O echipă de oameni de ştiinţă din Statele Unite, coordonată de un cercetător de origine română, a dezvoltat o metodă de cercetare care permite o examinare mult mai detaliată a proceselor cerebrale implicate în unele tulburări neurologice şi psihiatrice.
Omul de ştiinţă de origine română, doctorul Sergiu Paşca, şi colegii săi de la universitatea Stanford, din California, au demonstrat că un organoid cortical cultivat în laborator, prin tehnica culturii celulare în vase Petri din celule stem umane, poate fi transplantat şi integrat în creierul de şobolan în curs de dezvoltare pentru a studia anumite procese funcţionale şi de dezvoltare.
Cercetătorii practică deja tehnica plasării în cultură, în vase Petri, a unor ţesuturi de creier uman obţinute din celule stem. Dar, în laborator, „neuronii nu ajung la mărimea pe care ar avea-o într-un creier uman adevărat”, a explicat doctorul Sergiu Paşca, profesor de psihiatrie şi ştiinţe comportamentale la universitatea Stanford, din Statele Unite, şi principal autor al studiului publicat în revista Nature.
Descoperirile sugerează că organoizii transplantaţi pot oferi un instrument puternic pentru studierea proceselor asociate cu dezvoltarea bolii.
„Această cercetare oferă un avans semnificativ capacităţii oamenilor de ştiinţă de a studia fundamentele celulare şi circuitale ale tulburărilor complexe ale creierului uman. Permite organoizilor să fie ‚conectaţi’ într-un context mai relevant din punct de vedere biologic şi să funcţioneze în moduri pe care nu le pot face într-un vas Petri”, a declarat la rândul său, David Panchision, şeful departamentului de Cercetare, Dezvoltare şi Neuroştiinţă Genomică şi Ştiinţe Comportamentale de Bază de laInstitutul naţional de Sănătate Mintală (NIMH).
Cercetătorii folosesc uneori organoizi corticali - culturi tridimensionale de celule stem umane care pot reflecta unele dintre procesele de dezvoltare observate în creierul tipic - ca model pentru investigarea modului în care se dezvoltă şi funcţionează creierului uman.
Cu toate acestea, organoizilor le lipseşte conectivitatea observată în creierul uman, ceea ce le limitează utilitatea în înţelegerea unor procese mai complexe care au loc în creier. În plus, aceste ţesuturi plasate în cultură în afara corpului uman nu permit studierea simptomelor pe care le generează un defect apărut în funcţionarea lor.
Cercetătorii au încercat să depăşească o parte dintre aceste limitări transplantând neuroni umani individuali în creierul rozătoarelor adulte. În timp ce aceşti neuroni transplantaţi se conectează cu celulele creierului rozătoarelor, ei nu devin pe deplin integraţi din cauza limitărilor de dezvoltare ale creierului de şobolan adult.
O soluţie ar fi implantarea acestor organoizi de creier uman în creierele unor exemplare tinere de şobolani. Vârsta este importantă, întrucât creierul unui animal adult încetează să se mai dezvolte, fapt care ar afecta integrarea celulelor umane.
Transplantându-le într-un animal tânăr, „am constatat că organoizii pot deveni destul de mari şi vascularizaţi, putând fi alimentaţi de reţeaua sangvină a şobolanului, ajungând să ocupe până la aproximativ o treime din emisfera creierului animalului”, a detaliat doctorul Paşca.
În acest studiu, echipa de cercetători a avansat cercetarea utilizării organoizilor dezvoltaţi din creier uman, reuşind transplantarea unui asemenea organoid cortical uman intact într-un creier de şobolan în curs de dezvoltare. Această tehnică creează o unitate de ţesut uman care poate fi examinată şi manipulată.
Oamenii de ştiinţă au folosit metode dezvoltate anterior în laboratorul doctorului Paşca pentru a crea organoizi corticali folosind celule stem pluripotente induse umane - celule derivate din celulele adulte ale pielii care au fost reprogramate într-o stare asemănătoare celulelor stem imature. Apoi au implantat aceşti organoizi pe cortexul somatosenzorial primar al şobolanului, o parte a creierului implicată în procesarea senzaţiei.
