"Mini-Me" Brains Mimic Disease, Øk Håpet til Eventuelle Terapier


Flickr (CC BY 2.0) Første gang de tre barns hjerner vokste, gikk ting så helt av skinnene at de utviklet alvorlig epilepsi og autisme. Nå har biologer brukt stamceller fra disse pasientene, som har en ødeleggende lidelse kalt Timothy syndrom, for å vokse hjernen deres en gang til - i miniatyr, i en labrett. For

Flickr (CC BY 2.0)

Første gang de tre barns hjerner vokste, gikk ting så helt av skinnene at de utviklet alvorlig epilepsi og autisme. Nå har biologer brukt stamceller fra disse pasientene, som har en ødeleggende lidelse kalt Timothy syndrom, for å vokse hjernen deres en gang til - i miniatyr, i en labrett.

Forskerne rapporterte i naturen på onsdag at mini-corticene reprized den unormale hjernens utvikling så trofast at forskningen kan peke på veien mot å forebygge eller behandle den sjeldne lidelsen.

Produksjon av mini-Timothy-syndrom-hjerner-i-en-rett er bare en av de bemerkelsesverdige nye fremskrittene i eksploderende vitenskapen om "cerebrale organoider", miniatyr, tredimensjonale menneskelige hjernelignende strukturer. Disse laboratoriekreftene, håpene fra forskerne, vil etterligne alvorlige psykiatriske og nevrologiske sykdommer som skizofreni, autisme og Alzheimers mye bedre enn mushjerner (dagens valg), og avslører hva som går galt og gir en testmulighet for eksperimentelle behandlinger.

Men siden hjernen organoider ble først opprettet fra stamceller i 2013, har de antatt en intens etisk debatt, blant annet om de kan lide, føle smerte eller være bevisst - og om de har menneskerettigheter.

Selv om det kan virke som et resultat, har en annen studie, også publisert i Nature Wednesday, beskrevet voksende hundrevis av cerebrale organoider fra stamceller fra friske mennesker i opptil ni måneder og lenger i spesielle bioreaktorer. Mini-hjernene utviklet dusinvis av typer hjerneceller, fra de som gir opphav til nevroner i hjernebarken til de som forbinder høyre hjerne og venstre hjerne. Og de knytter seg til arbeidskretser - ikke produserer tanker eller følelser, men pulserer med samme slags elektrisk aktivitet som gjør det mulig for menneskers hjerner å gjøre begge deler.

"Dette viser at tilnærmingen har mye større potensiale enn vi noen gang hadde forestilt oss, " sa Juergen Knoblich, ved Institutt for molekylærbioteknologi i Østerrike, en pioner i å skape cerebrale organoider som ikke var involvert i enten studier. "De har vist at hvis du holder [hjernen] vokser i lang nok tid, vil det generere hele repertoaret til celler vi ser i den menneskelige hjerne."

Sammen gir de nye papirene "usikre måter å se på en menneskelig hjerne og dens utvikling", sier biolog Timothy O'Brien fra University of Minnesota, som også har produsert hjerneorganoider fra stamceller og ikke var involvert i den nye arbeid. Et viktig fremskritt i begge studiene, sa han, var "å avdekke flere lag av kompleksitet, som viser at disse tingene virkelig ser ut som menneskelige hjerner."

I Timothy syndromstudien begynte forskere ved Stanford University School of Medicine med humane celler kalt fibroblaster, donert av tre pasienter. Ved å bruke nå-standard teknikker, plasserer de disse cellene gjennom en biologisk tidsmaskin, og returnerer dem til en embryo-lignende stamcelle tilstand. Ved å legge til rette næringsstoffer kunne forskerne ikke bare stimulere disse stamceller til å vokse inn i hjerneceller - gjort i mer enn et tiår - men å danne små baller.

Hver er omtrent 1/16 tommer på tvers og inneholder mer enn 1 million celler. Kalt cortical sfærer, de adskiller seg fra hjerneorganoider ved at de tidligere etterligner bestemte hjernens områder, for eksempel foran, i stedet for mange seksjoner.

Stanfords Dr. Sergiu Pasca og hans kolleger håpet at sfæroidene ville avsløre hva som går galt i Timothy-syndromet. En batch etterlignet en region dypt i hjernen, og en annen etterlignet cortexen, det revet ytre laget hvor tenkning oppstår. I foster, migrerer nevroner fra dyp i hjernen og kobler seg til nevroner i cortex, danner kretser som støtter tanke, dømmekraft, planlegging og andre høyereordensfunksjoner.

