Într-o descoperire revoluționară publicată în revista Nature, cercetătorii au reușit să crească în laborator creiere în miniatură Structuri tridimensionale miniaturale, crescute în laborator din celule stem, care imită arhitectura, tipurile celulare și funcționalitatea parțială a unui organ real (în acest caz, creierul). pe care le-au menținut în viață aproape 6 ani. Structurile au demonstrat că pot „simți” trecerea timpului, păstrând o memorie celulară a vârstei lor. Această longevitate fără precedent oferă oamenilor de știință posibilitatea unică de a studia etapele avansate ale dezvoltării creierului uman, o perioadă postnatală care până acum era complet inaccesibilă experimentelor de laborator.
Creierele noastre sunt alcătuite din 86 de miliarde de neuroni și din mii de miliarde de conexiuni între ei, care generează o furtună orchestrată de energie electrică și substanțe chimice. Totul pulsează într-o masă de aproximativ 1,4 kilograme de grăsime gelatinizată, proteine și apă.
Mașinăria biologică complexă care ne definește pe noi, oamenii, are nevoie de aproximativ 20 de ani ca să ajungă la maturitate — o perioadă de dezvoltare mult mai lungă decât la majoritatea celorlalte specii.
Această perioadă lungă, la care se adaugă inconvenientul de a fi închisă în craniu, face ca creierele noastre aflate în dezvoltare să fie inaccesibile din punct de vedere experimental. Așa că oamenii de știință construiesc creiere în laborator. Nimic ieșit din comun.
Ce sunt organoidele cerebrale și de ce reprezintă un record de supraviețuire
Aceste ansambluri de celule cerebrale derivate din celule stem sunt și cele mai longevive organoide observate până în prezent: au fost monitorizate aproape 6 ani. Durata este fără precedent, întrucât multe experimente anterioare cu organoide s-au limitat la câteva săptămâni sau luni.
„Cercetarea demonstrează că o diversitate de celule din organoizi se poate dezvolta pe perioade considerabile de timp și că acestea sunt capabile atât să înregistreze, cât și să-și amintească vârsta lor de dezvoltare. Aceste sisteme oferă o bogăție de date despre perioadele în mare parte insondabile ale dezvoltării postnatale a creierului uman.”, au explicat cercetătorii.
Oamenii de știință au mai construit organoide asemănătoare creierului, chiar și unele care au dezvoltat ochi rudimentari, cu tot cu fibre cerebrale care transmit semnale.
Noua cercetare marchează însă cel puțin două progrese esențiale: longevitatea și funcționalitatea.
Ceasuri epigenetice pentru a urmări maturizarea
Cercetătorii au folosit măsurători genetice, de imagistică și electrofiziologice pentru a studia maturizarea a zeci de organoide. Un aspect crucial a fost utilizarea markerilor ADN drept Markeri chimici de pe structura ADN-ului care se modifică predictibil de-a lungul timpului. Aceștia funcționează ca un ceas biologic, permițând cercetătorilor să calculeze vârsta reală a celulelor., pentru a demonstra că specimenele cultivate s-au maturizat în mod similar cu creierele reale.
Nu toate tipurile de celule au șanse egale de supraviețuire în organoide. Majoritatea au prezentat însă o maturare moleculară continuă pe tot parcursul experimentului — o concordanță între procesele de maturare cerebrală Proces sau experiment biologic desfășurat în afara unui organism viu, într-un mediu controlat de laborator (ex: eprubetă sau placă Petri). și Proces sau experiment care are loc în interiorul unui organism viu, în mediul său biologic natural..
Aceasta a inclus apariția unor celule precum Celule ale sistemului nervos în formă de stea, cu rol vital. Ele hrănesc neuronii, repară țesuturile cerebrale și reglează comunicarea dintre celulele nervoase. în formă de stea, care ajută la susținerea și la menținerea Un filtru biologic extrem de selectiv și impermeabil care protejează creierul. Permite trecerea nutrienților din sânge, dar blochează strict toxinele și agenții patogeni., și a Celule specializate ale sistemului nervos central a căror funcție principală este să învelească fibrele nervoase în teacă de mielină, protejându-le., care creează Un strat protector izolator, bogat în grăsimi și proteine, care învelește prelungirile neuronilor. Acesta acționează ca izolația unui cablu electric, accelerând masiv transmiterea semnalelor în creier. grasă ce izolează fibrele nervoase.
