Cum să asamblezi un creier uman în laborator

– Neurobiomagie –

O echipă condusă de un cercetător român de la Universitatea Stanford din Statele Unite a reușit în premieră să genereze din celule stem și apoi să asambleze în laborator regiuni ale creierului uman. Minicreierele astfel obținute dezvăluie modul în care se dezvoltă rețelele minții noastre și cum comunică la nivel celular și molecular, oferind oamenilor de știință o vedere fără precedent asupra celui mai fascinant organ. Cercetătorii speră să învețe ce se întîmplă cu circuitele mentale ale persoanelor cu diferite boli sau tulburări. De asemenea, minicreierele generate în laborator pot fi folosite pentru a testa potențialele medicamente, esențiale pentru îmbunătățirea mijloacelor terapeutice utilizate de psihiatri sau neurologi.

Vă amintiți de cercetătorul român care a creat, în 2015, minicortexuri cerebrale în laborator? I-am urmărit împreună în Dilema veche cariera fulminantă din ultimii zece ani, pentru că e român, e pasionat de creier, mereu cu gîndul la aplicabilitatea practică a cercetărilor lui din laborator și extrem de sensibil la patologia psihiatrică, domeniu științific departe de a fi suficient explorat. Ei bine, nu s-a oprit acolo, ci, împreună cu grupul lui de studenți de la Universitatea Stanford și un grup de colaboratori, dr. Sergiu Pașca a reușit să creeze țesut tridimensional ce se aseamănă unor regiuni specifice din creierul fetal și apoi le a conectat permițînd migrația neuronilor și formarea de circuite asemănătoare celor din cortexul cerebral, zona creierului responsabilă de cogniție, memorie și alte funcții importante. În articolul publicat recent în cea mai prestigioasă revistă științifică, Nature, echipa lui Sergiu Pașca demonstrează și potențialul acestei tehnologii pentru a înțelege bolile neuropsihiatrice.

Comunitatea științifică a cercetătorilor în neuroștiințe și biologia celulelor stem vuiește de aproape o lună de cînd a fost publicat acest studiu revoluționar, realizat de echipa de cercetători coordonați de Sergiu Pașca, profesor la Stanford, deoarece metoda lor constituie o fereastră tridimensională prin care poate fi observat în premieră modul în care se dezvoltă, la nivel celular, patologii psihiatrice devastatoare. Cercetarea altor boli, cum ar fi cancerul, nu are această limitare. Asta pentru că medicii pot să preleveze celulele tumorale și să le privească sub microscop. Eșantionarea și studiul celulelor creierului uman sînt însă mult mai dificile.

Cultivarea neuronilor în eprubete de laborator nu este o noutate. Însă caracterul bidimensional al vieții într-o plăcuță de laborator nu se potrivește cu celule construite pentru o existență tridimensională. Neuronii cultivați într-un singur strat nu se maturizează suficient, tind să moară după o perioadă de cultivare și interacționează sub nivelul optim.

Într-un studiu precedent, publicat în 2015 în revista Nature Methods, echipa dr. Sergiu Pașca a introdus metoda prin care se pot produce sferoizi neurali din celule stem umane. Această metodă reprezintă o abordare nouă pentru a ghida şi diferenţia aceste celule pluripotente în culturi celulare tridimensionale care, în final, se organizează, în laborator, într un cortex cerebral uman. Cortexul cerebral, organizat în şase straturi la suprafaţa creierului, este porţiunea cea mai complexă a sistemului nervos şi are un rol esenţial în memorie, atenţie, limbaj şi gîndire. Utilizînd o serie de condiţii de laborator şi factori de creştere, echipa de cercetători a reuşit ca, după aproximativ zece săptămîni de cultură în plăcuţe de laborator, să obţină sfere de aproximativ 4 mm în diametru, care seamănă, la nivel de expresie genică, cu un cortex fetal uman la mijlocul perioadei fetale. Aceste sfere corticale plutesc în mediu de cultură, iar înăuntru se pot observa neuroni aranjaţi în straturi la fel ca în cortexul cerebral. Mai mult, printre neuroni există celulele gliale de suport, numite astrocite. Sferele cerebrale sînt foarte active electric – neuronii formează sinapse şi comunică între ei. Acești neuroni sînt numiți neuroni glutaminergici corticali deoarece secretă neurotransmițătorul glutamat și sînt localizați în cortex.

