Trójwymiarowy model ludzkiego mózgu pomoże badać chorobę Alzheimera

Naukowcy z Monachium opracowali odtwarzalny trójwymiarowy model ludzkiej tkanki mózgowej, który zawiera neurony, astrocyty i mikroglej. Model pozwala badać procesy związane z chorobą Alzheimera, wywoływać powstawanie agregatów amyloidu oraz oceniać działanie potencjalnych leków w warunkach bardziej zbliżonych do ludzkiego mózgu niż tradycyjne hodowle komórkowe.

W artykule:

• Dlaczego potrzebne są nowe modele choroby Alzheimera
• Jak powstają trójwymiarowe mikrotkanki mózgowe
• Rola neuronów, astrocytów i mikrogleju
• Odtwarzanie zmian charakterystycznych dla choroby Alzheimera
• Możliwości testowania nowych leków
• Automatyzacja i skalowanie technologii

Nowy model ludzkiej tkanki mózgowej do badań nad chorobą Alzheimera

Jak można przyspieszyć, usprawnić i zwiększyć skuteczność badań nad chorobą Alzheimera? Pytanie to pozostaje szczególnie istotne, ponieważ mimo dziesięcioleci intensywnych badań prowadzonych na całym świecie oraz ostatnich postępów terapeutycznych nadal nie udało się w sposób zasadniczy zatrzymać rozwoju tej choroby.

Jedną z barier w badaniach był dotychczas brak odpowiednich modeli trójwymiarowych, które umożliwiałyby realistyczne odwzorowanie złożonych zależności zachodzących w ludzkiej tkance mózgowej w przebiegu choroby Alzheimera. Zespół kierowany przez neurobiologa prof. Dominika Paqueta z LMU Klinikum München opracował model, który może częściowo wypełnić tę lukę.

Wyniki prac opublikowano na łamach „Nature Neuroscience”.

– Dotychczas brakowało trójwymiarowych modeli, które realistycznie odwzorowywałyby złożone zależności w ludzkiej tkance mózgowej w chorobie Alzheimera – wyjaśnia prof. Dominik Paquet z Institut für Schlaganfall- und Demenzforschung działającego w LMU Klinikum München.

Nowy system może mieć istotne znaczenie dla poznawania mechanizmów choroby oraz opracowywania i testowania nowych leków.

Dziewięć lat pracy nad odpowiednią kombinacją komórek

Uzyskiwanie tkanek przypominających ludzkie narządy ze zdolnych do różnicowania komórek macierzystych może sprawiać wrażenie niezwykle zaawansowanego procesu. W praktyce wymaga ono zarówno precyzyjnej wiedzy biologicznej, jak i starannie dopracowanych procedur laboratoryjnych.

Opracowanie nowego modelu ludzkiej tkanki mózgowej zajęło zespołowi dziewięć lat.

– Potrzebowaliśmy dziewięciu lat, aby rozwinąć nasz nowy trójwymiarowy model ludzkiej tkanki mózgowej do etapu, na którym funkcjonował on na wszystkich niezbędnych poziomach – podkreśla prof. Paquet.

W badaniach nad chorobą Alzheimera kluczowe znaczenie ma nie tyle dokładne odtworzenie anatomicznej struktury mózgu, ile uzyskanie prawidłowych interakcji pomiędzy różnymi typami komórek oraz ich funkcjami biochemicznymi.

Model powinien więc nie tylko zawierać odpowiednie komórki, lecz także umożliwiać ich wzajemną komunikację, rozwój wypustek, tworzenie synaps i reakcję na procesy patologiczne.

Neurony, astrocyty i mikroglej w jednym modelu

Materiałem wyjściowym dla nowego trójwymiarowego modelu są ludzkie komórki macierzyste, które można przekształcać w różne typy komórek mózgu. W przedstawionym systemie naukowcy uzyskali trzy szczególnie istotne populacje komórkowe:

• neurony,
• astrocyty,
• komórki mikrogleju.

Aby uzyskać taki zestaw komórek, komórki macierzyste poddaje się działaniu odpowiednio dobranej mieszaniny substancji. Proces przebiega według szczegółowej procedury opracowanej przez zespół badawczy.

Po osiągnięciu dojrzałości komórki umieszczane są w specjalnej pożywce. Łączą się w niej ze sobą i przylegają do sąsiednich komórek.

