Trójwymiarowe konstrukcje złożone z komórek nerwowych – tzw. “sferoidy korowe” – to najnowszy trend neurobiologii. Te miniaturowe – ich objętość nie przekracza 1 milimetra sześciennego – systemy operują na tych samych zasadach, co pełnowymiarowe mózgi. Dlatego mają ogromny potencjał, gdyż pozwalają na modelowanie rozwoju lub degeneracji neuronów in vitro. Pomimo to badania tych żywych “mikromózgów” stanowią niezwykłe wyzwanie. Niemożliwe jest boweim zastosowanie tradycyjnych metod eksperymentalnych. Zespół naukowców z AbilityLab na Uniwersytecie Northwestern wykorzystał zaawansowaną inżynierię biologiczną do stworzenia neurobotów mierzących zjawiska zachodzące w sferoidach. Wyniki ich pracy trafiły na pierwszą stronę prestiżowego czasopisma “Science Advances”.

Sferoidy korowe tworzone są na bazie ludzkich komórek macierzystych. Tworzą trójwymiarowe struktury, które replikują procesy zachodzące w mózgu. Jednak klasyczne metody badawcze, korzystające z dwuwymiarowych i nieelastycznych narzędzi, nie pozwalają na obserwację tych zjawisk. Dlatego Yoonseok Park i jego zespół stworzyli trójwymiarowe, miniaturowe interfejsy, których kształt oraz rozmiar może zostać dopasowany do wymiarów badanego “mikromózgu”. Ponadto te platformy zostały zaprojektowane z myślą o rejestracji zjawisk elektrycznych, mechanicznych, biochemicznych, a także optycznych. Tak oto powstało “laboratorium w probówce”, specjalnie zaprojektowane do wielowymiarowych obserwacji procesów w sferoidach korowych.

Neuroboty nowej generacji posiadają miniaturowe elektrody, które rejestrują aktywność elektryczną membran neuronów. Zawierają także drobne elementy grzewcze, utrzymujące właściwą temperaturę komórek oraz umożliwiające sprawdzenie ich zachowania w przypadku przegrzania bądź wychłodzenia. A to jeszcze nie wszystko! Te urządzenia zostały także wyposażone w rozmaite czujniki pozwalające na detekcję ruchu, tlenu oraz obecności związków chemicznych. Do tego znajdują się w nich również niewielkie ledowe diody, dzięki którym naukowcy mogą przeprowadzać badania optogenetyczne, czyli za pomocą różnobarwnego światła i inżynierii genetycznej są w stanie kontrolować aktywność pojedynczych komórek nerwowych. Skuteczność neurobotów w detekcji i rejestracji wszystkich tych typów sygnałów została potwierdzona eksperymentalnie.

Stworzenie neurobotów to genialnie osiągnięcie neurotechnologii, które umożliwi naukowcom przeprowadzanie skomplikowanych eksperymentów na tkance ludzkiego mózgu – bez udziału ludzkiego królika doświadczalnego! Testy, które wcześniej wymagały drastycznych zabiegów (np. wszczepienia elektrod bezpośrednio do kory mózgu) od tej pory mogą odbywać się zupełnie nieinwazyjnie, co znacząco zwiększy ich ilość i tym samych przyspieszy dalszy postęp nauki. Jest to także przełom w medycynie. Teoretycznie pacjent może w celach diagnostycznych oddać lekarzom próbkę tkanki swojego ciała – np. krwi lub skóry. Następnie ta próbka może zostać wykorzystana do stworzenia “mikromózgu” o materiale genetycznym dawcy. W ten sposób kompleksowa procedura diagnostyczna mogłaby odbywać się niemal zupełnie bez udziału pacjenta oraz w rekordowo krótkim czasie. Twórcy neurobotów są przekonani, że w przyszłości ich wynalazek, w połączeniu ze spersonalizowanym podejściem do medycyny, pomoże szybciej znaleźć źródło choroby, a także przeprowadzić właściwą interwencję.

“Postęp wywołany naszym badaniem transformuje sposób w jaki badamy i rozumiemy mózg. Teraz, gdy skuteczność neurobotów została ostatecznie potwierdzona, możemy przeprowadzić dokładnie ukierunkowane badania. Na przykład zamierzamy przyjrzeć się mechanizmom regeneracji po urazie neurologicznym oraz zbadać działanie terapii farmakologicznej chorób neurodegeneracyjnych” – objaśnia dr. Colin Franz, który współtworzył neuroboty i zarządzał procesem testowania ich działania.

“Nasze neuroboty to dopiero początek – nadchodzi era zupełnie nowych, miniaturowych, trójwymiarowych systemów bioelektrycznych. Ich konstrukcja znacząco zwiększy możliwości medycyny. Przykładowo, kolejna generacja neurobotów będzie wspierać jeszcze bardziej złożone sferoidy – większe obszary mózgu, mięśnie, a nawet tkanki dynamiczne takie jak bijące serce” – dodaje Yoonseok Park adiunkt na Uniwersytecie Northwestern oraz współtwórca neurobotów.

“Teraz, dzięki naszej niewielkiej, miękkiej, trójwymiarowej bioinżynierii, możliwość tworzenia urządzeń, które naśladują złożone biologiczne struktury, wreszcie się ziściła. Dzięki temu otrzymujemy całkowicie nowy, holistyczny wgląd w zachowanie komórek, tkanek, a nawet całych narządów” – dodaje John Rogers, również z Uniwersytetu Northwestern, który kierował pracami technicznymi przy użyciu technologii przypominającej tę wykorzystywaną w smartfonach.

Podsumowując, zespół naukowców wynalazł urządzenie, które może rejestrować zjawiskami zachodzącymi w komórkach mózgu i manipulować nimi. A wszystko to – in vitro, czyli absolutnie nieinwazyjnie i bezpiecznie dla pacjenta. Naukowcy zamierzają wykorzystać swoje odkrycie do badań nad przebiegiem zaburzeń neurologicznych, działaniem leków i narkotyków, a także nad innymi rodzajami terapii. Chcą także porównać modele otrzymane z komórek pobranych od różnych pacjentów cierpiących na tę samą przypadłość. W ten sposób lepiej udokumentują szereg czynników, które mają wpływ na skuteczność leczenia i rehabilitacji komórek nerwowych – a co za tym idzie również całych struktur i sieci mózgu. W przyszłości ta technologia nie tylko umożliwi lepsze zrozumienie procesów rozwojowych mózgu, ale również wesprze go w leczeniu urazów neurologicznych bądź terapii chorób neurodegeneracyjnych.

“Naszym celem, jako naukowców, jest prowadzenie badań, których wyniki mają praktyczne zastosowanie. Te trójwymiarowe neuroboty otwierają drogę kolejnym, niemożliwym wcześniej eksperymentom, odkryciom i postępom w neurorehabilitacji oraz medycynie” – podsumowuje Kristen Cotton, współautorka badania i asystentka w AbilityLab.

Bibliografia:
Park Y, et al. Three-dimensional, multifunctional neural interfaces for cortical spheroids and engineered assembloids. Sci Adv. 2021

Dodaj komentarz