badacze postanowili więc „zapytać” DNA organoidów, ile według niego trwa hodowla.
Zegar epigenetyczny wskazał niemal rzeczywisty czas hodowli
Naukowcy wykonali analizę metylacji całego genomu w organoidach znajdujących się na dziewięciu etapach rozwoju – od trzech miesięcy do pięciu lat. Następnie zastosowali kilka znanych modeli zegarów epigenetycznych, w tym model ogólnoustrojowy Horvatha oraz zegar zaprojektowany specjalnie dla ludzkiej kory mózgowej.
Wynik był bardzo mocny.
Przewidywany na podstawie metylacji DNA wiek organoidów był silnie skorelowany z ich rzeczywistym czasem przebywania w laboratorium. W dwóch głównych modelach współczynnik korelacji wynosił około 0,88–0,90.
Innymi słowy, jeżeli badacz nie powiedziałby algorytmowi, czy analizowana tkanka spędziła w inkubatorze kilka miesięcy czy kilka lat, wzór zmian epigenetycznych w dużym stopniu pozwalałby to rozpoznać.
Nie był to również prosty efekt tego, że komórki wielokrotnie się podzieliły. Autorzy przeprowadzili dodatkowe analizy wskazujące, że obserwowany sygnał odpowiadał przede wszystkim programom dojrzewania, a nie jedynie historii proliferacji.
W ciągu pięciu lat zmieniały się konkretne regiony genomu
Porównując organoidy trzymiesięczne z pięcioletnimi, badacze zidentyfikowali ponad 200 regionów DNA, których poziom metylacji zmieniał się wraz z wiekiem. Wśród nich znajdowały się obszary związane z genami odgrywającymi ważną rolę podczas rozwoju kory mózgowej.
Zaobserwowano także wzrost charakterystycznego rodzaju metylacji określanego jako mCA. Jest to szczególnie interesujące, ponieważ właśnie taka modyfikacja DNA jest uznawana za jeden z molekularnych znaków dojrzewania neuronów po narodzinach.
Oznacza to, że komórki nie tylko zmieniały pojedyncze geny. Ich cały system regulowania genomu przechodził kolejne etapy przypominające procesy obserwowane podczas naturalnego dojrzewania ludzkiego mózgu.
Nie wszystkie komórki przeżywały jednak równie dobrze
Tu pojawiło się jedno z największych ograniczeń eksperymentu. Organoid nie jest doskonałą kopią tkanki mózgowej, a poszczególne typy komórek nie radzą sobie w nim jednakowo.
Astrocyty i niektóre populacje komórek glejowych utrzymywały się przez wiele lat stosunkowo dobrze i wykazywały coraz bardziej dojrzałe właściwości. Badacze znajdowali także ślady postępującej mielinizacji – procesu, podczas którego wypustki neuronów są otaczane osłonką mielinową ułatwiającą szybkie przewodzenie impulsów.
Znacznie większym problemem były neurony. W standardowym podłożu hodowlanym ich udział stopniowo malał wraz z wiekiem organoidów.
Nie oznaczało to jednak, że wszystkie znikały. Za pomocą metod pozwalających analizować nienaruszoną tkankę naukowcy odnajdywali komórki posiadające neuronalne markery po dwóch, trzech, czterech, pięciu, a nawet około 5,8 roku hodowli.
Był to imponujący wynik, ale jednocześnie pokazywał, że utrzymanie komórek przez kilka lat to jedno, a zachowanie dobrze funkcjonującej sieci neuronów – coś znacznie trudniejszego.
Naukowcy zmienili „dietę” organoidów
Badacze zwrócili uwagę na bardzo ważną właściwość neuronów: ich aktywność elektryczna nie jest jedynie skutkiem funkcjonowania komórki. Sama aktywność może pomagać neuronom dojrzewać i przetrwać.
Standardowe pożywki stosowane do długotrwałej hodowli organoidów nie zapewniały warunków sprzyjających silnej spontanicznej aktywności neuronalnej. Zespół wykorzystał więc inne podłoże oparte na preparacie BrainPhys i wzbogacone o składniki wspierające funkcjonowanie neuronów.
Autorzy nazwali je activity-permissive medium – APM, czyli podłożem pozwalającym na aktywność.
Zmiana okazała się bardzo skuteczna.
