Organoidi ljudskog mozga implantirani u korteks miša prvi put reagiraju
Tim inženjera i neuroznanstvenika je po prvi put pokazao da su organoidi ljudskog mozga implantirani u miševe uspostavili funkcionalnu povezanost s korteksom životinja i odgovorili na vanjske senzorne podražaje. Implantirani organoidi reagirali su na vizualne podražaje na isti način kao i okolna tkiva, opažanje koje su znanstvenici mogli napraviti u stvarnom vremenu tijekom nekoliko mjeseci zahvaljujući inovativnoj eksperimentalnoj postavci koja kombinira prozirne nizove grafenskih mikroelektroda i dvofotonsko snimanje.
Tim, predvođen Duygu Kuzumom, članom fakulteta na Odsjeku za elektrotehniku i računalni inženjering Sveučilišta Kalifornije u San Diegu, iznosi detalje svojih otkrića u izdanju časopisa Nature Communications od 26. prosinca. Kuzumov tim surađivao je s znanstvenicima iz laboratorija Anne Devor na Sveučilištu u Bostonu; Laboratorij Alysson R. Muotri na UC San Diego; i laboratorij Freda H. Gagea na Institutu Salk.
Ljudski kortikalni organoidi izvedeni su iz ljudskih induciranih pluripotentnih matičnih stanica, koje se obično dobivaju same iz stanica kože. Ovi moždani organoidi nedavno su se pojavili kao obećavajući modeli za proučavanje razvoja ljudskog mozga, kao i niza neuroloških stanja.
Ali do sada nijedan znanstveni tim nije uspio dokazati da organoidi ljudskog mozga implantirani u korteks miša mogu dijeliti ista funkcionalna svojstva i reagirati na podražaje na isti način. To je zato što su tehnologije koje se koriste za snimanje moždanih funkcija ograničene i općenito ne mogu zabilježiti aktivnost koja traje samo nekoliko milisekundi.
Tim pod vodstvom UC San Diega uspio je riješiti ovaj problem razvijanjem eksperimenata koji kombiniraju nizove mikroelektroda napravljene od prozirnog grafena i dvofotonsko snimanje, mikroskopsku tehniku koja može prikazati živo tkivo debljine do jednog milimetra.
"Nijedna druga studija nije uspjela snimati optički i elektronički u isto vrijeme", rekla je Madison Wilson, prva autorica rada i doktorica znanosti, student u Kuzumovoj istraživačkoj grupi na UC San Diego. "Naši eksperimenti otkrivaju da vizualni podražaji izazivaju elektrofiziološke odgovore u organoidima, podudarajući se s odgovorima iz okolnog korteksa."
Znanstvenici se nadaju da će ova kombinacija inovativnih tehnologija neuro-snimanja za proučavanje organoida poslužiti kao jedinstvena platforma za sveobuhvatnu procjenu organoida kao modela za razvoj i bolesti mozga, odnosno istražiti njihovu upotrebu kod neuro-protetike, za vraćanje funkcije izgubljenim, degeneriranim ili oštećenim regijama mozga.
"Ova eksperimentalna postavka otvara neviđene mogućnosti za istraživanja disfunkcija na razini ljudske neuralne mreže koje su u podlozi razvojnih bolesti mozga", rekao je Kuzum.
Kuzumov laboratorij prvi je razvio prozirne grafenske elektrode 2014. i od tada unapređuje tehnologiju. Istraživači su koristili nanočestice platine kako bi smanjili impedanciju grafenskih elektroda za 100 puta, a da pritom ostanu prozirne. Grafenske elektrode niske impedancije mogu bilježiti i slikati neuronsku aktivnost i na makroskali i na razini pojedinačne stanice.
Postavljanjem niza ovih elektroda na vrh transplantiranih organoida, znanstvenici su bili u mogućnosti u stvarnom vremenu snimiti neuralnu aktivnost električnim putem iz implantiranog organoida i okolnog korteksa domaćina. Koristeći dvofotonsko snimanje, također su primijetili da su mišje krvne žile prerasle u organoid koji implantatu daje potrebne hranjive tvari i kisik.
Znanstvenici su primijenili vizualni podražaj - optičko bijelo LED svjetlo - na miševe s implantiranim organoidima, dok su miševi bili pod dvofotonskim mikroskopom. Promatrali su električnu aktivnost u kanalima elektroda iznad organoida pokazujući da organoidi reagiraju na podražaj na isti način kao okolno tkivo. Električna aktivnost se širila iz područja najbližeg vidnom korteksu u područje implantiranih organoida kroz funkcionalne veze. Osim toga, njihova tehnologija transparentne grafenske elektrode s niskim šumom omogućila je električno snimanje šiljaste aktivnosti iz organoida i okolnog korteksa miša. Snimke grafena pokazale su povećanje snage gama oscilacija i fazno zaključavanje šiljaka od organoida do sporih oscilacija iz vidnog korteksa miša. Ova otkrića upućuju na to da su organoidi uspostavili sinaptičke veze s okolnim tkivom korteksa tri tjedna nakon implantacije i primili funkcionalne podatke iz mišjeg mozga. Istraživači su nastavili s ovim kroničnim multimodalnim eksperimentima jedanaest tjedana te pokazali funkcionalnu i morfološku integraciju implantiranih organoida ljudskog mozga s korteksom miša domaćina.
Sljedeći koraci uključuju dulje eksperimente koji uključuju modele neuroloških bolesti, kao i uključivanje prikaza kalcija u eksperimentalnu postavu za vizualizaciju šiljaste aktivnosti u organoidnim neuronima. Druge metode također se mogu koristiti za praćenje aksonalnih projekcija između organoida i korteksa miša.
"Predviđamo da će se, u budućnosti, ova kombinacija matičnih stanica i tehnologija neurosnimanja koristiti za modeliranje bolesti u fiziološkim uvjetima; ispitivanje kandidata za liječenje organoidima specifičnim za pacijenta; i procjenu potencijala organoida za obnavljanje određenih izgubljenih, degeneriranih ili oštećenih područja mozga", rekao je Kuzum.
Izvor: Science Daily