Oamenii de știință au cultivat peste 400 de tipuri de celule nervoase din celule stem

Celulele nervoase nu sunt doar celule nervoase. Dacă le analizăm suficient de detaliat, cele mai recente estimări sugerează că există câteva sute sau chiar câteva mii de tipuri diferite de celule nervoase în creierul uman. Aceste tipuri diferă prin funcțiile lor, numărul și lungimea proceselor lor și modul în care se conectează între ele. Ele eliberează diferiți neurotransmițători în sinapse și, în funcție de zona creierului - cortexul cerebral sau mezencefalul, de exemplu - sunt active diferite tipuri de celule.

Când oamenii de știință au cultivat celule nervoase din celule stem în vase Petri pentru experimente, nu au putut explica toată această diversitate. Până de curând, cercetătorii dezvoltaseră metode pentru cultivarea in vitro a doar câteva zeci de tipuri diferite de celule nervoase. Pentru a face acest lucru, au folosit abordări de inginerie genetică sau au adăugat molecule de semnalizare pentru a activa căi specifice de semnalizare intracelulară. Dar nu au reușit niciodată să surprindă diversitatea sutelor sau miilor de tipuri diferite de celule nervoase care există în organism.

„Neuronii derivați din celule stem sunt adesea folosiți pentru studierea bolilor. Dar până acum, cercetătorii au ignorat adesea cu ce tipuri de neuroni lucrează”, spune Barbara Treutlein, profesor la Departamentul de Știința și Ingineria Biosistemelor de la ETH Zurich din Basel.

Totuși, ea spune că aceasta nu este cea mai bună abordare pentru o astfel de muncă.

„Dacă vrem să dezvoltăm modele celulare pentru a studia boli și tulburări precum Alzheimer, Parkinson și depresia, trebuie să luăm în considerare tipul specific de celulă nervoasă implicată în procesul patologic.”

Screening-ul sistematic ca cheie a succesului

Treutlein și echipa sa au reușit până acum să producă peste 400 de tipuri diferite de celule nervoase, deschizând calea pentru cercetări neurologice fundamentale mai precise folosind culturi celulare.

Oamenii de știință de la ETH au realizat acest lucru lucrând cu o cultură de celule stem pluripotente induse umane, derivate din celule sanguine. În aceste celule, au modificat genetic anumite gene reglatoare neuronale și le-au tratat cu diferiți morfogeni - o clasă specială de molecule de semnalizare. Echipa lui Treutlein a folosit o abordare sistematică: șapte morfogeni în diferite combinații și concentrații în experimentele lor de screening. În cele din urmă, acest lucru a produs aproape 200 de seturi diferite de condiții experimentale.

Morfogeni

Morfogenii sunt substanțe de semnalizare cunoscute din studiile dezvoltării embrionare. Aceștia sunt distribuiți neuniform în embrion și, în concentrații diferite, formează gradienți spațiali. Astfel, determină poziția celulelor în embrion - de exemplu, dacă o celulă este mai aproape de axa corpului sau este situată în spate, pe abdomen, în zona capului sau a trunchiului. În consecință, morfogenii ajută la determinarea structurilor care se vor forma în diferite părți ale corpului.

Oamenii de știință au folosit o varietate de tehnici de analiză pentru a demonstra că au reușit să obțină peste 400 de tipuri diferite de celule nervoase în cadrul experimentului. Au studiat ARN-ul (și, prin urmare, activitatea genetică) la nivelul celulelor individuale, precum și aspectul și funcția celulelor, cum ar fi tipurile de procese celulare pe care le aveau și impulsurile nervoase electrice pe care le emiteau.

Cercetătorii au comparat apoi datele lor cu informații din bazele de date ale neuronilor din creierul uman. Acest lucru le-a permis să determine tipurile de celule nervoase care au fost create, cum ar fi celulele sistemului nervos periferic sau celulele creierului, precum și zona din creier din care provin și de ce sunt responsabile aceste celule - perceperea durerii, a frigului, a mișcării etc.

Neuroni in vitro pentru căutarea substanțelor active

Treutlein a spus că sunt încă departe de a putea produce in vitro toate tipurile de celule nervoase care există în organism. Cu toate acestea, cercetătorii au acum acces la mult mai multe tipuri diferite de celule decât înainte.

Ei doresc să utilizeze neuroni cultivați in vitro pentru a dezvolta modele celulare pentru studierea bolilor neurologice grave, inclusiv schizofrenia, Alzheimer, Parkinson, epilepsia, tulburările de somn și scleroza multiplă. Astfel de modele celulare sunt, de asemenea, de mare interes pentru cercetarea farmaceutică, permițând testarea efectelor noilor compuși activi în culturi celulare fără utilizarea animalelor, cu scopul final de a învăța într-o zi cum să vindece aceste boli.

În viitor, aceste celule ar putea fi folosite și pentru terapia de înlocuire celulară, în care celulele nervoase cerebrale bolnave sau moarte sunt înlocuite cu celule umane noi.

Însă, înainte ca acest lucru să se întâmple, există o problemă de rezolvat: în experimentele lor, cercetătorii au produs adesea un amestec de mai multe tipuri diferite de celule nervoase. Acum lucrează la optimizarea metodei, astfel încât fiecare condiție experimentală să producă un singur tip specific de celulă. Au deja câteva idei inițiale despre cum să facă acest lucru.