Naukowcy wyhodowali ponad 400 rodzajów komórek nerwowych z komórek macierzystych

Komórki nerwowe to nie tylko komórki nerwowe. Przyglądając się im szczegółowo, najnowsze szacunki wskazują, że w ludzkim mózgu znajduje się kilkaset, a nawet kilka tysięcy różnych typów komórek nerwowych. Różnią się one funkcjami, liczbą i długością wypustek oraz sposobem łączenia się ze sobą. Uwalniają one różne neuroprzekaźniki do synaps i w zależności od obszaru mózgu – na przykład kory mózgowej lub śródmózgowia – aktywne są różne typy komórek.

Kiedy naukowcy hodowali komórki nerwowe z komórek macierzystych na szalkach Petriego do celów eksperymentalnych, nie potrafili wyjaśnić całej tej różnorodności. Do niedawna naukowcy opracowali metody hodowli zaledwie kilkudziesięciu różnych typów komórek nerwowych in vitro. W tym celu stosowali metody inżynierii genetycznej lub dodawali cząsteczki sygnałowe, aby aktywować specyficzne wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe. Nigdy jednak nie zbliżyli się do uchwycenia różnorodności setek, a nawet tysięcy różnych typów komórek nerwowych istniejących w organizmie.

„Neurony pochodzące z komórek macierzystych są często wykorzystywane do badania chorób. Jednak do tej pory naukowcy często ignorowali to, z jakimi typami neuronów pracują” – mówi Barbara Treutlein, profesor na Wydziale Nauk Biosystemowych i Inżynierii Politechniki Federalnej w Zurychu w Bazylei.

Mówi jednak, że nie jest to najlepsze podejście do tego typu pracy.

„Jeśli chcemy opracować modele komórkowe do badania chorób i zaburzeń, takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona i depresja, musimy wziąć pod uwagę konkretny typ komórek nerwowych biorących udział w procesie patologicznym”.

Systematyczne badania przesiewowe kluczem do sukcesu

Treutlein i jej zespołowi udało się dotychczas wytworzyć ponad 400 różnych rodzajów komórek nerwowych, co otwiera drogę do dokładniejszych podstawowych badań neurologicznych z wykorzystaniem kultur komórkowych.

Naukowcy z ETH osiągnęli ten cel, pracując z kulturą ludzkich indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych, pochodzących z komórek krwi. W tych komórkach, metodą inżynierii genetycznej, zmodyfikowali pewne neuronalne geny regulacyjne i poddali je działaniu różnych morfogenów – specjalnej klasy cząsteczek sygnałowych. Zespół Treutleina zastosował podejście systematyczne: siedem morfogenów w różnych kombinacjach i stężeniach w swoich eksperymentach przesiewowych. Ostatecznie pozwoliło to na opracowanie prawie 200 różnych zestawów warunków eksperymentalnych.

Morfogeny

Morfogeny to substancje sygnałowe znane z badań nad rozwojem embrionalnym. Są one nierównomiernie rozmieszczone w zarodku i w różnych stężeniach tworzą gradienty przestrzenne. W ten sposób determinują położenie komórek w zarodku – na przykład, czy komórka znajduje się bliżej osi ciała, czy też na plecach, brzuchu, głowie lub tułowiu. W związku z tym morfogeny pomagają określić, jakie struktury powstaną w różnych częściach ciała.

Naukowcy zastosowali różnorodne techniki analityczne, aby wykazać, że w eksperymencie udało im się uzyskać ponad 400 różnych typów komórek nerwowych. Badali RNA (a tym samym aktywność genetyczną) na poziomie poszczególnych komórek, a także wygląd i funkcję komórek, na przykład rodzaje procesów komórkowych w nich zachodzących i emitowane przez nie impulsy elektryczne.

Następnie naukowcy porównali swoje dane z informacjami z baz danych neuronów ludzkiego mózgu. Pozwoliło im to określić rodzaje powstałych komórek nerwowych, takich jak komórki obwodowego układu nerwowego czy komórki mózgowe, a także obszary mózgu, z których pochodzą, oraz za co te komórki odpowiadają – za odczuwanie bólu, zimna, ruchu itp.

Neurony in vitro do poszukiwania substancji czynnych

Treutlein powiedział, że wciąż daleko im do wytworzenia in vitro wszystkich rodzajów komórek nerwowych występujących w organizmie. Naukowcy mają jednak teraz dostęp do znacznie większej liczby różnych typów komórek niż wcześniej.

Chcą wykorzystać neurony hodowane in vitro do opracowania modeli komórkowych do badania poważnych chorób neurologicznych, takich jak schizofrenia, choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, padaczka, zaburzenia snu i stwardnienie rozsiane. Takie modele komórkowe cieszą się również dużym zainteresowaniem w badaniach farmaceutycznych, umożliwiając testowanie działania nowych związków aktywnych w hodowlach komórkowych bez udziału zwierząt, a docelowo – znalezienie sposobu na leczenie tych chorób.

W przyszłości komórki te będzie można wykorzystać także w terapii komórkowej, w której chore lub martwe komórki nerwowe mózgu zostaną zastąpione nowymi komórkami ludzkimi.

Ale zanim to nastąpi, istnieje problem do rozwiązania: w swoich eksperymentach naukowcy często wytwarzali mieszaninę kilku różnych typów komórek nerwowych. Teraz pracują nad optymalizacją metody, aby w każdym przypadku eksperymentu powstawał tylko jeden konkretny typ komórek. Mają już wstępne pomysły, jak to zrobić.