Zinātnieki no cilmes šūnām ir izaudzējuši vairāk nekā 400 nervu šūnu veidus

Nervu šūnas nav tikai nervu šūnas. Ja tās aplūko pietiekami detalizēti, jaunākie aprēķini liecina, ka cilvēka smadzenēs ir vairāki simti vai pat vairāki tūkstoši dažādu veidu nervu šūnu. Šie veidi atšķiras pēc savām funkcijām, izaugumu skaita un garuma, kā arī pēc tā, kā tie savienojas viens ar otru. Tie sinapsēs izdala dažādus neirotransmiterus, un atkarībā no smadzeņu apgabala — piemēram, smadzeņu garozas vai vidussmadzenēm — ir aktīvi dažādi šūnu veidi.

Kad zinātnieki eksperimentu vajadzībām audzēja nervu šūnas no cilmes šūnām Petri trauciņos, viņi nespēja izskaidrot visu šo daudzveidību. Līdz nesenam laikam pētnieki bija izstrādājuši metodes tikai dažu desmitu dažādu nervu šūnu veidu audzēšanai in vitro. Lai to izdarītu, viņi izmantoja ģenētiskās inženierijas pieejas vai pievienoja signālmolekulas, lai aktivizētu specifiskus intracelulārus signālceļus. Taču viņi nekad nebija tikuši tuvu simtiem vai tūkstošiem dažādu nervu šūnu veidu daudzveidības, kas pastāv organismā.

"No cilmes šūnām iegūtie neironi bieži tiek izmantoti slimību pētīšanai. Taču līdz šim pētnieki bieži vien ir ignorējuši to, ar kāda veida neironiem viņi strādā," saka Barbara Treutleina, profesore Biosistemu zinātnes un inženierzinātņu katedrā ETH Cīrihē Bāzelē.

Tomēr viņa saka, ka šī nav labākā pieeja šādam darbam.

"Ja mēs vēlamies izstrādāt šūnu modeļus tādu slimību un traucējumu kā Alcheimera slimība, Parkinsona slimība un depresija pētīšanai, mums jāņem vērā konkrētais nervu šūnu veids, kas iesaistīts patoloģiskajā procesā."

Sistemātiska skrīnings kā panākumu atslēga

Treutleina un viņas komanda tagad ir veiksmīgi radījušas vairāk nekā 400 dažādu veidu nervu šūnas, paverot ceļu precīzākiem fundamentāliem neiroloģiskiem pētījumiem, izmantojot šūnu kultūras.

ETH zinātnieki to panāca, strādājot ar cilvēka inducētu pluripotentu cilmes šūnu kultūru, kas iegūtas no asins šūnām. Šajās šūnās viņi ģenētiski inženierēja noteiktus neironu regulējošos gēnus un apstrādāja šūnas ar dažādiem morfogēniem – īpašu signalizācijas molekulu klasi. Treutleina komanda izmantoja sistemātisku pieeju: septiņus morfogēnus dažādās kombinācijās un koncentrācijās savos skrīninga eksperimentos. Tas galu galā deva gandrīz 200 dažādus eksperimentālo apstākļu kopumus.

Morfogēni

Morfogēni ir signalizējošas vielas, kas zināmas no embrionālās attīstības pētījumiem. Tie embrijā ir sadalīti nevienmērīgi un dažādās koncentrācijās veido telpiskus gradientus. Tādējādi tie nosaka šūnu novietojumu embrijā – piemēram, vai šūna atrodas tuvāk ķermeņa asij vai atrodas aizmugurē, uz vēdera, galvas vai rumpja rajonā. Attiecīgi morfogēni palīdz noteikt, kuras struktūras veidosies dažādās ķermeņa daļās.

Zinātnieki izmantoja dažādas analīzes metodes, lai pierādītu, ka eksperimentā viņiem ir izdevies iegūt vairāk nekā 400 dažādu veidu nervu šūnas. Viņi pētīja RNS (un līdz ar to arī ģenētisko aktivitāti) atsevišķu šūnu līmenī, kā arī šūnu izskatu un funkcijas, piemēram, kāda veida šūnu procesi tām piemīt un kādus elektriskos nervu impulsus tās izstaro.

Pēc tam pētnieki salīdzināja savus datus ar informāciju no cilvēka smadzeņu neironu datubāzēm. Tas ļāva viņiem noteikt izveidoto nervu šūnu veidus, piemēram, perifērās nervu sistēmas šūnas vai smadzeņu šūnas, kā arī to, no kuras smadzeņu zonas tās cēlušās un par ko šīs šūnas ir atbildīgas – sāpju, aukstuma, kustības uztveršanu utt.

In vitro neironi aktīvo vielu meklēšanai

Treutleins teica, ka viņi joprojām ir tālu no spējas in vitro saražot visus organismā esošos nervu šūnu veidus. Tomēr pētniekiem tagad ir pieejami daudz vairāk dažādu šūnu veidu nekā iepriekš.

Viņi vēlas izmantot in vitro audzētus neironus, lai izstrādātu šūnu modeļus nopietnu neiroloģisku slimību, tostarp šizofrēnijas, Alcheimera slimības, Parkinsona slimības, epilepsijas, miega traucējumu un multiplās sklerozes, pētīšanai. Šādi šūnu modeļi ir arī ļoti interesanti farmaceitiskajiem pētījumiem, ļaujot pārbaudīt jaunu aktīvo savienojumu iedarbību šūnu kultūrās, neizmantojot dzīvniekus, un galvenais mērķis ir kādu dienu iemācīties izārstēt šīs slimības.

Nākotnē šīs šūnas varētu izmantot arī šūnu aizstājterapijai, kurā slimas vai mirušas smadzeņu nervu šūnas tiek aizstātas ar jaunām cilvēka šūnām.

Taču, pirms tas var notikt, ir jāatrisina problēma: savos eksperimentos pētnieki bieži vien radīja vairāku dažādu veidu nervu šūnu maisījumu. Tagad viņi strādā pie metodes optimizēšanas, lai katrs eksperimentālais apstāklis radītu tikai viena veida šūnas. Viņiem jau ir dažas sākotnējās idejas par to, kā to izdarīt.