W dziewięciomiesięcznych organoidach hodowanych w APM znajdowało się znacznie więcej aktywnych neuronów projekcyjnych niż w standardowych warunkach. Komórki miały bardziej rozwiniętą morfologię, dłuższe wypustki i bardziej złożone rozgałęzienia.
Po roku obserwowano również większą gęstość synaps oraz struktur przypominających kolce dendrytyczne – mikroskopijne wypustki neuronów będące miejscem tworzenia wielu połączeń synaptycznych.
Neurony zaczęły tworzyć aktywne sieci
Posiadanie neuronów i synaps nie oznacza jeszcze, że komórki funkcjonują jako sieć. Dlatego naukowcy zastosowali trójwymiarowe układy mikroelektrod, które pozwalały rejestrować sygnały elektryczne generowane wewnątrz organoidów.
Badano struktury mające sześć, dziewięć i dwanaście miesięcy.
W obu typach hodowli można było obserwować spontaniczne wyładowania neuronów. Szczególnie dobrze zachowywały się jednak organoidy znajdujące się od wczesnego etapu w środowisku APM.
Generowały więcej impulsów i częściej pojawiały się w nich skoordynowane epizody aktywności obejmujące większe grupy neuronów, określane jako network bursts.
Różnica stała się bardzo wyraźna po roku. Wszystkie osiem analizowanych organoidów hodowanych standardowo nie wykazywało już takich skoordynowanych wyładowań sieciowych. Tymczasem wszystkie dziewięć rocznych organoidów utrzymywanych w APM nadal wykazywało silną aktywność sieciową.
Naukowcy potwierdzili farmakologicznie, że rejestrowane sygnały były związane z działaniem synaps wykorzystujących glutaminian. Nie był to więc przypadkowy szum elektryczny aparatury.
Aktywna sieć neuronów przetrwała co najmniej dwa lata
Badacze poszli jeszcze dalej i wykonali pomiary organoidów hodowanych w nowych warunkach przez dwa lata. Nadal rejestrowali w nich aktywne wyładowania neuronów i skoordynowaną aktywność sieciową.
Co ciekawe, struktura tej aktywności zmieniała się wraz z wiekiem. W młodszych organoidach bardzo duża część neuronów brała udział w podobnych wyładowaniach w tym samym czasie. W strukturach dwuletnich można było rozpoznać przynajmniej dwie różne grupy neuronów posiadające własne wzorce wspólnej aktywacji.
Nie oznacza to powstania mózgu zdolnego do myślenia. Pokazuje jednak, że w odpowiednich warunkach laboratoryjna tkanka neuronalna może przez lata zachowywać funkcjonalne połączenia, a jej dynamika sieciowa może z czasem stawać się bardziej złożona.
Najdziwniejszy eksperyment miał dopiero nadejść
Utrzymanie organoidów przy życiu przez ponad pięć lat było osiągnięciem technicznym. Wykazanie, że ich epigenom odmierza czas, było osiągnięciem biologicznym. Jednak prawdopodobnie najbardziej intrygujący fragment badania dotyczył czegoś jeszcze innego.
Naukowcy chcieli sprawdzić, czy komórka jedynie wygląda na starszą, czy rzeczywiście zapamiętuje etap rozwoju, przez który już przeszła.
W tym celu wykorzystali eksperyment z organoidami chimerycznymi, określanymi w pracy również jako chimeroidy.
Badacze pobrali komórki progenitorowe ze stosunkowo starych organoidów mających około dziewięciu do dwunastu miesięcy i połączyli je z komórkami pochodzącymi z bardzo młodych, około piętnastodniowych struktur.
Powstało niezwykłe środowisko. Obok siebie znalazły się komórki należące biologicznie do tego samego rodzaju rozwijającej się tkanki, ale mające zupełnie inną historię czasową.
Młode otoczenie nie wyzerowało zegara starych komórek
Młode komórki wysyłały sygnały charakterystyczne dla bardzo wczesnego etapu rozwoju. Starsze progenitory potrafiły te sygnały odebrać i reagowały na nie. Można byłoby więc przypuszczać, że zostaną w pewnym sensie cofnięte i zaczną ponownie przechodzić całą sekwencję rozwojową od początku.
Tak się jednak nie stało.
