Cunoașterea dezvoltării creierului uman este esențială pentru a înțelege modul în care lucrurile se întâmplă în cazul afecțiunilor de dezvoltare neuronală, de la dizabilități intelectuale și epilepsie la schizofrenie și autism. Însă, cercetătorii nu pot face progrese în înțelegerea creșterii creierului uman, întrucât există insuficiente modele realizate pe animale. Astfel, oamenii de știință nu înțeleg pe deplin procesul. „Știm puține lucruri despre etapele incipiente, deoarece situația este foarte similară cu ceea ce se întâmplă la rozătoare”, spune psihiatrul Sergiu Paca de la Universitatea Stanford. „Dar tot ce se petrece după cel de-al doilea trimestru al sarcinii și la scurt timp după naștere este insuficient înțeles.”
Aici intră în discuție optimizarea „organoidelor” pentru creierul uman: celule dezvoltate în clustere 3-D în laborator și proiectate să imite compoziția țesutului organului. Tehnologia a ajuns recent la punctul în care anumite regiuni ale creierului pot fi modelate pentru perioade suficient de lungi pentru a permite cercetătorilor să le studieze dezvoltarea. Paca și colegii săi au folosit modele construite din organoide ale unor părți ale creierului uman (sediul unor abilități cognitive superioare, cum ar fi gândirea complexă, percepția și mișcarea voluntară), pentru a analiza modul în care activitatea genelor conduce la dezvoltarea creierului. „Lucrarea aduce o nouă înțelegere a modului în care, pe măsură ce creierul se formează, regiuni de reglementare distincte ale genomului sunt utilizate pentru a executa sarcini specifice – de exemplu, generarea de tipuri specifice de neuroni”, spune neurologul Paola Arlotta de la Universitatea Harvard, care nu a fost implicat în noul studiu. Cercetătorii au folosit descoperirile pentru a cartografia genele asociate cu anumite tulburări, la anumite tipuri de celule, în anumite stadii, oferind o perspectivă asupra originii unor afecțiuni precum autismul sau schizofrenia.
În cadrul studiului, publicat recent în revista Science, echipa lui Paca a introdus celulele stem pluripotente în culturi 3-D, imitând cea mai timpurie etapă a două părți din creierul anterior uman. Aceste structuri de celule stem au inclus două tipuri: sferoide corticale, care imitau creierul anterior dorsal și sferoidele subpapilare, care reprezentau creierul anterior frontal sau ventral. Cercetătorii au introdus celulele pentru a forma țesutul cerebral (celule progenitoare neuronale), folosind un amestec de medicamente și proteine. Zona ventrală a creierului uman conține neuroni inhibitori, care nu sunt prezenți inițial în regiunea dorsală, dar care migrează acolo mai târziu. Echipa a creat un model al regiunii ventrale prin adăugarea unei proteine în plus la sferoidele corticale, la momentul potrivit. De acolo, organoidele se dezvoltă automat, mai întâi generând diferite tipuri de neuroni și, apoi, formând alte celule ale creierului, numite celule gliale.
Cercetătorii au utilizat o tehnică de secvențiere genetică numită ATAC-seq, pentru a evalua ce gene erau accesibile pentru formarea proteinelor, care dintre ele erau active și în ce etape și tipuri de celule devin active. (ADN-ul este învelit într-o structură numită cromatină, care își schimbă forma pentru a ajunge la gene). Echipa a pus aceste date la dispoziția comunității online de cercetare. „Aceasta este una dintre primele analize ale structurii cromatinei: părțile ADN-ului care sunt deschise influențează comportamentul genelor ce creează proteine și, prin urmare, funcțiile celulelor”, spune neurologul Madeline Lancaster din Universitatea din Cambridge, care nu a fost implicată în studiu. „Este o descoperire importantă. Și faptul că îl putem avea în diverse momente, în timpul dezvoltării organoidelor creierului, reprezintă o resursă excelentă.”
Cercetătorii au dezvoltat organoide timp de 20 de luni, acoperind stadiul prenatal și postnatal de dezvoltare. „Dezvoltarea creierului uman este un proces incredibil de lung”, spune Paca. „Este nevoie de 27 de săptămâni doar pentru a crea toți neuronii din cortexul cerebral. Apoi, începând cu trimestrul al treilea, se produc celule gliale, care își continuă dezvoltarea mult după naștere”, spune el. Cercetătorii și-au comparat datele cu seturile de date din eșantioanele de țesut uman existente, pentru a confirma că modificările pe care le-au observat sunt comparabile cu cele care apar în creierul uman. Astfel de organoide au încă multe limitări. „Nu există o vascularizație, aport senzorial sau un ansamblu de celule microgliale (celulele de supraveghere imunitară ale creierului, care sunt derivate în afara creierului)”, spune Paca. „În ciuda acestui fapt, descoperim că există un program intrinsec: celulele știu când și cum să devină specifice, pentru a îndeplini un anume tip de funcție.”
O mare parte din această dezvoltare are loc în timpul unor activități care durează între 80 și 260 de zile, timp în care modificările genetice generează diferitele tipuri de celule. „Este foarte interesant să poți urmări desfășurarea acestor evenimente dinamice de reglementare, pe măsură ce organoidele se dezvoltă”, spune Arlotta. „Există atât de multe informații noi aici pentru a ne ghida ani de zile în decodificarea mecanismelor care formează creierul uman.” Analizele ulterioare au identificat unele proteine ca fiind potențiale elemente cheie care conduc acest proces – un prim pas critic.
După aceea, echipa a folosit datele pentru a afla când genele legate de schizofrenie și autism au fost active și în ce tipuri de celule au fost active. „Unele dintre aceste procese sunt în fază incipientă de dezvoltare, dar sincronizarea este diferită pentru autism și schizofrenie”, supne Paca. Multe gene cu risc de autism au apărut în celulele progenitoare, în timp ce genele de schizofrenie au devenit active mai târziu – în celulele gliale și în neuronii inhibitori, de exemplu. „O anomalie genetică mai puternică și mai timpurie (cum ar fi mutația) a creierului în procesul de dezvoltare este probabil asociată cu autismul”, spune Paca. „Una mai târzie, care apare mai subtil, dar poate avea consecințe pe termen lung, este asociată cu schizofrenia.”
Următorul pas este analizarea modului în care variantele genetice găsite la pacienții cu o serie de tulburări neurologice afectează dezvoltarea organoidelor creierului. „Acest studiu oferă o resursă valoroasă la care putem să ne uităm atunci când o anumită boală genetică poate juca un rol”, spune Lancaster. „Asta ne spune ce stadiu să urmărim dacă producem o mutație acelei gene.” Paca are același obiectiv în minte: „Mai întâi trebuie să creăm această hartă a creierului, în curs de dezvoltare, iar, în final, să o folosim pentru a înțelege boala”, spune el.