Cercetătorii au detectat și un declin progresiv al neuronilor esențiali, dar fragili, care alimentează funcțiile principale ale creierului. Chiar și așa, au arătat că populațiile acestor celule pot supraviețui în cultură aproape 6 ani.
Un program de exerciții pentru neuroni
Important, echipa a arătat și cum pot fi ajutați neuronii să se mențină: prin păstrarea activității lor spontane de descărcare, oarecum ca niște flexii periodice ale bicepsului, care împiedică slăbirea mușchilor brațului.
Acest program de exerciții neuronale este susținut de un mediu de cultură specializat, care imită mai fidel mediul chimic al sistemului nervos central.
Un ceas intern al celulei, testat prin chimeroide
Poate cel mai interesant este că celulele cerebrale par să înregistreze trecerea timpului prin intermediul „unui ceas intrinsec al celulei care stabilește ritmul dezvoltării creierului, deși mecanismele sale moleculare și semnificația funcțională rămân de elucidat”, au scris cercetătorii.
Ca să testeze acest lucru, ei au separat organoide de vârste diferite în celulele lor constitutive. Apoi le-au reasamblat în Structuri biologice hibride create artificial în laborator prin amestecarea și asamblarea unor celule sau fragmente de organoide provenite din stadii diferite de dezvoltare., asemănătoare unor mici entități în stil Frankenstein, alcătuite dintr-un amestec de componente individuale de vârste diferite.
Chimeroidele au manifestat o memorie celulară a vârstei lor de dezvoltare anterioare, chiar dacă fuseseră dezasamblate și apoi reasamblate.
Un chimeroid format din celule vechi, de pildă, a produs descendenți — celule noi — corespunzători vârstei, precum cele astrogliale, chiar dacă se maturizase doar 15 zile după reasamblare.
În plus, atunci când au fost amestecate cu celule mai tinere, chimeroidele au trecut la stări moleculare ceva mai tinere, dar au păstrat totuși urme ale istoricului lor de dezvoltare anterior.
Astfel, atunci când progenitorii mai în vârstă au fost creați din celule vechi reasamblate, aceștia și-au „amintit” perioada petrecută în cultură și au sărit peste etapele pe care le parcurseseră deja: au produs în două săptămâni descendenții care, în mod normal, ar fi necesitat 2 luni.
Un model pentru maturizarea postnatală a creierului uman
Demonstrând că organoidele pot fi menținute pe perioade atât de lungi, cercetătorii oferă, în cele din urmă, o modalitate de a modela anumite caracteristici moleculare, structurale și funcționale ale maturizării postnatale a celulelor cerebrale umane.
„Împreună, organoidele cultivate pe perioade îndelungate și bogăția de date multimodale obținute din acestea reprezintă atât un sistem experimental puternic”, au concluzionat cercetătorii, „cât și informațiile necesare pentru a alimenta înțelegerea mecanismelor în mare parte neexplorate care guvernează Fenomen evolutiv prin care o specie adultă reține trăsături juvenile. În cazul omului, neotenia explică de ce creierul nostru se dezvoltă și rămâne „maleabil” o perioadă mult mai lungă comparativ cu alte specii., maturizarea și evoluția creierului uman.”
Prin urmare, aceste creiere în miniatură nu sunt doar simple curiozități de laborator, ci instrumente reale de decodare a modului în care rețelele neuronale se maturizează. Descoperirea deschide noi orizonturi pentru studiul bolilor neurodegenerative și al evoluției umane pe termen lung.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii antici au dezvoltat un truc uimitor pentru a supraviețui în era glaciară
O nouă stare a materiei, asemănătoare amestecului dintre apă și ulei: faceți cunoștință cu picăturile cuantice formate din bozoni și fermioni
O moleculă din citrice ar putea fi arma secretă pentru întinerirea ficatului
O nouă grupă de sânge a fost descoperită: ce este varianta rară B(A) și cât de rară este