W ciągu około tygodnia powstają niewielkie, kuliste struktury tkankowe o rozmiarze odpowiadającym mniej więcej połowie główki szpilki. Struktury te samoczynnie się organizują i zaczynają realizować wybrane funkcje charakterystyczne dla tkanki mózgowej.

Najważniejsze funkcje ludzkiej tkanki mózgowej

Neurony obecne w modelu tworzą wypustki i łączą się ze sobą za pośrednictwem funkcjonalnych synaps. Oznacza to, że nie są jedynie izolowanymi komórkami umieszczonymi obok siebie, lecz budują sieć umożliwiającą przekazywanie sygnałów.

Astrocyty zaopatrują sąsiednie komórki w składniki odżywcze i wspierają utrzymanie właściwego środowiska tkankowego. W rzeczywistym mózgu komórki te uczestniczą między innymi w regulacji metabolizmu neuronów, homeostazie jonowej oraz funkcjonowaniu synaps.

Mikroglej, czyli populacja komórek odpornościowych ośrodkowego układu nerwowego, monitoruje otoczenie i odpowiada na pojawienie się uszkodzonych komórek, szczątków komórkowych oraz obcych struktur.

Komórki mikrogleju są szczególnie ważne w badaniach nad chorobą Alzheimera, ponieważ uczestniczą w odpowiedzi zapalnej, usuwaniu agregatów białkowych i przebudowie mikrośrodowiska mózgu. Ich działanie może być zarówno ochronne, jak i potencjalnie szkodliwe, zależnie od etapu choroby oraz rodzaju aktywacji.

Naukowcy sprawdzili również, czy w opracowanym modelu aktywne są geny i białka istotne dla badań nad chorobą Alzheimera.

Według autorów model wykazywał aktywność wszystkich najważniejszych elementów molekularnych potrzebnych do analizowania procesów związanych z tym schorzeniem.

Model odtwarzalny i podatny na modyfikacje

Jedną z głównych zalet opracowanego systemu jest jego odtwarzalność. Oznacza to, że przestrzeganie ustalonego protokołu pozwala ponownie uzyskiwać struktury tkankowe o zbliżonym składzie komórkowym i porównywalnych właściwościach funkcjonalnych.

W badaniach laboratoryjnych ma to fundamentalne znaczenie. Jeżeli poszczególne modele znacznie różnią się między sobą, trudno jednoznacznie określić, czy obserwowany efekt jest wynikiem działania badanej substancji, czy przypadkowej zmienności materiału biologicznego.

Odtwarzalność umożliwia natomiast wykonywanie porównywalnych eksperymentów, ocenę różnych stężeń leków, analizowanie mechanizmów działania oraz sprawdzanie, czy wyniki można uzyskać w kolejnych seriach doświadczeń.

Jednocześnie powstałą tkankę można celowo modyfikować z zewnątrz. Badacze mogą między innymi wywoływać zmiany przypominające cechy choroby Alzheimera, obserwować ich rozwój i testować potencjalne metody leczenia.

Powstawanie i usuwanie agregatów amyloidu

W ramach eksperymentów naukowcy skutecznie wywołali w modelu powstawanie agregatów amyloidu, które należą do najbardziej charakterystycznych zmian obserwowanych w chorobie Alzheimera.

Amyloid beta może gromadzić się w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, tworząc złogi zaburzające funkcjonowanie sieci neuronalnych i wpływające na aktywność komórek odpornościowych mózgu. Sam proces jest jednak złożony, a obecność amyloidu stanowi jedynie jeden z elementów patogenezy choroby.

W powstałym modelu agregaty amyloidu zostały następnie rozpuszczone przy użyciu nowych, już dostępnych leków. W procesie tym aktywnie uczestniczył mikroglej.

Obserwacja ta ma znaczenie z punktu widzenia badań nad mechanizmami terapeutycznymi. Model pozwala bowiem analizować nie tylko bezpośredni wpływ leku na złogi białkowe, lecz także reakcje komórek uczestniczących w ich rozpoznawaniu i usuwaniu.

Nie oznacza to jednak, że sam model pozwala przewidzieć pełną skuteczność kliniczną terapii. Choroba Alzheimera rozwija się w organizmie przez wiele lat i obejmuje znacznie więcej procesów, w tym zaburzenia metabolizmu białka tau, uszkodzenia synaps, przewlekłe zapalenie, zmiany naczyniowe oraz stopniową utratę neuronów.

