Naukowcom po raz pierwszy udało się stworzyć funkcjonalną tkankę przypominającą mózg – bez wykorzystania materiałów pochodzenia zwierzęcego ani biologicznych powłok wspomagających wzrost komórek. Nowa syntetyczna platforma, opisana w Advanced Functional Materials, może zmienić kierunek badań neurologicznych, umożliwiając bardziej kontrolowane, powtarzalne i humanitarne testy leków oraz modelowanie chorób neurodegeneracyjnych. Opracowany model odzwierciedla budowę i funkcję ludzkiej tkanki mózgowej z precyzją dotychczas niemożliwą do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych materiałów.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak powstał pierwszy w pełni syntetyczny model tkanki mózgowej i dlaczego eliminuje potrzebę stosowania materiałów zwierzęcych.
- W jaki sposób struktura zbudowana z PEG umożliwia tworzenie funkcjonalnych sieci neuronowych i długoterminowe badania.
- Dlaczego nowa platforma może zrewolucjonizować testy leków, modelowanie chorób neurologicznych oraz ograniczenie badań na zwierzętach.
- Jakie przyszłe zastosowania – w tym połączone modele narządowe – planują naukowcy rozwijający tę technologię.
Dlaczego dotychczasowe modele tkanki mózgowej były niewystarczające?
Jednym z największych ograniczeń we współczesnej inżynierii tkanki nerwowej była konieczność stosowania biologicznych powłok i matryc pochodzenia zwierzęcego. To właśnie te elementy, choć sprzyjały wzrostowi komórek, utrudniały precyzyjną kontrolę nad składem i powtarzalnością eksperymentów. Profesor Iman Noshadi, bioinżynier z University of California, Riverside, wyjaśnia:
Jedną z wad większości platform tkanki mózgowej jest to, że wykorzystują one powłoki biologiczne, które wspomagają rozwój żywych komórek. Te powłoki pochodzenia zwierzęcego są słabo zdefiniowane, co utrudnia odtworzenie ich dokładnego składu w celu przeprowadzenia wiarygodnych testów.
Dodatkowo wykorzystywanie mózgów zwierząt w badaniach nad ludzkimi schorzeniami nie zapewnia pełnej wiarygodności danych. Istnieją istotne różnice genetyczne, anatomiczne i fizjologiczne pomiędzy mózgami gryzoni a ludzi, co ogranicza translacyjność wyników.
Nowa platforma może znacząco przyczynić się do redukcji, a nawet eliminacji wykorzystania zwierząt w badaniach przedklinicznych, co wpisuje się w kierunek działań amerykańskiej FDA, zmierzającej do stopniowego wycofywania obowiązku testów na zwierzętach przy opracowywaniu leków.
Jak działa syntetyczne rusztowanie przypominające mózg?
Opracowany materiał stanowi trójwymiarowe rusztowanie, na którym możliwe jest hodowanie komórek mózgowych pochodzących od dawców. To rusztowanie – w przeciwieństwie do biologicznych matryc – powstało z chemicznie obojętnego polimeru, glikolu polietylenowego (PEG). Standardowo komórki nie przyłączają się do PEG bez dodatków białkowych, takich jak laminina. Zespół badawczy rozwiązał ten problem, przekształcając PEG w skomplikowaną sieć teksturowanych, połączonych porów.
Labiryntowe struktury w rusztowaniu:
- umożliwiają komórkom przyłączanie się i kolonizowanie materiału,
- sprzyjają tworzeniu funkcjonalnych sieci neuronowych,
- pozwalają komórkom dojrzewać i wykazywać aktywność neuronalną specyficzną dla dawcy.
Prince David Okoro, główny autor badania, podkreśla:
Ponieważ zaprojektowane rusztowanie jest stabilne, pozwala na prowadzenie badań długoterminowych. Jest to szczególnie ważne, ponieważ dojrzałe komórki mózgowe lepiej odzwierciedlają rzeczywistą funkcję tkanki podczas badania istotnych chorób lub urazów.
Dzięki temu naukowcy mogą modelować m.in.:
- urazy mózgu,
- udary mózgu,
- choroby neurodegeneracyjne,
- indywidualną odpowiedź neuronów na leki.
Innowacyjna produkcja – kontrola na poziomie mikrostruktur
W celu stworzenia rusztowania zespół zastosował zaawansowaną technikę przepływową. Woda, etanol i PEG przemieszczały się przez zagnieżdżone kapilary szklane. Na ostatnim etapie mieszanina trafiała do strumienia wody, gdzie jej składniki naturalnie rozdzielały się, tworząc porowatą strukturę. Krótkie naświetlenie światłem utrwalało tę konfigurację, nadając jej trwałość. Powstała forma:
- poprawia dyfuzję tlenu i substancji odżywczych,
- stanowi złożoną przestrzeń do zasiedlania przez komórki macierzyste,
- umożliwia tworzenie zorganizowanych, funkcjonalnych sieci neuronalnych.
Profesor Noshadi podsumowuje:
Ten materiał zapewnia komórkom to, czego potrzebują do wzrostu, organizacji i komunikacji w skupiskach przypominających mózgi. Ponieważ struktura ta bardziej przypomina biologię, możemy zacząć projektować modele tkanek z dużo większą kontrolą nad zachowaniem komórek.
Od modeli mózgu do multinarządowych platform przyszłości
Badania rozpoczęły się w 2020 roku, a obecny model tkanki mózgowej ma około dwóch milimetrów średnicy. Zespół pracuje nad jego skalowaniem i równolegle rozwija modele innych tkanek – opublikowano już m.in. powiązany artykuł dotyczący syntetycznej tkanki wątroby. Długoterminowa wizja obejmuje stworzenie połączonych kultur narządowych, które będą odzwierciedlały interakcje między układami organizmu. Jak wskazuje Noshadi:
Połączony system pozwoliłby nam zobaczyć, jak różne tkanki reagują na to samo leczenie i jak problem w jednym narządzie może wpływać na inny. To krok w kierunku bardziej zintegrowanego zrozumienia biologii człowieka i chorób.
Takie platformy mogą odegrać kluczową rolę w opracowaniu spersonalizowanych terapii, testowaniu bezpieczeństwa leków oraz lepszym zrozumieniu patofizjologii chorób.
Główne wnioski
- Naukowcy stworzyli pierwszą syntetyczną tkankę mózgową bez wykorzystania materiałów pochodzenia zwierzęcego, co znacząco zwiększa powtarzalność i kontrolę nad eksperymentami.
- Rusztowanie z glikolu polietylenowego (PEG) zostało przekształcone w porowatą strukturę rozpoznawaną przez komórki neuronalne, umożliwiając powstawanie funkcjonalnych sieci nerwowych specyficznych dla dawcy.
- Model umożliwia długoterminowe badania nad urazami mózgu, udarem i chorobami neurodegeneracyjnymi, wspierając jednocześnie trend redukcji testów na zwierzętach zgodny z kierunkiem FDA.
- Ostatecznym celem zespołu jest stworzenie zintegrowanych modeli narządów, które pozwolą analizować interakcje między układami organizmu i testować terapie w sposób bardziej zbliżony do biologii człowieka.
Źródło:
- University of California – Riverside
- https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202509452
