Naukowcy wyhodowali pierwszą w pełni syntetyczną tkankę mózgową

Zespół z UC Riverside buduje tkankę przypominającą mózg bez składników pochodzenia zwierzęcego

W ramach osiągnięcia, które może zmienić sposób, w jaki laboratoria badają mózg, naukowcy z University of California, Riverside donoszą o wyhodowaniu funkcjonującej tkanki przypominającej mózg na rusztowaniu wykonanym w całości z materiałów syntetycznych. Praca ta zastępuje powszechnie stosowane powłoki pochodzenia zwierzęcego i ekstrakty macierzy pozakomórkowej chemicznie obojętnym polimerem, którego sama architektura fizyczna kieruje komórkami ludzkich dawców, tworząc sieci neuronalne. Podejście to ma na celu uczynienie testów neurologicznych bardziej kontrolowalnymi, trwalszymi i mniej zależnymi od modeli zwierzęcych.

Jak powstaje rusztowanie

Zespół zbudował swoje rusztowanie z glikolu polietylenowego (PEG), szeroko stosowanego, biokompatybilnego polimeru, który normalnie jest obojętny dla przyłączania komórek. Zamiast dodawać ligandy biologiczne, takie jak laminina czy fibryna – standardowe suplementy często pozyskiwane z tkanek zwierzęcych – naukowcy przekształcili PEG w wysoce teksturowany, połączony porowaty labirynt. Komórki zasiane w porach mają dostęp do tlenu i składników odżywczych oraz, co kluczowe, organizują się w klastry przypominające mózg, które po dojrzeniu komunikują się elektrycznie.

Aby stworzyć tę porowatą mikroarchitekturę, grupa wykorzystała etap produkcji oparty na przepływie: roztwory wody, etanolu i PEG przepompowywano przez zagnieżdżone szklane kapilary tak, aby mieszanina uległa rozdzieleniu fazowemu w kontakcie z zewnętrznym strumieniem wody. Błysk światła utrwalił następnie oddzieloną strukturę, tworząc stabilne, wysoce porowate rusztowanie, które można zasiedlić neuronalnymi komórkami dawcy. Według naukowców to właśnie na tę kontrolowaną strukturę fizyczną reagują komórki, a nie na powłoki biologiczne.

Dlaczego droga syntetyczna jest ważna

Większość obecnych trójwymiarowych platform do hodowli neuronów opiera się na ekstraktach biologicznych – na przykład preparatach błony podstawnej – które są chemicznie złożone, zmienne między partiami i często pochodzą ze źródeł zwierzęcych. Te zmienne utrudniają reprodukcję eksperymentów i komplikują wysiłki zmierzające do przełożenia wyników na medycynę ludzką. W przeciwieństwie do nich, PEG jest dobrze zdefiniowany chemicznie i nieimmunogenny, dzięki czemu rusztowania z niego zbudowane mogą być produkowane o stałym składzie i właściwościach mechanicznych, a przy odpowiednio zoptymalizowanej mikroarchitekturze nie wymagają suplementów pochodzenia zwierzęcego do wspierania wzrostu komórek. Te właściwości materiałowe sprawiły, że hydrożele PEG są od lat podstawowym narzędziem w inżynierii tkanki nerwowej; nowa praca demonstruje sposób, w jaki PEG może stać się nie tylko neutralny, ale wręcz instruujący organizację neuronów poprzez dopasowanie jego wewnętrznej geometrii.

Jak to się ma do innych modeli mózgu

W ciągu ostatnich kilku lat laboratoria doprowadziły technologie organoidów i asembloidów – samomontujących się klastrów neuronów pochodzących z ludzkich komórek macierzystych, które mogą modelować aspekty regionów i szlaków mózgowych – do niezwykłej wierności, w tym do odtwarzania obwodów przesyłających sygnały sensoryczne. Systemy te opierają się na sygnałach biochemicznych i samoorganizacji komórek zapewnianej przez macierze biologiczne i złożone protokoły. Rusztowanie z UC Riverside jest komplementarne: zamiast polegać na biologicznej złożoności, oferuje fizycznie zdefiniowaną platformę, która może poprawić powtarzalność i trwałość eksperymentów wymagających stabilnych sieci specyficznych dla dawcy. Razem te podejścia dają naukowcom różne kompromisy między realizmem biologicznym, kontrolą eksperymentalną a obawami etycznymi dotyczącymi wykorzystania zwierząt.