Trójwymiarowa tkanka laboratoryjna pozostaje więc uproszczonym modelem fragmentu biologii choroby, choć może być bardziej reprezentatywna niż klasyczne hodowle dwuwymiarowe.

Możliwość testowania nowych substancji

Zdaniem autorów system może przyczynić się do przyspieszenia opracowywania nowych leków. Szczególnie istotna jest możliwość badania działania substancji w modelu zawierającym ludzkie komórki oraz kilka wzajemnie oddziałujących populacji komórkowych.

Tradycyjne testy prowadzone na pojedynczym rodzaju komórek mogą nie odzwierciedlać reakcji całej tkanki. Substancja korzystna dla neuronów może na przykład odmiennie wpływać na mikroglej lub astrocyty. Z kolei zmiana aktywności mikrogleju może pośrednio oddziaływać na przeżycie neuronów.

Zintegrowany model umożliwia ocenę takich wzajemnych zależności.

Może być on wykorzystywany do:

• badania mechanizmów powstawania zmian związanych z chorobą Alzheimera,
• oceny aktywności mikrogleju i astrocytów,
• analizowania wpływu agregatów amyloidu na neurony,
• testowania nowych substancji czynnych,
• porównywania różnych wariantów terapii,
• identyfikowania potencjalnych działań toksycznych.

Automatyzacja produkcji modeli

Kolejnym etapem prac jest automatyzacja i zwiększenie skali wytwarzania trójwymiarowych modeli tkanki mózgowej.

Zespół pracuje nad wykorzystaniem systemów robotycznych, które umożliwiłyby jednoczesne uzyskiwanie setek, a docelowo nawet tysięcy mikrotkanek wykazujących te same cechy patologiczne.

Takie rozwiązanie jest szczególnie ważne z perspektywy badań przemysłowych. Opracowywanie leków wymaga często przetestowania bardzo dużej liczby substancji, ich kombinacji i różnych stężeń. Ręczne przygotowywanie modeli byłoby czasochłonne, kosztowne i podatne na zmienność wynikającą z różnic w pracy operatorów.

Robotyzacja mogłaby zwiększyć standaryzację procesu oraz umożliwić prowadzenie wysokoprzepustowych badań przesiewowych w systemie opartym na ludzkich komórkach.

Znaczenie dla dalszych badań

Opracowany model nie odwzorowuje całego mózgu ani pełnego przebiegu choroby Alzheimera. Nie zawiera wszystkich typów komórek, naczyń krwionośnych, bariery krew–mózg ani pełnej architektury poszczególnych struktur mózgowych.

Jego znaczenie polega jednak na połączeniu w jednym odtwarzalnym systemie neuronów, astrocytów i mikrogleju, a także na umożliwieniu badania ich wzajemnych interakcji w warunkach fizjologicznych i chorobowych.

Model może zatem stanowić narzędzie pośrednie między prostymi hodowlami komórkowymi a badaniami prowadzonymi na zwierzętach i ludziach.

Może także ułatwić ocenę, które potencjalne terapie zasługują na dalsze badania, zanim zostaną skierowane do bardziej kosztownych i złożonych etapów rozwoju przedklinicznego oraz klinicznego.

Wnioski

Nowy trójwymiarowy model ludzkiej tkanki mózgowej umożliwia odtwarzalne uzyskiwanie mikrotkanek zawierających neurony, astrocyty i mikroglej. Komórki tworzą funkcjonalne połączenia i wykazują aktywność genów oraz białek istotnych w badaniach nad chorobą Alzheimera.

Badaczom udało się wywołać powstawanie agregatów amyloidu, a następnie obserwować ich usuwanie po zastosowaniu dostępnych leków. System może być wykorzystywany do poznawania mechanizmów choroby, badania reakcji mikrogleju oraz testowania nowych substancji.

Planowana robotyzacja i zwiększenie skali produkcji modeli mogą w przyszłości umożliwić wysokoprzepustowe badania potencjalnych leków w systemie opartym na ludzkich komórkach. Model pozostaje uproszczeniem biologii mózgu, lecz może stanowić ważne uzupełnienie dotychczasowych metod badawczych.

Źródło: Nature Neuroscience, A reproducible three-dimensional model of human brain tissue to investigate physiological and disease-associated microglia phenotypes.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41593-026-02367-0