David Orenstein, Massaçusets Texnologiya İnstitutu

Andrew Zinin tərəfindən redaktə edilmişdir

 Redaktorların qeydləriMavi rəngləmə, miBrain mədəniyyətinə inteqrasiya olunmuş altı əsas hüceyrə növünün hər birini göstərir. Kredit: MIT Picower İnstitutu / Koch İnstitutu

MIT tədqiqatçıları tərəfindən hazırlanmış yeni 3D insan beyin toxuması platforması neyronlar, glial inkişaflar və damar də daxil olmaqla bütün əsas beyin inkişafını birləşdirən ilk platformadır. Ayrı-ayrı donorların induksiya etdiyi pluripotent kök qurğularından yetişdirilən, Çox Hüceyrəli İnteqrasiya Beyinləri (miBrains) adlanan bu modellər insan beyin toxumasının əsas xüsusiyyətlərini və funksiyalarını təkrarlayır, gen redaktəsini artırmaq imkanı ilə fərdiləşdirilə və geniş miqyaslı tədqiqatları əlavə olaraq istehsaldan istifadə edir.

Hər bir vahid bir qəpikdən kiçik olsa da, miBrains beyin biologiyasını daha yaxşı başa düşmək və təmiri müalicə etmək üçün ehtiyac mürəkkəb canlı laboratoriya modellərinə olan tədqiqatçılar və dərmanlar hazırlayanlar üçün çox dəyərli ola bilər.

“MiBra insan beynində mövcud olan altı əsas yeni növün hamısının bütün sistemi yeganədir” dedi Picower Professoru, Öyrənmə və Yaddaş üzrə Picower Professorunun direktoru və miBrainləri təsvir edən tədqiqatın baş müəllifi Li-Huei Tsai, Milli Elmlər Akademiyasının Protokolunda dərc olunub.

“İlk tətbiqi miBrains, Alzheimer xəstəliyinin ən imkanında çox yayılmış genetik markerlərindən birinin patoloji müalicəsi üçün ölümcül təsirini necə dəyişdirdiyini aşkar etməyə verdi” dedi.

Tsainin həm-böyük müəllifləri Robert Langer, David H. Koch (1962) İnstitutunun professoru və Nyu Yorkdakı Sina dağında İcahn Tibb Məktəbinin dosenti və keçmiş Tsai Laboratoriyasının postdoktu Coel Blançarddır. Tədqiqata və Tsai laboratoriyalarında Langer postdok, hazırkı Harvard Tibb Məktəbində və Massaçusets Ümumi Xəstəxanasında dosent olan Alice Stanton və keçmiş Tsai laboratoriyasında postdok və Arbor Biotechnologies-in hazırkı baş alimi Adele Bubnys texnologiya edir.

İki növ modeldən faydalanır

Model beynin mürəkkəbliyini nə qədər yaxından təkrarlayırsa, insan biologiyasının necə işlədiyini və potensial müalicələrin xəstələrə necə təsir edə biləcəyini ekstrapolyasiya etmək üçün bir o qədər uyğundur. Beyində neyronlar bir-biri ilə və müxtəlif köməkçi hüceyrələrlə qarşılıqlı əlaqədə olur, bunların hamısı qan damarlarını və digər komponentləri əhatə edən üçölçülü toxuma mühitində təşkil edilir . Bütün bu qarşılıqlı təsirlər sağlamlıq üçün lazımdır və onlardan hər hansı biri xəstəliyə səbəb ola bilər.

Yalnız bir və ya bir neçə hüceyrə növündən ibarət sadə mədəniyyətlər miqdarca nisbətən asanlıqla və tez yaradıla bilər, lakin onlar tədqiqatçılara sağlamlıq və ya xəstəliyi anlamaq üçün vacib olan saysız-hesabsız qarşılıqlı əlaqə haqqında məlumat verə bilməzlər. Heyvan modelləri beynin mürəkkəbliyini təcəssüm etdirir, lakin onu saxlamaq çətin və bahalı ola bilər, nəticə verməkdə ləngiyə bilər və bəzən fərqli nəticələr vermək üçün insanlardan kifayət qədər fərqli ola bilər.

miBrains laboratoriyada yetişdirilmiş hüceyrə xətlərinin əlçatanlığını və sürətinin çoxunu saxlayaraq, tədqiqatçılara insan beyin toxumasının mürəkkəb biologiyasını daha yaxından əks etdirən nəticələr əldə etməyə imkan verən hər bir model növünün üstünlüklərini birləşdirir . Üstəlik, onlar fərdi xəstələrdən əldə edilir və onları fərdin genomuna uyğunlaşdırır. Modeldə altı hüceyrə növü digər xüsusiyyətlər arasında qan damarları, immunitet müdafiəsi və sinir siqnalının ötürülməsi də daxil olmaqla fəaliyyət göstərən vahidlərə öz-özünə yığılır. Tədqiqatçılar, miBrainlərin, həmçinin əksər ənənəvi dərmanlar da daxil olmaqla, beynə hansı maddələrin daxil ola biləcəyini idarə edə bilən qan-beyin maneəsinə malik olmasını təmin etdilər.

“MiBrain elmi nailiyyət kimi çox həyəcan vericidir” dedi Langer. “Dərmanların hazırlanmasında heyvan modellərinin istifadəsinin minimuma endirilməsi istiqamətində son tendensiyalar bu kimi sistemləri yeni insan dərman hədəflərini kəşf etmək və inkişaf etdirmək üçün getdikcə daha vacib vasitələrdən birinə çevirə bilər.”

