211service.com
Forskare odlar 3D mänskliga hjärnvävnader
Forskare vid Institute of Molecular Biotechnology i Wien, Österrike, har odlat tredimensionella mänskliga hjärnvävnader från stamceller. Vävnaderna bildar diskreta strukturer som ses i den utvecklande hjärnan.
Minihjärna: En organoid som härrör från stamceller innehåller olika hjärnregioner. Grönt visar neuroner och rosa/rött visar neuronala stamceller.
Forskarna i Wien fann att omogna hjärnceller som härrör från stamceller självorganiseras till hjärnliknande vävnader under rätt odlingsförhållanden. De cerebrala organoiderna, som forskarna kallar dem, växte till cirka fyra millimeter stora och kunde överleva så länge som 10 månader. I decennier har forskare kunnat ta celler från djur inklusive människor och odla dem i en petriskål, men för det mesta har detta gjorts i två dimensioner, med cellerna odlade i ett tunt lager i petriskålar. Men på senare år har forskare avancerat vävnadsodlingstekniker så att tredimensionell hjärnvävnad kan växa i labbet. Den nya rapporten från det österrikiska laget visar att omogna hjärnceller att självorganisera sig ger några av de största och mest komplexa laboratorieodlade hjärnvävnaderna, med distinkta subregioner och tecken på funktionella neuroner.
De arbete , publicerad i Natur på onsdag, är det senaste framstegen inom ett område fokuserat på att skapa mer verklighetstrogna vävnadskulturer av neuroner och relaterade celler för att studera hjärnans funktion, sjukdom och reparation. Med ett odlat cellmodellsystem som efterliknar hjärnans naturliga arkitektur skulle forskare kunna titta på hur vissa sjukdomar uppstår och screena potentiella mediciner för toxicitet och effekt i en mer naturlig miljö, säger Anja Kunze , en neuroingenjör vid University of California, Los Angeles, som har utvecklat tredimensionella hjärnvävnadskulturer för att studera Alzheimers sjukdom.
De österrikiska forskarna lockade odlade neuroner att ta sig an en tredimensionell organisation med hjälp av cellvänliga byggnadsställningar i kulturerna. Teamet lät också neuronföräldrarna styra sitt eget öde. Stamceller har en fantastisk förmåga att självorganisera sig, sa studiens första författare Madeline Lancaster vid en pressträff på tisdagen. Andra grupper har också nyligen sett framgångar med att låta stamceller att organisera sig själv, vilket leder till rapporter om primitiva ögonstrukturer, leverknoppar och mer (se Växande ögonglober och En rudimentär lever odlas från stamceller).
Hjärnvävnaden bildade diskreta regioner som hittades i den tidigt utvecklade mänskliga hjärnan, inklusive regioner som liknar delar av cortex, näthinnan och strukturer som producerar cerebrospinalvätska. Vid pressträffen, senior författare Jürgen Knoblich sade att även om det har gjorts många försök att modellera mänsklig hjärnvävnad i en kultur med hjälp av mänskliga celler, har det komplexa mänskliga organet visat sig vara svårt att replikera. Knoblich säger att protohjärnan liknar utvecklingsstadiet hos ett nio veckor gammalt fosters hjärna.
Medan Knoblichs grupp är fokuserad på utvecklingsfrågor, utvecklar andra grupper tredimensionella hjärnvävnadskulturer med hopp om att behandla degenerativa sjukdomar eller hjärnskador. En grupp vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en tredimensionell neural kultur för att studera hjärnskada, med målet att identifiera biomarkörer som kan användas för att diagnostisera hjärnskada och potentiella läkemedelsmål för mediciner som kan reparera skadade neuroner. Det är viktigt att efterlikna hjärnans cellulära arkitektur så mycket som möjligt eftersom den mekaniska responsen från den vävnaden är mycket beroende av dess 3D-struktur, säger biomedicinsk ingenjör Michelle LaPlaca från Georgia Tech. Fysiska förolämpningar på celler i en tredimensionell kultur kommer att belasta kopplingar mellan celler och stödmaterial som kallas den extracellulära matrisen, säger hon.
Andra forskare utvecklar tredimensionella hjärnvävnadskulturer för att närma sig grundläggande frågor om hur hjärnan fungerar. Utkan Demirci , en biomedicinsk ingenjör vid Harvard Medical School och en 2006 MIT Technology Review Innovator Under 35 rapporterade tidigare i år att mikrotillverkningstekniker gjorde det möjligt för hans grupp att konstruera tredimensionella neuronkulturer. Demircis labb använder nu elektriska inspelningar och andra funktionella studier för att visa att det finns synaptisk aktivitet bland neuronerna. När du odlar dessa celler i tre dimensioner, då kan nervcellernas armar sträcka sig som de gör i inhemska vävnader och bygga en krets, säger han. När vi väl visar att dessa är funktionella kan vi göra många intressanta studier med dem, inklusive utforska hjärnkartläggningsstudier.
Efter att ha bekräftat framgången för deras metoder med stamceller från mus, använde Knoblich, Lancaster och kollegor metoderna för att studera en mänsklig utvecklingsstörning som orsakar mikrocefali, ett tillstånd där hjärnstorleken är markant reducerad och är associerad med allvarliga kognitiva funktionsnedsättningar. Teamet arbetade med en pediatrisk neurolog för att få hudceller från en patient med mikrocefali. Från dessa celler skapade teamet inducerade pluripotenta stamceller (se TR10: Engineered Stem Cells). Forskarna omprogrammerade sedan dessa celler genetiskt till primitiva neuroner och, med några få steg, odlade dem till en cerebral organoid där de kunde få fram antydningar om sjukdomens ursprung.
I framtiden skulle teamet vilja använda hjärnvävnadssystemet för att studera schizofreni och autism - kognitiva störningar som vanligtvis diagnostiseras hos ungdomar eller vuxna men som tros börja i tidig hjärnutveckling.