Cercetătorii nu au detectat nicio anomalie motorie sau de memorie, sau anomalii în activitatea creierului la şobolanii care au primit organoidul transplantat. Vasele de sânge din creierul de şobolan au susţinut cu succes ţesutul implantat, care a crescut în timp.
Pentru a înţelege în ce măsură organoizii s-ar putea integra în cortexul somatosenzorial al şobolanului, cercetătorii au infectat un organoid cortical cu un trasor viral care se răspândeşte prin celulele creierului ca indicator al conexiunilor funcţionale.
După transplantarea organoidului marcat pe cortexul somatosenzorial primar al şobolanului, cercetătorii au detectat trasorul viral în mai multe zone ale creierului, cum ar fi nucleul ventrobazal şi cortexul somatosenzorial.
În plus, cercetătorii au observat noi conexiuni între talamus şi zona transplantată. Aceste conexiuni au fost activate folosind stimularea electrică şi stimularea mustăţilor şobolanului, cu un curent de aer, fapt care a dus la o activitate electrică în neuronii de origine umană, ceea ce indică faptul că animalele primeau un input senzorial semnificativ, semn că ei îndeplineau cu success rolul de receptori ai unui stimul extern.
Mai mult, cercetătorii au reuşit să activeze neuronii umani în organoidul transplantat pentru a modula comportamentul şobolanului de căutare a recompensei.
Oamenii de ştiinţă au vrut să afle dacă acei neuroni puteau să transmită un semnal către corpul şobolanului. Pentru a face acest lucru, ei au implantat organoizi modificaţi în prealabil în laborator pentru a reacţiona la o lumină albastră. Apoi, i-au antrenat pe şobolani să bea apă dintr-o canulă atunci când lumina albastră stimula organoizii prin intermediul unui cablu conectat la creierele lor. Manevra s-a dovedit eficientă în două săptămâni.
Descoperirile sugerează integrarea funcţională a organoidului transplantat în căi specifice ale creierului.
Din punct de vedere structural şi funcţional, după şapte până la opt luni de creştere, organoidul cerebral transplantat semăna mai mult cu neuronii din ţesutul creierului uman decât cu organoizii umani menţinuţi în cultura celulară.
Faptul că organoizii transplantaţi au reflectat caracteristicile structurale şi funcţionale ale neuronilor corticali umani i-a determinat pe cercetători să se întrebe dacă ar putea folosi organoizii transplantaţi pentru a examina aspecte ale proceselor bolilor umane.
„Promisiunea acestei platforme nu este doar aceea de a identifica procesele moleculare care stau la baza maturizării avansate a neuronilor umani în circuitele vii şi în folosirea acesteia pentru a îmbunătăţi modelele convenţionale in vitro, ci şi în furnizarea de citiri comportamentale pentru neuronii umani”, spune doctorul Paşca.
Pentru a examina acest lucru, cercetătorii au generat organoizi corticali cu celule de la trei participanţi cu o tulburare genetică rară asociată cu autism şi epilepsie numită sindromul Timothy, şi trei participanţi fără nicio boală cunoscută, şi i-au implantat în creierul şobolanului.
Ambele tipuri de organoizi s-au integrat în cortexul somatosenzorial al şobolanului, dar organoizii derivaţi de la pacienţii cu sindromul Timothy au prezentat diferenţe structurale. Aceste diferenţe structurale nu au apărut la organoizii creaţi din celulele pacienţilor cu sindrom Timothy şi menţinuţi în cultură celulară.
Cercetătorii au observat că în creierul modelului de şobolan cu sindrom Timothy organoizii au crescut mai încet şi au avut o activitate mai redusă în comparaţie cu organoizii proveniţi de la pacienţi sănătoşi.
„Aceste experimente sugerează că această abordare nouă poate capta procese care depăşesc ceea ce putem detecta cu modelele in vitro actuale”, a precizat doctorul Paşca.
