Ieškoti

Mokslas prie kavos puodelio


Zikos viruso sukelta mikrocefalija ir "Mini-smegenys"

Žmogaus smegenys yra sudėtingas tyrimų objektas. Mokslininkai visada turi tenkintis tuo, kad smegenis gali tirti tik netiesioginiais būdais, nes pastarosios yra puikiai apsaugotos kaukole. Anatomijos mokslas yra geras to pavyzdys.

Skrosdami mirusius asmeninis, anatomai gali suprasti, kas sukėlė paciento mirtį ir kokios neuropatologijos galėjo nulemti paciento elgseną, kai šis buvo gyvas. Skrodimas turi savo minusų - neretai skrodžiamų smegenų ligos būdavo vėlyvoje stadijoje, tad nebūdavo įmanoma suprasti, kur smegenų patologija prasidėjo ir kaip ją būtų galima sustabdyti kitiems pacientams. Svarbu paminėti, kad nuo senatvės mirusių asmenų skrodimas negali atnešti daug svarbių neurobiologinių atradimų, nes smegenys yra "užterštos" gretutinių patologijų, tokių kaip gretutinės ligos, vaistų vartojimas ar žalingi įpročiai (pvz. rūkymas, alkoholizmas).


Genetikos ir molekulinės biologijos mokslinių sričių progresas 20-ąjame amžiuje pakeitė mokslinių smegenų tirinėjimų metodologiją - pradėtas naudoti psichinių ligų tyrimų su gyvūnais modelis. Laborotorijose pradėtos naudoti genetiškai paveiktos pelės, žuvys, beždžionės, kurioms buvo sukeliamos izoliuotos mutacijos, galinčios sukelti psichines ligas. Aliekant tūkstančius tokių mokslinių tyrimų, buvo siekiama suprasti genetinius pokyčius, sukeliančius skirtingas neuropatologijas. Moksliniuose tyrimuose su gyvūnais remiamasi svarbia prielaida - gyvūnų smegenys turi būti "panašios" į žmonių, norint šių tyrimų rezultatus vėliau pritaikyti klinikiniais tikslais. Ši prielaida nėra visada pagrįsta. Pavyzdžiui, pelių smegenys skiriasi nuo žmogiškųjų smegenų tuo, kad skirtingi "jaunų" ląstelių tipai pavirsta "subrendusiomis" neuroninėmis ląstelėmis.


Nauja, smegenų organoidais pavadinta technologija, gali būti tarytum mokslininis "tiltas", sujungiantis žinias iš mirusiųjų smegenų anatomijos su gyvūnų modelių atradimais. Šios smegenys nėra tokios, kokias turiu aš ar šio blog’o skaitytojai - tai yra žirnio dydžio "mini-smegenys".

Mokslininkai "gamina" smegenų organoidus iš nediferencijuotų (angl. "undifferentiated" reiškia dar nepradėjusios kisti) kamieninių ląstelių. Pastarosios ląstelės yra ypatingos tuo, kad jos gali pavirsti bet kuriuo audiniu mūsų kūne - nuo kaulo audinio iki širdies skersaruožio raumens. Tam, kad pavirstų į specializuotas ląsteles, kamieninėms ląstelėms yra reikalingas specialus maistingųjų medžiagų kokteilis (įvairūs cukrūs, baltymai ir mineralai). Tik neseniai, 2013 metais mokslininkai išsiaiškino slaptą gamtos maistingųjų medžiagų kokteilio "receptą", pagal kurį kamienines ląsteles galima paversti neuroninėmis ląstelėmis.


Pirma, svarbu turėti reikiamų "statybinių medžiagų" (maistingųjų medžiagų), nes šios bus reikalingos biocheminėms reakcijoms, kurių metų kamieninės ląstelės virs neuroninėmis ląstelėmis.

Visų antra, yra reikalingas į embrioninį audinį panašus ertmės gelis, pavadinimu Matrigelis (angl. "Matrigel").

Trečia - svarbu pašildyti šią ertmę iki kūno temperatūros tam, kad kamieninės ląstelės jaustųsi lyg būdamos tikrame žmogaus organizme, o ne dirbtiniame inkubatoriuje. Ketvirtas ir paskutinis šio recepto ingredientas yra visos šios embrioninės ertmės švelnus sukimas. Pastarojo tikslas yra simuliuoti kraujotaką. Smegenų organoidai, "iškepti" naudojant šį receptą, pavirsta trijų dimensijų mikrostruktūromis, kurios savo neuroanatomija primena dešimties savaičių žmogaus embriono smegenis. Čia iškyla natūralus klausimas: ar šios smegenys yra pakankamai "žmogiškos", kad su jomis elgtumėmės lyg su dešimties savaičių žmogaus embriono smegenimis?

Tai yra svarbus etinis klausimas, apie kurį mąsto mokslininkai, dirbantys su smegenų organoidais.

