Badania miniaturowych modeli ludzkiego mózgu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) zaczynają przynosić wyniki, które mogą mieć znaczenie dla rozwoju terapii neurologicznych na Ziemi. Eksperymenty z organoidami pozwoliły ujawnić procesy trudne do zaobserwowania w warunkach ziemskich, a w przypadku zespołu Retta przyczyniły się już do rozpoczęcia badania klinicznego. Naukowcy rozszerzają teraz prace m.in. na chorobę Parkinsona, stwardnienie rozsiane i chorobę Alzheimera.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego organoidy ludzkiego mózgu badane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej mogą ułatwiać obserwowanie procesów związanych ze starzeniem i neurodegeneracją.
- Jak badania organoidów z komórek dzieci z zespołem Retta przyczyniły się do rozpoczęcia badania klinicznego potencjalnej terapii z wykorzystaniem lamiwudyny.
- Jak podczas sześciu misji na ISS badano modele choroby Parkinsona i pierwotnie postępującego stwardnienia rozsianego oraz jakie znaczenie mają obserwowane zmiany w sieciach genów.
- Jak „wioskowe” organoidy mogą w przyszłości pomóc jednocześnie porównywać odpowiedź na leczenie komórek pochodzących od wielu pacjentów.
Organoidy mózgowe pozwalają badać choroby człowieka
Organoidy mózgowe to niewielkie, trójwymiarowe modele tworzone z ludzkich komórek macierzystych. Nie są miniaturowymi mózgami, ale odtwarzają wybrane cechy rozwijającej się tkanki nerwowej. Dzięki temu można obserwować rozwój i komunikację komórek, a także analizować mechanizmy chorób czy odpowiedź na potencjalne terapie. Szczególne możliwości daje wykorzystanie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) pobranych od konkretnych pacjentów. Powstające z nich modele zachowują informacje genetyczne dawcy, co może ułatwiać badanie różnic między pacjentami.
Eksperymenty prowadzone na ISS wskazują natomiast, że warunki mikrograwitacji mogą przyspieszać niektóre procesy biologiczne związane ze starzeniem i neurodegeneracją. W części modeli sygnały, które na Ziemi rozwijają się powoli, stają się dzięki temu widoczne wcześniej.
W kosmosie pojawiły się oznaki przyspieszonego starzenia
Zespół neurobiologa Alyssona Muotriego z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zaobserwował, że organoidy wysłane na ISS wykazywały zmiany molekularne związane ze starzeniem szybciej niż porównywalne modele hodowane na Ziemi. W jednym z eksperymentów molekularne wskaźniki wieku neuronów po około 30 dniach na orbicie wskazywały na przyspieszenie odpowiadające mniej więcej dekadzie. Co istotne, podobne obserwacje zaczęły pojawiać się w różnych projektach.
Naszą uwagę przykuł nie pojedynczy wynik – powiedział Michael Roberts, główny naukowiec ISS National Lab, w magazynie Upward. Chodziło o obserwowanie podobnych wzorców w różnych badaniach prowadzonych przez różne zespoły w ramach różnych misji, z wykorzystaniem różnych projektów eksperymentalnych i modeli chorób.
Naukowcy nadal nie wiedzą dokładnie, dlaczego część zmian biologicznych przebiega na orbicie szybciej. Mikrograwitacja wpływa jednak m.in. na zachowanie płynów i środowisko otaczające komórki, co może zmieniać sposób ich komunikacji.
Badania zespołu Retta doprowadziły do testowania terapii
Jednym z najważniejszych rezultatów badań dotychczas prowadzonych na ISS są obserwacje dotyczące zespołu Retta. W organoidach utworzonych z komórek pacjentów naukowcy wykryli aktywację zwykle wyciszonych endogennych retrowirusów – dawnych sekwencji wirusowych obecnych w ludzkim DNA. Ich aktywność w komórkach glejowych wiązała się z reakcją zapalną. Podobne mechanizmy analizuje się również w kontekście chorób neurodegeneracyjnych.
