Harvardské mozkové organoidy se vyvíjely více než pět let v rytmu podobném lidskému mozku

Nejdůležitějším výsledkem není jen to, že miniaturní modely lidské mozkové kůry přežily déle než pět let. Jejich buňky se během této doby dál měnily způsobem, který v některých ohledech odpovídal vývoji lidského mozku. Získávaly molekulární znaky pozdějších vývojových fází, udržovaly nervové struktury i aktivitu a zřejmě si nesly trvalou biologickou stopu toho, jak dlouho se vyvíjely.

Co vědci vypěstovali a sledovali

Výzkumníci vytvořili organoidy mozkové kůry z lidských buněk získaných z krevních vzorků. Tyto trojrozměrné buněčné struktury měly přibližně velikost kuličky pepře. Celkem 34 organoidů přežilo déle než pět let. V širší části studie tým zkoumal 110 organoidů a téměř 425 000 buněk v osmi různých věkových bodech. Použil přitom sekvenování RNA jednotlivých buněk a další molekulární, epigenetická, strukturální i funkční měření.

Tak dlouhé sledování je významné, protože předchozí práce udržela srovnatelné lidské kortikální organoidy v kultuře nejvýše 694 dní. Nový experiment tedy dosavadní hranici prodloužil na více než dvojnásobek a umožnil pozorovat změny, které se při kratších pokusech nemusí projevit.

Vývoj se nezastavil v raném stadiu

Buňky nezůstaly „zamrzlé“ v raném, plodovém stavu. Jejich programy genové exprese se v průběhu času posouvaly od fetálních vývojových znaků k pozdějším, včetně znaků podobných postnatálním stadiím vývoje mozkové kůry. Také zastoupení jednotlivých typů buněk a genové moduly spojené s dozráváním odpovídaly referenčním časovým osám odvozeným z lidské mozkové tkáně.

Neznamená to, že organoidy přesně napodobily všechny fáze vývoje normálního lidského mozku. Výsledky spíše ukazují, že některé nervové buňky mohou pokračovat ve vývojovém programu i mimo embryo a bez celotělových signálů, smyslových podnětů a uspořádané anatomie živého člověka.

Už dřívější dlouhodobé studie ukázaly, že organoidy staré přibližně 250 až 300 dní mohou vykazovat molekulární rysy podobné vývoji lidského mozku po narození. Nová práce toto pozorování rozšířila o několik dalších let a doplnila je o údaje týkající se epigenetického stárnutí a dozrávání konkrétních typů buněk.

Nervová spojení a elektrická aktivita přetrvávaly

Dlouhodobě přežívající organoidy obsahovaly excitační neurony i gliové buňky a vytvářely neurity a synaptické struktury. Vykazovaly také spontánní elektrickou aktivitu a reagovaly na stimulaci. To podporuje závěr, že v nich přetrvávaly fungující nervové sítě, nikoli pouze izolované živé buňky.

To je důležité pro modelování vývoje a nemocí, protože některé poruchy nervového systému vznikají působením více typů buněk a jejich změny se mohou rozvíjet dlouhou dobu. Kultura, kterou lze roky sledovat a opakovaně měřit, dává vědcům větší šanci zjistit, kdy se určité změny objeví a jak se liší podle genetického původu buněk nebo laboratorních podmínek.

Je však nutné zachovat proporce. Elektrická aktivita není totéž co běžná funkce mozku, myšlení, učení nebo chování. Organoidy postrádají úplnou architekturu i fyziologické prostředí potřebné pro tyto funkce.

Experiment „časového posunu“

Vědci vytvořili také chimérické kultury, v nichž spojili buňky odebrané ze starších organoidů s mnohem mladšími buňkami. Starší buňky se jednoduše nevrátily na vývojový rozvrh mladších buněk. Naopak rychle vytvářely typy neuronů spojované s pozdějšími fázemi vývoje.

Výsledek naznačuje, že vývojové načasování je alespoň zčásti uloženo přímo v buňkách. Trvalé transkripční a epigenetické stavy mohou fungovat jako buněčný záznam předchozí vývojové historie. Když se buňky ocitly v novém prostředí, tato historie dál ovlivňovala, jaké neuronální identity vytvoří.

Neukazuje to, že by buňky měly vědomý pocit času. „Záznam plynutí času“ je užitečný popis biologického stavu: genová regulace a epigenetické vzorce se měnily v souvislosti s věkem kultury. Nelze jej zaměňovat za vědomí nebo subjektivní prožívání.

Co to může znamenat pro výzkum autismu a schizofrenie

Dlouhodobě kultivované kortikální organoidy by mohly usnadnit studium vývojových poruch, jejichž biologické mechanismy se objevují postupně. Z buněk konkrétních pacientů by vědci mohli po delší dobu porovnávat dozrávání, rozhodování o buněčném osudu, tvorbu nervových okruhů i spolupráci neuronů a gliových buněk. Zároveň by mohli testovat zásahy v časových oknech, která lépe odpovídají vývoji, místo aby zkoumali pouze raný „snímek“ buněk.

Tyto modely by mohly pomoci také s tvorbou a studiem zralejších, přesněji definovaných nervových buněk pro výzkum nemocí a případné transplantační aplikace. Jde však o možné výzkumné využití, nikoli o zavedenou léčbu. Výsledky z organoidů je stále třeba ověřovat v dalších experimentálních systémech a samy o sobě nemohou vysvětlit, jak konkrétní porucha vzniká u člověka.

Organoid není miniaturní lidský mozek

Kortikální organoid není zmenšený lidský mozek. Jde o zjednodušený trojrozměrný model vybraných aspektů vývoje mozkové kůry. Nemá plnohodnotné cévní zásobení, imunitní a hormonální prostředí, smyslové vstupy, spojení s tělem, dálkově uspořádané struktury celého mozku ani behaviorální kontext.

Tato omezení určují, jak daleko mohou vědci své závěry posunout. Organoid může napodobit konkrétní molekulární děje nebo vlastnosti nervové sítě, ale zároveň postrádat jiné procesy nezbytné pro fungování živého mozku. Nemůže proto sám o sobě reprodukovat běžné poznávání ani zachytit úplnou biologii autismu, schizofrenie nebo jiné psychiatrické diagnózy.

Ani elektrická aktivita není důkazem vědomí. Studie nepřináší žádné důkazy o tom, že by organoidy byly vědomé, něco si uvědomovaly, cítily bolest nebo měly vlastní prožitky. K posouzení vědomí by byly zapotřebí důkazy dalece přesahující popsaná měření buněk a nervových sítí.

Proč byly organoidy nakonec zničeny

Dlouhodobě kultivované organoidy vědci nakonec odebrali k závěrečné analýze. Ukončení kultury jim umožnilo detailně prozkoumat buňky, aktivitu genů, epigenetický stav, strukturu i propojení.

Právě v tom spočívá hodnota závěrečného rozboru: není možné na stejných živých buňkách průběžně provádět všechna molekulární měření, aniž by se vzorek změnil nebo zničil. Studie proto sledovala dlouhou biologickou trajektorii a pomocí analýz na konci určovala, v co se organoidy během let vyvinuly.

Opatrný, ale významný závěr zní: lidské nervové buňky mohou v laboratorní misce po několik let uchovávat a projevovat určité rysy vývojového časového plánu. Dlouhodobé organoidy tak představují slibný nástroj pro výzkum vývoje lidského mozku a nemocí — nikoli však náhradu za celý, vědomý lidský mozek.