Šiuo metu mokslinės bendruomėnes etinės nuostatos teigia, kad su smegenų organoidais reiktų elgtis kaip su gyvūniniais modeliais, o ne homo sapiens embrionais.


Kodėl?

Svarbiausias argumentas paaiškinantis šią etinę poziciją yra tas, kad smegenų organoidai skiriasi nuo žmogaus embriono smegenų, nes jie neturi jutimo. "Mini-smegenys" negali integruoti neuroninės informacijos, kurią gali jausti embrionas, pvz., šilumos, lytėjimo, garso. Kitaip sakant, smegenų organoidai yra klasifikuojami skirtingai dėl to, kad jie nėra sujungti su likusiu kūnu ir todėl nėra laikomi etiškai "komplikuota" gyvybės forma.

Taigi, smegenų organoidai gali būti tarytum klinikinis "tiltas", leidžiantis peržengti apribojimus, taikomus gyvūniniams modeliams ir anatominiams skrodimų tyrimams.


Ši technologija neseniai buvo pritaikyta tiriant problemą, kuriai gyvūnų modeliai negalėjo padėti - Zikos sukeltoje mikrocefalijoje ("mikro" graikiškai reiškia "mažas", "kephale" - "galva").

Rio olimpinių žaidynių, vykusių 2016 metais, metu sklido daug panikos dėl uodų nešiojamo Zikos viruso, kuris gali sukelti mikrocefaliją nėščių moterų vaisiams. Mokslininkai žinojo apie mikrocefaliją, bet nesuprato, kas būtent atsitinka vaisiaus smegenims, užsikrėstus Zikos virusu. Daugybe biomedicininių tyrimų buvo bandoma tirti šią patologiją, genetiškai sukuriant gyvūnų modelius su mažesnėmis galvomis. Pastarieji tyrimai neatnešė jokio progreso ir neuro-vystimosi pokyčiai žmonių vaisiuose liko paslaptimi iki 2013-ųjų metų.


Atsakymas buvo rastas naudojant smegenų organoidus kaip tyrimų objektą. Paaiškėjo, kad mikrocefalija yra sutrikusios neuroninių kamieninų ląstelių diferencijacijos (taip, tai tas pats žodis reiškiantis kamieninių ląstelių gebėjimą "subręsti") pasekmė. Ląstelinių įvykių sekos defektai pasireiškia ląstelinėje struktūroje, vadinamoje žiuželiu (angl. "cillium").

Tie, kas nemiegojo savo mokykloje biologijos pamokose, gali prisiminti, kad judantys žiuželiai yra reikalingi sustabdyti į mūsų plaučių vidų skrendančias dulkes. Deja, žiuželiai, kurie nulemia mikrocefaliją, nėra žiuželiai, apie kuriuos mokosi mokiniai Lietuvoje - tai yra kitas žiuželių pogrupis: nejudantys žiuželiai. Nejudantys žiuželiai yra atsakingi už ląstelės "gyvenimo" ciklo kontroliavimą. Kad būtų aiškiau, galėtume apie ląstelę mąstyti kaip apie miestą, kuris turi savo penkmečio planą, pagal kurį ląstelė turi augti, vystytis, ir dalintis resursais su skirtingomis organelėmis joje. Mikrocefalijos metu šis planas sutrinka, nes genas koduojantis nejudantį žiuželį yra neteisingas, ir visas ląstelės "miestas" pajaučia to pasekmes. Smegenų organoidų naudojimas leido mokslininkams įrodyti, kad mikrocefalijos atveju ši ląstelinė disreguliacija yra nediferencijuojančių neuroninių kamieninių ląstelių pasekmė.



Smegenų organodai skamba lyg iš mokslinės fantastikos srities. Šios technologijos skeptikai įspėja, kad šis biomedicinis modelis turi savo trūkumų. Pavyzdžiui, tai, kad smegenų organoidai dažnai rodo ląstelinį atsaką, literatūroje priskiriamą atsakui į ląstelinį stresą. Bet kuriuo atveju, ši technologija gali būti klinikinis "tiltas", praturtinantis mokslininkų "įrankių dėžutę" ir galbūt ateityje leisiantis suprasti ypač sudėtingai modeliuojamas neuropsichines ligas, tokias kaip šizofrenija ar autizmas.

Straipsnį INA vardu parengė Matas Vitkauskas

Šaltiniai:

https://www-sciencedirect com.libproxy1.nus.edu.sg/science/article/pii/S0006899319304810#b0130

https://www.scientificamerican.com/article/building-a-brain-in-the-lab/

https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/nature12517

https://www.scientificamerican.com/article/mini-brains-are-not-like-the-real-thing/#:~:text=Brain Paveiksliukų šaltiniai:

https://www.youtube.com/watch?v=SvnX9NJ1Zuo&ab_channel=STEMCELLTechnologies https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/nature12517/figures/1