Odkrycie skierowało uwagę badaczy na leki antyretrowirusowe stosowane w terapii HIV, które hamują odwrotną transkryptazę. Badania przedkliniczne dostarczyły podstaw do rozpoczęcia badania klinicznego u pacjentów z zespołem Retta. Testowane jest wykorzystanie terapii antyretrowirusowej, w tym lamiwudyny, w celu ograniczenia procesów zapalnych.
Jeżeli podejście okaże się skuteczne w badaniach klinicznych, może to być jeden z pierwszych przykładów terapii neurologicznej, której rozwój został bezpośrednio przyspieszony dzięki odkryciom dokonanym podczas eksperymentów kosmicznych.
Parkinson, stwardnienie rozsiane i Alzheimer kolejnymi celami
Równolegle National Stem Cell Foundation rozwija własny program badań. W trakcie sześciu misji analizowano organoidy neuronalne otrzymane z komórek osób z chorobą Parkinsona oraz pierwotnie postępującym stwardnieniem rozsianym. W kolejnych eksperymentach pojawiały się zmiany w nakładających się sieciach genów związanych z neurodegeneracją. Badacze chcą wykorzystać te modele nie tylko do poznawania mechanizmów chorób, ale również do testowania potencjalnych leków.
Planowane eksperymenty mają objąć także organoidy modelujące chorobę Alzheimera, w tym modele zawierające mutację związaną z jej wczesnym początkiem.
„Wioskowe” organoidy mogą przyspieszyć testowanie leków
Kolejnym krokiem ma być zwiększenie skali eksperymentów. Jednym z rozwijanych rozwiązań są tzw. „wioskowe” organoidy, w których w jednym układzie badawczym umieszcza się komórki pochodzące od wielu osób.
Takie podejście może pozwolić na jednoczesne sprawdzanie, jak pacjenci o różnym podłożu genetycznym reagują na tę samą terapię. Ma to szczególne znaczenie na ISS, gdzie przestrzeń przeznaczona na eksperymenty jest ograniczona. W przyszłości rozwiązanie mogłoby pomóc w budowaniu bardziej wydajnych platform do badań przesiewowych leków.
Kosmos może stać się laboratorium dla neurologii
Badania organoidów na ISS pozostają eksperymentalnym kierunkiem i nie oznaczają, że mikrograwitacja automatycznie odtwarza procesy zachodzące w ludzkim mózgu. Wyniki pokazują jednak, że środowisko orbitalne może uwidaczniać procesy biologiczne, które na Ziemi są trudniejsze lub znacznie bardziej czasochłonne do obserwowania. Jeżeli uda się wykorzystać ten efekt w sposób powtarzalny, organoidy hodowane w kosmosie mogą stać się narzędziem wspierającym identyfikowanie nowych mechanizmów chorób, biomarkerów i kandydatów na leki.
Badania prowadzone są z wykorzystaniem infrastruktury ISS National Laboratory, które sponsoruje i wspiera eksperymenty na ISS. Szczegółową historię projektów opisano w artykule „How Space Is Opening a Window Into the Brain” opublikowanym w oficjalnym magazynie Upward.
Główne wnioski
- Badania na ISS wskazują, że w organoidach mózgowych niektóre zmiany molekularne związane ze starzeniem i neurodegeneracją mogą pojawiać się szybciej lub być bardziej widoczne niż w porównywalnych modelach na Ziemi.
- Eksperymenty z organoidami utworzonymi z komórek dzieci z zespołem Retta doprowadziły do odkrycia mechanizmu związanego ze stanem zapalnym i przyczyniły się do rozpoczęcia badania klinicznego potencjalnej terapii z wykorzystaniem lamiwudyny.
- National Stem Cell Foundation przeprowadziła już sześć misji z organoidami neuronalnymi pochodzącymi od osób z chorobą Parkinsona i pierwotnie postępującym stwardnieniem rozsianym, obserwując zmiany w sieciach genów związanych z neurodegeneracją.
- Kolejne eksperymenty mają objąć m.in. modele choroby Alzheimera oraz „wioskowe” organoidy, które mogą umożliwić porównywanie reakcji komórek wielu pacjentów na tę samą potencjalną terapię.
Źródło:
- How Space Is Opening a Window Into the Brain – Upward / ISS National Lab