Starsze progenitory ponownie rozpoczęły produkcję neuronów, ale ominęły etapy, które – z punktu widzenia ich własnej historii – już wcześniej się wydarzyły.
Komórki pochodzące z młodego organoidu tworzyły w tym samym czasie populacje typowe dla wczesnego rozwoju. Starsze komórki przechodziły natomiast szybko do późniejszych typów neuronów oraz komórek glejowych.
W ciągu zaledwie około dwóch tygodni potrafiły stworzyć neurony, których pojawienie się podczas normalnego rozwoju organoidu wymaga zwykle kilku miesięcy.
To tak, jakby komórkę wyjąć z biologicznego kalendarza, umieścić z powrotem na wcześniejszej stronie i odkryć, że nadal pamięta, które rozdziały już przeczytała.
Komórka posiada coś w rodzaju pamięci swojego wieku
Autorzy opisują to zjawisko jako temporal memory – pamięć czasową lub rozwojową.
Nie jest to oczywiście pamięć w znaczeniu neurologicznym. Komórka progenitorowa nie „wspomina” swojej przeszłości tak jak człowiek pamięta wydarzenia. Chodzi o biologicznie utrwalony stan regulacyjny, który informuje ją, przez jakie fazy rozwoju już przeszła i jakie typy komórek powinna w danym momencie wytwarzać.
Eksperyment sugeruje jednocześnie dwie bardzo interesujące właściwości.
Po pierwsze, starsze komórki zachowują pewną plastyczność. Nadal mogą reagować na środowisko i ponownie rozpocząć neurogenezę.
Po drugie, plastyczność nie oznacza całkowitego wymazania historii. Komórki nie wracają do stanu początkowego. Ich wcześniejszy rozwój pozostawił molekularny zapis wpływający na późniejsze decyzje.
To może być jeden z kluczy do zrozumienia, dlaczego ludzki mózg wytwarza określone typy neuronów w precyzyjnej kolejności i dlaczego pewne możliwości rozwojowe pojawiają się lub zanikają w ściśle określonych momentach.
Skąd komórka wie, że minął rok?
To pytanie pozostaje częściowo otwarte i jest prawdopodobnie jednym z najbardziej fascynujących problemów wynikających z badania.
Wiemy, że na biologiczne tempo dojrzewania mogą wpływać mechanizmy epigenetyczne, metabolizm mitochondriów, regulacja ekspresji genów oraz sieci wzajemnych oddziaływań pomiędzy komórkami. Nie znamy jednak jednego prostego mechanizmu pełniącego funkcję nadrzędnego „zegara mózgu”.
Co szczególnie interesujące, ludzki zegar rozwojowy wydaje się częściowo zapisany wewnątrz samych komórek.
Jeżeli ludzkie neurony rozwijają się poza organizmem przez lata, zamiast nagle przyspieszyć do tempa charakterystycznego dla myszy, oznacza to, że bardzo wolny rytm naszego rozwoju nie jest wyłącznie skutkiem środowiska ludzkiego ciała.
Część instrukcji dotyczącej tempa dojrzewania jest najwyraźniej wewnętrzną właściwością ludzkich komórek.
Dlaczego ludzki mózg rozwija się tak długo?
W biologii zjawisko wyjątkowo długiego utrzymywania młodzieńczych cech i powolnego dojrzewania określa się między innymi terminem neotenia. Ludzki mózg jest jednym z najbardziej spektakularnych przykładów.
U wielu zwierząt rozwój układu nerwowego przebiega znacznie szybciej. W przypadku człowieka długi okres dojrzewania oznacza ogromne koszty. Dziecko przez wiele lat jest zależne od innych ludzi, a mózg potrzebuje bardzo dużo energii.
Z drugiej strony tak długi okres rozwoju daje niezwykle dużo czasu na modyfikowanie sieci neuronalnych poprzez doświadczenie. Język, relacje społeczne, edukacja, ruch i ogromna ilość informacji sensorycznych mogą wpływać na strukturę połączeń przez lata.
Zrozumienie molekularnego mechanizmu, który nadaje ludzkim neuronom tak wolne tempo rozwoju, może więc powiedzieć coś fundamentalnego nie tylko o chorobach mózgu, ale również o tym, co odróżnia rozwój naszego gatunku od innych ssaków.
Organoidy otwierają dostęp do okresu, którego nauka prawie nie mogła badać
To właśnie tutaj pięcioletnie hodowle mogą mieć największe znaczenie praktyczne.