Foto: Paşca Lab, Stanford University

Însă neuronii glutaminergici din cortexul cerebral nu petrec prea mult timp singuri. În timpul dezvoltării fetale se unesc cu alt tip de neuroni care sînt generați dintr-o zonă mai profundă a creierului. Acești din urmă neuroni secretă o substanță neuromodulatoare – de regulă inhibitoare – numită GABA, așa că se numesc neuroni GABAergici. Este cunoscut faptul că celulele nervoase GABAergice migrează mai mulți milimetri, pe parcursul a multor luni, din regiunea de origine înspre cortex, unde se conectează cu celulele glutaminergice rezidente, pentru a forma împreună circuite cu o balanță fină între excitație și inhibiție, responsabile de cele mai avansate activități cognitive umane. Dar nimeni pînă acum nu a reușit să studieze fenomenul într-o plăcuță de laborator, și cu atît mai puțin cu celule derivate de la pacienți cu autism.

În noul studiu din revista Nature (Birey et al., „Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids“, Nature 545, 54–59/ 2017), echipa dr. Pașca introduce o metodă nouă pentru a genera sfere cu proprietățile a două regiuni diferite ale creierului. O parte au fost crescute într-un mediu care induce sferoizi corticali ce conțin neuroni glutaminergici, iar cealaltă parte – într-un lichid ce favorizează formarea zonei creierului din care originează neuronii GABAergici. Apoi au juxtapus cele două tipuri distincte de sferoizi. În aproximativ trei zile, cele două tipuri de sferoizi au fuzionat, iar neuronii GABAergici dintr-un tip de sferoid au început să migreze către regiunea bogată în neuroni glutaminergici. Modalitatea de migrare celulară – au constatat cercetătorii – este una foarte specifică, în salturi: îndreaptă un proces celular spre sferoidul țintă pentru o vreme, apoi se opresc pentru o perioadă de aproximativ trei ore, apoi își reiau salturile.

Odată ajunși la destinație, călătorii GABAergici se transformă, înmugurind dendrite care recepționează semnale electrice de la alți neuroni și formează conexiuni funcționale cu neuronii glutaminergici. Teste electrofiziologice au demonstrat că neuronii glutaminergici și cei GABAergici formează circuite în plăcuțele de laborator și își transmit semnale, comunicînd între ei. Vorbim astfel despre primul circuit neuronal funcțional generat din celule stem in vitro.

Sergiu Pașca și colegii săi nu s-au oprit aici. Au utilizat noua metodă spre a vedea cum poate fi utilă pentru a studia diferite boli. Cercetătorii s-au concentrat pe sindromul Timothy, o boală genetică rară, dar puternic asociată cu autismul și epilepsia. Prin metoda nou introdusă, au creat un circuit cerebral folosind celule prelevate de la mai mulți pacienți cu această condiție și au reușit astfel să observe cum un anumit tip de celule nervoase – interneuronii GABAergici – migrează diferit de celulele similare ale subiecților fără această condiție. Aceasta dovedește că metoda inovatoare poate fi utilizată pentru a studia manifestarea la nivel cerebral a altor boli psihiatrice și tulburări de neurodezvoltare, inclusiv schizofrenia, fapt ce conduce la îmbunătățirea cunoștințelor comunității științifice despre ce ar putea declanșa astfel de boli. Metoda constituie un progres uriaș înspre identificarea unor tratamente mai bine bazate. Mai mult, metoda laboratorului Pașca de la Stanford oferă posibilitatea de a genera circuite din alte regiuni ale creierului pentru a studia cum comunică între ele în contextul bolii și, în viitorul apropiat, de a testa medicamente care să reverseze anormalitățile.

„Practic, această metodă ne permite să recreăm în laborator țesut cerebral funcțional de la pacienți cu orice tulburare psihică, să urmărim exact erorile la nivel neuronal și să testăm diferite metode de corecție“, explică părintele tehnologiei „disease-in-a-dish“. 

Ana Dragu este scriitoare. Cea mai recentă carte publicată: Mîini cuminți. Copilul meu autist (Editura Polirom, 2015). Din 2008 coordonează la Bistriţa Centrul de Resurse şi Referinţă în Autism Micul Prinţ.

Foto Sergiu Paşca: Steve Fisch