rozwiń ›

Czym są „mini-mózgi”?

Ludzkie organoidy nerwowe, często nazywane mini-mózgami, to milimetrowe, trójwymiarowe struktury powstające w laboratorium z komórek macierzystych. Potrafią one tworzyć połączone sieci neuronowe i generować zsynchronizowaną aktywność elektryczną przypominającą wczesne etapy rozwoju ludzkiego mózgu.

Reklama

Dzięki nim naukowcy mogą:

  • badać mechanizmy chorób neurologicznych,
  • testować działanie leków,
  • prowadzić eksperymenty na modelach pochodzących z komórek konkretnego pacjenta,
  • ograniczać wykorzystanie zwierząt w badaniach.

Problem polegał jednak na tym, że dotychczasowe narzędzia pozwalały rejestrować sygnały tylko z niewielkiej części neuronów.

Dlaczego stare metody nie wystarczały?

Organoidy mają kształt przestrzenny i kulisty, podczas gdy większość urządzeń pomiarowych zaprojektowano do pracy z płaskimi warstwami komórek. Sztywne, płaskie elektrody nie dopasowywały się do powierzchni mini-mózgów. W efekcie naukowcy „słyszeli” jedynie fragmenty aktywności, tracąc informacje o tym, jak działa cała sieć neuronowa – a to właśnie współpraca wielu obszarów odpowiada za przetwarzanie informacji w mózgu.

Elektroniczna siatka jak druga skóra

Zespół z Northwestern University i Shirley Ryan AbilityLab opracował miękką, trójwymiarową strukturę elektroniczną, która owija organoid niczym oddychająca siatka.

Najważniejsze cechy technologii:

  • pokrywa do 91% powierzchni organoidu,
  • zawiera 240 miniaturowych elektrod,
  • każda elektroda ma ok. 10 mikrometrów średnicy (wielkość pojedynczej komórki),
  • porowata konstrukcja przepuszcza tlen i składniki odżywcze, dzięki czemu tkanka pozostaje żywa.

Struktura powstaje z płaskiej, elastycznej siatki, która samoczynnie przekształca się w formę 3D – podobnie jak elementy w książkach typu „pop-up”.

Pierwszy pełny obraz pracy sieci neuronowej

Dzięki gęstemu rozmieszczeniu elektrod naukowcy mogą:

  • tworzyć trójwymiarowe mapy aktywności elektrycznej,
  • obserwować, jak sygnały rozchodzą się po całej sieci,
  • wykrywać milisekundowe opóźnienia między różnymi obszarami,
  • analizować skoordynowane fale aktywności obejmujące cały organoid.

Wcześniejsze systemy z kilkoma lub kilkudziesięcioma elektrodami rejestrowały jedynie lokalne sygnały.

Testowanie leków na żywej tkance

Nowa platforma okazała się również czuła na działanie substancji farmakologicznych: 4-aminopirydyna (lek stosowany m.in. w stwardnieniu rozsianym) zwiększała aktywność neuronalną, a toksyna botulinowa zaburzała skoordynowaną komunikację między neuronami. To pokazuje, że system może stać się potężnym narzędziem do testowania terapii na ludzkiej tkance nerwowej.

Co ważne, urządzenie nie tylko rejestruje sygnały, ale także potrafi wysyłać impulsy elektryczne i pobudzać wybrane obszary. W połączeniu z technikami obrazowania i optogenetyką umożliwia zarówno obserwację, jak i aktywną kontrolę pracy sieci neuronowej.

Kształtowanie mini-organów

Badacze odkryli również, że zmieniając konstrukcję mikrosiatki, mogą wpływać na kształt rosnących organoidów. Oprócz form kulistych uzyskano struktury sześcienne i sześciokątne. W przyszłości może to umożliwić łączenie różnych typów organoidów w większe, modułowe układy – swoiste biologiczne „klocki Lego”.

Co to oznacza dla medycyny?

Reklama

Organoidy tworzone z komórek pacjenta otwierają drogę do:

  • modelowania chorób mózgu w warunkach laboratoryjnych,
  • personalizowanego testowania leków,
  • badania rozwoju zaburzeń neurologicznych,
  • sprawdzania skuteczności terapii regeneracyjnych.

Nowe narzędzie pozwala ocenić, czy dana metoda rzeczywiście odbudowuje funkcjonalne obwody nerwowe – co jest kluczowe w leczeniu takich schorzeń jak padaczka, choroby neurodegeneracyjne czy urazy mózgu. Wraz z rosnącym znaczeniem organoidów w badaniach biomedycznych technologie umożliwiające ich dokładne monitorowanie mogą stać się jednym z fundamentów przyszłej neurologii i medycyny spersonalizowanej. Badanie opublikowano w czasopiśmie Nature Biomedical Engineering.

Źródło: Northwestern University.