Wczesny rozwój płodowy można badać między innymi na podstawie materiału tkankowego i danych molekularnych. Dorosły mózg można analizować za pomocą obrazowania, badań neurofizjologicznych oraz materiału pobranego po śmierci.
Pomiędzy tymi etapami istnieje jednak ogromny okres – szczególnie pierwsze lata po narodzinach – w którym zachodzą fundamentalne zmiany, a możliwości eksperymentalnego badania ludzkiej tkanki mózgowej są bardzo ograniczone.
Jeżeli organoid po roku, dwóch czy pięciu latach rzeczywiście odtwarza część programów charakterystycznych dla coraz późniejszego rozwoju człowieka, naukowcy otrzymują laboratoryjne okno na ten trudno dostępny okres.
Może to mieć znaczenie dla badań nad autyzmem i innymi zaburzeniami neurorozwojowymi
Wiele zaburzeń neurorozwojowych ma swoje źródła bardzo wcześnie, ale ich pełne objawy pojawiają się dopiero po miesiącach lub latach. To ogromny problem badawczy.
Mutacja genetyczna może zmienić zachowanie progenitora neuronalnego jeszcze przed narodzinami, lecz konsekwencją może być nieprawidłowe dojrzewanie synaps zauważalne dopiero znacznie później. Krótkotrwała hodowla może takiego efektu w ogóle nie ujawnić.
Długowieczne organoidy umożliwiają przeprowadzenie eksperymentu zupełnie innego rodzaju. Można stworzyć model posiadający określoną zmianę genetyczną, a następnie obserwować go przez miesiące lub lata i sprawdzać, w którym momencie trajektoria rozwoju zaczyna odbiegać od prawidłowej.
National Institutes of Health zwraca uwagę między innymi na potencjalne zastosowanie tej technologii w badaniach nad autyzmem oraz innymi zaburzeniami rozwoju układu nerwowego.
Nie oznacza to, że powstał właśnie model pozwalający „wyhodować autyzm w probówce”. Choroby i zaburzenia mózgu są znacznie bardziej złożone i zależą od genów, środowiska oraz całego organizmu. Nowa technologia daje jednak możliwość obserwowania procesów, które dotychczas praktycznie znikały z pola widzenia eksperymentalnej neurobiologii.
Można będzie sprawdzić nie tylko, co poszło źle, ale kiedy
To niezwykle ważna różnica.
W wielu chorobach informacja, że określona komórka funkcjonuje nieprawidłowo, jest tylko częścią odpowiedzi. Równie ważne jest ustalenie, w którym momencie rozwoju pojawiło się pierwsze zaburzenie.
Czy problem rozpoczął się podczas powstawania neuronów? Czy dopiero podczas dojrzewania synaps? Czy gen działa prawidłowo przez pierwszy rok rozwoju, a jego konsekwencje ujawniają się później? Czy określony defekt można skorygować tylko w pewnym „oknie czasowym”?
Pięcioletni model umożliwia zadawanie takich pytań w sposób, który przy kilkumiesięcznych organoidach był po prostu niemożliwy.
To nadal model bardzo uproszczony
Spektakularny wynik nie powinien przesłaniać ograniczeń technologii. Organoid rozwijający się przez pięć lat nadal nie staje się pięcioletnim ludzkim mózgiem.
Prawdziwy mózg dojrzewa w organizmie, który dostarcza mu sygnały hormonalne, metaboliczne i immunologiczne. Otrzymuje nieustannie informacje z narządów zmysłów, kontroluje ruch, reaguje na zachowanie innych ludzi i przez cały czas jest częścią układu krążenia oraz całego środowiska fizjologicznego organizmu.
Organoid jest od większości tych sygnałów odłączony.
Sami autorzy podkreślają, że kolejnym etapem rozwoju technologii powinno być wprowadzanie do modeli dodatkowych czynników obecnych podczas naturalnego rozwoju – między innymi bardziej fizjologicznej aktywności wywoływanej przez bodźce oraz wpływu tkanek spoza układu nerwowego.
Może się okazać, że część programów dojrzewania jest wewnętrzna i rozwija się prawie niezależnie, natomiast inne wymagają informacji płynących z ciała i środowiska.