Potencjalne zastosowania i zalety

Naukowcy podkreślają kilka krótkoterminowych zastosowań: modelowanie mechaniki urazowego uszkodzenia mózgu i udaru, badanie procesów chorobowych, takich jak choroba Alzheimera, w komórkach specyficznych dla dawcy oraz testowanie leków neuroaktywnych bez użycia tkanki zwierzęcej. Ponieważ syntetyczne rusztowanie jest stacjonarne i mniej podatne na degradację biochemiczną, może wspierać dłuższe eksperymenty pozwalające neuronom na dojrzewanie – co jest kluczowym wymogiem, ponieważ wiele cech chorób neurologicznych pojawia się dopiero w dojrzałych neuronach. Zespół postrzega to również jako pierwszy krok w kierunku budowania sieci różnych modeli narządów, dzięki czemu naukowcy będą mogli w kontrolowany sposób badać interakcje między mózgiem a innymi tkankami.

Ograniczenia i droga do skalowania

Obecne rusztowania są małe – mają około dwóch milimetrów szerokości – a naukowcy przyznają, że istnieje kilka wyzwań inżynieryjnych, zanim to podejście będzie mogło zastąpić większe lub bardziej złożone modele. Głównym z nich jest perfuzja: większe konstrukcje tkankowe wymagają zintegrowanego unaczynienia lub wydajnych kanałów syntetycznych w celu dostarczania tlenu i usuwania odpadów. Projektowanie i produkcja sieci naczyniowych, które mogą utrzymać tkanki w skali narządowej, oraz łączenie tych sieci z syntetyczną macierzą mózgową, pozostają aktywnymi obszarami badań. Pojawiają się również pytania o to, jak interakcje immunologiczne, fizjologia bariery krew-mózg i inne wpływy systemowe mogą być modelowane w całkowicie syntetycznym rusztowaniu.

Etyka, regulacje i obietnica mniejszej liczby zwierząt

Poza powtarzalnością eksperymentalną, syntetyczne rusztowanie odpowiada na naciski etyczne i regulacyjne dotyczące ograniczenia testów na zwierzętach. Organy regulacyjne i fundatorzy w kilku jurysdykcjach zachęcają do opracowywania niezwierzęcych systemów testowych dla bezpieczeństwa i skuteczności leków, a zdefiniowane platformy syntetyczne mogą przyspieszyć to przejście, oferując powtarzalne, istotne dla ludzi stanowiska testowe. Mimo to regulatorzy będą oczekiwać starannej walidacji wykazującej, że reakcje w modelu syntetycznym przewidują wyniki u ludzi, co zajmie czas i będzie wymagało replikacji w różnych laboratoriach.

Na co warto zwrócić uwagę w przyszłości

• Skalowanie — demonstracje większych konstrukcji oraz zintegrowanych syntetycznych układów naczyniowych lub systemów perfuzji.
• Walidacja funkcjonalna — badania elektrofizjologiczne i odpowiedzi na leki, wykazujące przewidywalne, specyficzne dla dawcy zachowania istotne dla danej choroby.
• Porównania międzyplatformowe — testy porównawcze (head-to-head) zestawiające syntetyczne rusztowania, organoidy i modele zwierzęce dla tego samego leku lub bodźca uszkadzającego.
• Zaangażowanie organów regulacyjnych — wczesne rozmowy z agencjami w celu zdefiniowania, w jaki sposób tkanki syntetyczne mogłyby być wykorzystywane w procesach przedklinicznych.

Zespół UC Riverside rozpoczął projekt w 2020 roku i korzysta ze wsparcia finansowego z wewnętrznych funduszy typu startup oraz stanowych grantów na medycynę regeneracyjną. Koncepcja rusztowania doprowadziła już grupę do przedłożenia powiązanych prac nad syntetyczną tkanką wątroby, a naukowcy nadal dążą do strategii łączenia kultur na poziomie narządów w interakcyjne systemy. Jeśli te kolejne kroki się powiodą, podejście to może zapewnić naukowcom nową klasę zorientowanych na człowieka, skalowalnych modeli tkanek dla neuronauki i odkrywania leków.

James Lawson jest dziennikarzem śledczym zajmującym się nauką i technologią dla Dark Matter. Posiada tytuł MSc w zakresie komunikacji naukowej oraz BSc z fizyki uzyskany w University College London; zajmuje się postępami w dziedzinie AI, kosmosu i technologii kwantowych.