„Acest lucru este important deoarece multe dintre schimbările care provoacă boli psihiatrice sunt probabil diferenţe subtile la nivel de circuit”, a mai precizat cercetătorul român.
Pe termen lung, noua tehnică ar putea fi utilizată pentru a testa o serie de medicamente noi, au declarat doi oameni de ştiinţă care nu au participat la acest studiu, dar care au comentat concluziile cercetării în revista Nature.
Recentul studiu „duce într-un teritoriu necunoscut capacitatea noastră de a studia dezvoltarea, evoluţia şi bolile creierului uman”, au precizat Gray Camp, de la Institutul Roche pentru Bioinginerie Translaţională din Elveţia, şi Barbara Treutlein, de la Ecole Polytechnique din Zurich (ETH).
Natura etică a cercetării
Tehnica ridică şi întrebări de natură etică, şi anume de a şti până în ce punct implantarea unor ţesuturi umane într-un animal poate să modifice natura sa profundă.
Doctorul Paşca a infirmat un astfel de risc pentru şobolanul studiat, datorită rapidităţii cu care se dezvoltă creierul său în raport cu cel uman.
El a calificat drept „barieră naturală” funcţionarea cortexului şobolanului, care nu ar dispune de timpul necesar pentru a integra în profunzime neuroni de origine umană.
O astfel de barieră ar putea, în schimb, să nu mai existe în cazul speciilor mai apropiate de om, spune doctorul Paşca. Cercetătorul de origine română se opune utilizării acestei metode la primate (maimuţe). El subliniază „imperativul moral” ca oamenii să poată să studieze mai bine şi, eventual, să trateze tulburările psihiatrice, ţinând cont în acelaşi timp de proximitatea faţă de oameni a modelului animal utilizat.
„Tulburările psihiatrice umane sunt în foarte mare măsură specifice omului. De aceea noi trebuie să reflectăm cu prudenţă (...) până în ce punct vrem să lucrăm asupra unora dintre aceste modele”, a avertizat doctorul Paşca.
AGERPRES informează că Sergiu Paşca, născut pe 30 ianuarie 1982, este un medic şi om de ştiinţă de origine română, care lucrează în prezent ca profesor de psihiatrie şi ştiinţe comportamentale la Universitatea Stanford din Statele Unite. Născut la Cluj-Napoca, Sergiu Paşca şi-a petrecut copilăria în Aiud în perioada ultimilor ani ai comunismului din România. A manifestat un interes deosebit faţă de chimie încă de la o vârstă fragedă şi şi-a amenajat primul laborator ştiinţific la vârsta de 11 ani în subsolul casei părinţilor săi. În ultimul an de liceu, a câştigat un premiu la Olimpiada naţională de chimie, obţinând astfel o bursă şi dreptul de a se înscrie la orice facultate dorea din ţara noastră. În 2001, s-a înscris la Universitatea de Medicină şi Farmacie „Iuliu Haţieganu” din Cluj-Napoca.În acelaşi timp, a studiat electrofiziologia la Institutul Max Plack pentru Cercetări în domeniul Creierului din Frankfurt.După ce a obţinut diploma de medic în 2007, Sergiu Paşca s-a înscris la studii post-doctorale la Universitatea Stanford în 2009. La această universitate americană de prestigiu, el a dezvoltat metode pentru a obţine neuroni din celule stem pluripotente induse (iPSC) şi pentru a folosi acele culturi de neuroni cu scopul de a identifica fenotipurile celulare asociate unor maladii cerebrale, precum Sindromul Timothy şi Sindromul Dravet. Sergiu Paşca a fost inclus de cotidianul The New York Times pe lista sa de Vizionari în Medicină şi Ştiinţe şi este câştigătorul din 2018 al Premiului Vilcek pentru Promisiune Medicală Creativă, atribuit de Fundaţia Vilcek. În 2022, cercetătorul de origine română a susţinut un discurs în cadrul celebrelor conferinţe TED despre ingineria inversată a creierului uman în condiţii de laborator.