Pięć lat to rekord, ale wciąż zaledwie początek dorastania ludzkiego mózgu
W tym wszystkim znajduje się ciekawy paradoks. Pięć lat hodowli komórkowej to niezwykle długi eksperyment. W laboratorium jest to okres obejmujący całe doktoraty, zmiany personelu, tysiące wymian pożywki i konieczność utrzymywania nieprzerwanie tych samych kultur przez znaczną część kariery młodego naukowca.
Dla ludzkiego mózgu pięć lat to jednak nadal bardzo wczesny etap.
Nasza kora dojrzewa znacznie dłużej. Zmiany w ekspresji genów, epigenomie, mielinizacji i funkcjonowaniu sieci neuronalnych trwają przez dzieciństwo i okres dojrzewania.
Nowe badanie pokazuje zatem nie tyle, że naukowcy odtworzyli cały rozwój mózgu, ile że po raz pierwszy stworzyli system, który może podążać za jego niezwykle wolnym rytmem przez wiele kolejnych lat.
Być może największym odkryciem jest to, że czas znajduje się wewnątrz komórki
Najbardziej fascynującym elementem tej pracy nie jest więc sama informacja, że kawałek ludzkiej tkanki neuronalnej można utrzymać w laboratorium ponad pięć lat.
Znacznie ciekawsze jest to, co wydarzyło się przez te pięć lat.
Komórki zmieniały ekspresję genów zgodnie z kolejnymi etapami rozwoju. Ich DNA gromadziło zmiany epigenetyczne odzwierciedlające rzeczywisty czas. Neurony rozwijały bardziej złożoną budowę i połączenia. W odpowiednich warunkach sieci neuronalne pozostawały aktywne przez lata.
A kiedy stare komórki progenitorowe przeniesiono do środowiska pełnego sygnałów młodości, nie zapomniały swojej wcześniejszej historii. Potrafiły odpowiedzieć na nowe otoczenie, ale nie zaczęły rozwoju całkowicie od początku. Przechodziły od razu do typów komórek odpowiadających późniejszemu etapowi.
To właśnie może okazać się jednym z najważniejszych wniosków z całego eksperymentu: rozwój nie jest jedynie reakcją na aktualne otoczenie. Komórka niesie ze sobą zapis tego, ile biologicznej drogi już przebyła.
Laboratorium dostało dostęp do czegoś, czego wcześniej praktycznie nie można było obserwować
Przez lata organoidy mózgowe pozwalały naukowcom odtwarzać pierwsze rozdziały historii ludzkiego mózgu. Nowa praca pokazuje, że książka nie musi kończyć się po kilku miesiącach.
Można ją czytać dalej.
Rok.
Dwa lata.
Pięć lat.
I za każdym razem komórki znajdują się w trochę innym stanie – nie dlatego, że badacz ręcznie nakazał im „zestarzeć się”, lecz dlatego, że ich własne programy biologiczne nadal odmierzają czas.
To otwiera możliwość eksperymentalnego badania okresów rozwoju ludzkiego mózgu, które dotychczas były niemal niedostępne. Pozwala zestawiać zdrowe i zmienione genetycznie komórki, obserwować ich los przez lata, sprawdzać wpływ środowiska, aktywności neuronalnej i potencjalnych leków oraz próbować ustalić, kiedy dokładnie zaczynają się procesy prowadzące do późniejszych zaburzeń.
Jednocześnie badanie przypomina, jak bardzo niezwykłym narządem jest ludzki mózg. Nawet odłączone od całego organizmu i umieszczone w sztucznych warunkach komórki zachowują część charakterystycznego dla naszego gatunku, niezwykle powolnego programu dojrzewania.
Pięcioletni organoid nie jest pięcioletnim dzieckiem zamkniętym w probówce. Jest czymś znacznie bardziej precyzyjnym naukowo: laboratoryjnym modelem, w którym część komórek ludzkiej kory przez lata realizuje własny program rozwojowy – i pozostawia w genomie zapis mijającego czasu.
Właśnie dlatego najważniejszym osiągnięciem nie jest rekord długości hodowli. Jest nim możliwość obserwowania biologicznego czasu w działaniu.
Źródła
Nature – Human brain organoids record the passage of time over multiple years
Nature – Human organoids that mimic brain development grown for years in lab
Broad Institute – Brain organoids reach longevity milestone