Etter å ha fusjonert de to kortikale sfærene - cortex og dype lag - så Pasca og hans kolleger nervene i flere dager, da de fra det dype laget var fryktelige innvandrere. De stotter-gikk og stoppet og begynte som om usikker på hvor eller hvor de skulle flytte. Likevel migrerte de mer enn nevroner i normale hjerner, som om de prøvde å gjøre opp for forvirring ved å sprenge seg fremover.

Sfærene, Pasca sa, "hjelper oss med å se hvordan hjernens utvikling går galt i pasienter med de forskjellige mutasjonene knyttet til Timothy syndrom." (Stanford har arkivert et patent om å generere hjerneområdespesifikke sfæriske stoffer.)

Narkotika kalt kalsiumkanalblokkere, som ofte brukes til å behandle høyt blodtrykk, forårsaket normal nevronmigrasjon i minihjernene, sier Pasca, tilsynelatende ved å lapse på mangelen som gjør nevronene for hoppete. Selv om ytterligere studier viser at stoffene gjenoppretter normal neuronal migrasjon, vil et stort spørsmål vev: Vil gi stoffene etter fødselen, når hjernens grunnleggende ledningsdiagram er satt, være for sent?

"Vi vet ikke, " sa Pasca. "Men det kan være et vindu av mulighet senere, " i barndom eller barndom, for å korrigere hjernekretser.

Tidligere forskning har allerede produsert cerebrale organoider som utviklet distinkte regioner som hippocampus, motorregioner og visuelle områder, med elektriskt aktive nevroner. Når det ble opprettet fra stamceller fra en pasient med mikrocefali, så hjernen-i-a-parret den ofte dødelige tilstanden; de som er opprettet fra celler av pasienter med alvorlig autisme indikerte at ut-av-kontroll nevron vekst er den underliggende årsaken til den lidelsen.

Men den andre studien på onsdag gikk enda lenger. Forskere ved Harvard University vokste deres hjerneorganoider, også fra stamceller, lengre enn noen gang før: ni måneder eller mer. Å vokse i flasker i spinnende bioreaktorer som holdt dem doused med næringsstoffer, utviklet organoidene mer modne og mer varierte neuroner enn tidligere mini-hjerner. Avanserte genetiske tester på individuelle celler viste et mangfold av nevroner som det i ekte hjerner.

Det var dusinvis av typer: celler som gir opphav til støtteceller kalt glia, nevroner som hemmer andre, og corpus callosum nevroner som forbinder hjernens halvkugler. "Det er ganske imponerende at en organoid som utvikler seg i en kolbe kan gjøre et stort mangfold av neuronale typer, " sa Paola Arlotta fra Harvard og Broad Institute, som ledet studien. Jo lenger en organoid utviklet seg, desto flere typer celler hadde den.

Og nevronene fungerte. De sproutte små fremspring, kalt dendritiske spines, som mottar signaler fra andre nevroner i en krets, og seks av de syv organoidene som vokste i minst åtte måneder dannet aktive neuronale nettverk, spiking med elektrisk aktivitet. De "forbinder med hverandre, danner kretser, og når de er koblet, kan de synkronisere sin aktivitet, " sa Arlotta, som potensielt etterligner "høyereordens funksjoner i den menneskelige hjerne".

Bioetikere begynner bare å gripe med konsekvensene av det. Spørsmål som om og når hjerneorganoider kan bli sentient, er "viktige", sier Arlotta, "og vi må diskutere disse problemene som et fellesskap. Ikke bare som forskere, men alle av oss. "

Den største mini-hjernen-i-a-tallerken er bare 4 millimeter tvers - omtrent størrelsen på en sjøhale eller maneterhjerne - og Minnesota, O'Brien sa, "en liten, liten brøkdel av den menneskelige hjerne. Du ser noen nevrale kretser danner, men ingen som er hvor som helst nær den størrelse som er nødvendig for sentience, og de er ikke nesten kompliserte nok til å føle smerte. "

Å utvikle bedre etterligninger av den menneskelige hjerne, la han til, "vil ta mye mer tid, men kanskje mindre tid enn vi tror."

Publisert med tillatelse fra STAT. Denne artikkelen opprinnelig oppstod 26. april 2017

"Jesu evangeliums ektemann" vist å være ekte i testSecretive Bezos-Funded Group avslører Spacecraft Plan DetaljerGiant Antarctic Ice Shelf Crack truer med å bli et massivt isbergHurtigvoksende hav som er satt for å frigjøre varme inn i atmosfærenNye EPA-bensinregler hjelper presidentens klimagruppeVellykket malariavaksine viser også effektive hos spedbarnForskere lager ny solcelle4 nye innovasjoner for å energisere verden