Harvard lot menneskelige hjerneorganoider utvikle seg i over fem år

Det viktigste funnet var ikke bare at vevsklyngene overlevde lenge. Menneskelige organoider av hjernebarken fortsatte å endre seg etter mer enn fem år i laboratoriet, på en måte som samsvarte med enkelte trekk ved menneskets hjerneutvikling. Cellene fikk molekylære kjennetegn fra senere utviklingsstadier, beholdt strukturer og aktivitet i nervesystemet og så ut til å bære med seg et varig biologisk spor av hvor lenge de hadde vært under utvikling.

Hva forskerne dyrket og målte

Teamet laget pepperkornstore organoider av hjernebarken fra menneskeceller hentet gjennom blodprøver. 34 av organoidene overlevde i mer enn fem år. I den bredere studien undersøkte forskerne 110 organoider og nesten 425 000 celler ved åtte aldre. De brukte blant annet enkeltcelle-RNA-sekvensering, samt molekylære, epigenetiske, strukturelle og funksjonelle målinger.

Tidsperioden er viktig fordi tidligere arbeid hadde holdt sammenlignbare menneskelige organoider av hjernebarken i kultur i opptil 694 dager. Den nye studien utvidet dermed den etablerte målestokken til mer enn det dobbelte og gjorde det mulig å følge utviklingsendringer som kortere forsøk ikke rekker å fange opp.

Organoidene fulgte en utviklingssekvens

Cellene ble ikke værende fastlåst i en tidlig, fosterlignende tilstand. Genuttrykket endret seg gradvis fra fosterrelaterte utviklingssignaturer mot senere – også postnatallignende – tilstander i hjernebarken. Sammensetningen av celletyper og genmoduler knyttet til modning fulgte dessuten tidslinjer fra menneskelig hjernevev.

Det betyr ikke at organoidene gjenskapte alle stadier i en normal menneskehjerne. Resultatene tyder snarere på at enkelte nerveceller kan fortsette et utviklingsprogram utenfor et embryo og uten de omfattende signalene fra kroppen, sanseerfaringene og den organiserte anatomien som finnes hos et levende menneske.

Tidligere langtidsstudier hadde allerede vist at organoider på rundt 250–300 dager kunne få molekylære trekk som lignet utviklingen i menneskehjernen etter fødselen. Den nye studien fulgte dette over flere år og la til dokumentasjon fra epigenomisk aldring og modning som var spesifikk for ulike celletyper.

Nervecellenes forbindelser og elektriske aktivitet fortsatte

De langlivede organoidene inneholdt både eksitatoriske nerveceller og gliaceller, i tillegg til nevritter og synaptiske strukturer. De viste også spontan elektrisk aktivitet og reagerte på stimulering. Det støtter at det fantes fungerende nevrale nettverk – ikke bare celler som tilfeldigvis hadde overlevd.

Dette er relevant for utviklingsforskning fordi nevrologiske og psykiatriske sykdommer kan innebære samspill mellom flere celletyper og endringer som utvikler seg over lang tid. En kultur som kan holdes levende og måles i årevis, gir forskerne bedre mulighet til å se når slike endringer oppstår, og hvordan de varierer mellom genetiske bakgrunner eller ulike forsøksbetingelser.

Funnene må likevel tolkes med varsomhet. Elektrisk aktivitet er ikke det samme som normal hjernefunksjon, kognisjon, læring eller atferd. Organoidene manglet den komplette arkitekturen og det fysiologiske miljøet som kreves for slike funksjoner.

«Time-warp»-forsøket undersøkte om cellene husker utviklingen

Forskerne laget også såkalte kimære kulturer ved å kombinere celler fra eldre organoider med langt yngre celler. De eldre cellene stilte ikke klokken tilbake og fulgte ikke de yngres utviklingstakt. I stedet produserte de raskt nevroner som forbindes med senere utviklingsstadier.

Resultatet tyder på at utviklingstidspunktet i hvert fall delvis er lagret i cellene selv. Vedvarende tilstander i genreguleringen og epigenetiske mønstre kan fungere som et cellulært arkiv over tidligere utviklingshistorie. Da cellene kom inn i et nytt miljø, fortsatte denne historien å påvirke hvilke typer nerveceller de dannet.

Forsøket viser ikke at cellene har en bevisst opplevelse av tid. «Å registrere tidens gang» er en nyttig beskrivelse av en biologisk tilstand: Genregulering og epigenetiske mønstre endret seg i takt med hvor lenge kulturen hadde vært dyrket. Det må ikke forveksles med bevissthet eller subjektive opplevelser.

Hvorfor dette kan bli viktig for forskning på autisme og schizofreni

Langlivede organoider av hjernebarken kan gjøre det enklere å studere utviklingsforstyrrelser der biologien kan komme til syne gradvis. Ved hjelp av celler fra pasienter kan forskere over lengre tid sammenligne modning, valg av nevronidentitet, dannelse av nettverk og samspillet mellom nerveceller og gliaceller. De kan også teste tiltak på utviklingsstadier som faktisk er relevante, i stedet for å undersøke bare et tidlig øyeblikksbilde.

Modellene kan dessuten bidra til å fremstille og studere mer modne og tydelig definerte nervecelletyper for sykdomsmodellering og forskning på transplantasjon. Dette er mulige bruksområder i forskning, ikke etablerte behandlinger. Funn fra organoider må fortsatt bekreftes i andre eksperimentsystemer og kan ikke alene forklare hvordan en sykdom utvikler seg hos et menneske.

Hva organoidene ikke kan fortelle oss

En organoid av hjernebarken er ikke en miniatyrhjerne. Det er en forenklet tredimensjonal modell av utvalgte sider ved utviklingen av hjernebarken. Den mangler blant annet hjernens blodforsyning, immun- og hormonsystemer, sanseinntrykk, forbindelser med resten av kroppen, langtrekkende organisering og atferdskontekst.

Begrensningene påvirker hvilke konklusjoner forskerne kan trekke. En organoid kan gjenskape bestemte molekylære hendelser eller egenskaper ved nevrale nettverk, samtidig som den mangler andre prosesser som er avgjørende i en levende hjerne. Den kan derfor ikke alene gjenskape normal kognisjon eller hele biologien bak autisme, schizofreni eller andre psykiatriske tilstander.

Elektrisk aktivitet er heller ikke et bevis på bevissthet. Målingene som er rapportert, gir ingen grunn til å konkludere med at organoidene var bevisste, oppmerksomme, følte smerte eller hadde opplevelser. Spørsmål om bevissthet krever dokumentasjon som går langt utover de cellulære og nevrale nettverkstrekkene som ble undersøkt her.

Hvorfor kulturene til slutt ble avsluttet

De langlivede organoidene ble til slutt hentet ut for analyser ved forsøkenes slutt. Dermed kunne forskerne undersøke celler, genaktivitet, epigenetisk tilstand, struktur og forbindelser i detalj.

Denne detaljrikdommen er en viktig del av forsøket: Forskerne kunne ikke utføre alle molekylære målinger fortløpende på de samme levende cellene uten å påvirke eller ødelegge prøven. Studien dokumenterte derfor en lang biologisk utvikling, mens analyser ved forsøkenes slutt viste hva organoidene hadde blitt.

Den overordnede konklusjonen er både nøktern og betydningsfull: Menneskelige nerveceller kan bevare og uttrykke deler av en utviklingsplan i flere år i en laboratorieskål. Det gjør langtidsorganoider til et lovende verktøy for å studere utviklingen av menneskehjernen og sykdom, samtidig som det understreker forskjellen mellom en nyttig modell av nervevev og en komplett, bevisst hjerne.