Funksional beyin modelləri üçün iki ideal qarışıq

Çox sayda hüceyrə növünü birləşdirən bir modelin dizaynı aradan qaldırmaq üçün uzun illər tələb edən çətinliklər təqdim etdi. Hüceyrələrin fiziki quruluşunu təmin edə bilən və onların canlılığını dəstəkləyə bilən substratın müəyyən edilməsi ən mühümləri arasında idi. Tədqiqat qrupu təbii toxumadakı hüceyrələri əhatə edən mühitdən, hüceyrədənkənar matriksdən (ECM) ilham aldı. miBrain-in hidrojel əsaslı “neyromatrix”i beynin ECM-ni polisaxaridlərin, proteoqlikanların və bazal membranın xüsusi qarışığı ilə təqlid edir və bu, funksional neyronların inkişafını təşviq etməklə yanaşı, beynin bütün əsas hüceyrə növləri üçün baza təmin edir.Oyna

00:00

01:19SəssizParametrlərPIPTam ekrana daxil olun

İkinci bir qarışıq da kritik olacaq: funksional sinir-damar vahidləri ilə nəticələnəcək hüceyrələrin nisbəti. Hüceyrə növlərinin həqiqi nisbətləri son bir neçə onillikdə müzakirə mövzusu olmuşdur, hətta daha təkmil metodologiyalar rəhbərlik üçün yalnız kobud fırça vuruşlarını təmin edir, məsələn, bütün hüceyrələrin oliqodendroqliyaları üçün 45-75% və ya astrositlər üçün 19-40%.

Tədqiqatçılar xəstələr tərəfindən verilmiş induksiya edilmiş pluripotent kök hüceyrələrdən altı hüceyrə növünü inkişaf etdirərək , hər bir kultura hüceyrə növünün təbii olaraq meydana gələn beyin hüceyrələrini yaxından yenidən yaratdığını təsdiqlədilər. Daha sonra komanda funksional, düzgün qurulmuş neyrovaskulyar bölmələrlə nəticələnən hüceyrə tiplərinin balansına çatana qədər eksperimental olaraq təkrarladı. Bu zəhmət tələb edən proses miBrainlərin üstünlüklü xüsusiyyətinə çevriləcək: hüceyrə növləri ayrı-ayrılıqda becərildiyi üçün onların hər biri genetik olaraq redaktə edilə bilər ki, nəticədə ortaya çıxan model xüsusi sağlamlıq və xəstəlik hallarını təkrarlamaq üçün uyğunlaşdırılsın.

“Onun yüksək modul dizaynı miBrain-i fərqləndirir, hüceyrə girişləri, genetik fonlar və sensorlar üzərində dəqiq nəzarət təklif edir – xəstəliklərin modelləşdirilməsi və dərman testi kimi tətbiqlər üçün faydalı xüsusiyyətlər” dedi Stanton.

miBrain istifadə edərək Alzheimer kəşfi

MiBrain-in imkanlarını yoxlamaq üçün tədqiqatçılar Alzheimer xəstəliyinin inkişafı üçün ən güclü genetik proqnozlaşdırıcı olan APOE4 gen variantının tədqiqinə başladılar . Bir beyin hüceyrəsi növü olan astrositlərin APOE zülalının əsas istehsalçısı olduğu bilinsə də, APOE4 variantını daşıyan astrositlərin xəstəlik patologiyasında oynadığı rol zəif başa düşülür.

miBrains iki səbəbə görə tapşırığa uyğun idi. Hər şeydən əvvəl, astrositləri beynin digər hüceyrə növləri ilə birləşdirirlər ki, onların digər hüceyrələrlə təbii qarşılıqlı əlaqəsi təqlid olunsun. İkincisi, platforma komandaya hüceyrə növlərini fərdi şəkildə inteqrasiya etməyə imkan verdiyi üçün, APOE4 astrositləri, Alzheimer riskini artırmayan bir gen variantı olan APOE3-ü daşıyan bütün digər hüceyrə növlərinin olduğu mədəniyyətlərdə öyrənilə bilərdi. Bu, tədqiqatçılara APOE4 astrositlərinin patologiyaya verdiyi töhfəni təcrid etməyə imkan verdi.

Təcrübələrin birində tədqiqatçılar APOE4 miBrains-də olanlarla müqayisədə tək becərilmiş APOE4 astrositlərini araşdırdılar. Onlar aşkar etdilər ki, yalnız miBrainlərdə astrositlər Alzheimer xəstəliyi ilə əlaqəli bir çox immun reaktivlik ölçülərini ifadə etdilər və bu, çoxhüceyrəli mühitin bu vəziyyətə kömək etdiyini göstərir.

Tədqiqatçılar həmçinin Alzheimer ilə əlaqəli amiloid və fosforlanmış tau zülallarını izlədilər və bütün APOE4 miBrainlərin onları topladığını, bütün APOE3 miBrainlərin isə gözlənildiyi kimi olmadığını tapdılar. Bununla belə, APOE4 astrositləri olan APOE3 miBrains-də, APOE4 miBrainlərinin hələ də amiloid və tau yığılması nümayiş etdirdiyini aşkar etdilər.

Daha sonra komanda APOE4 astrositlərinin digər hüceyrə növləri ilə qarşılıqlı təsirinin onların xəstəlik patologiyasına necə töhfə verə biləcəyini daha dərindən araşdırdı. Əvvəlki tədqiqatlar beynin mikroqliya immun hüceyrələri ilə molekulyar çarpaz söhbətə səbəb olmuşdur. Qeyd edək ki, tədqiqatçılar mikroglia olmadan APOE4 miBrains becərdikləri zaman onların fosforlaşdırılmış tau istehsalı əhəmiyyətli dərəcədə azalıb. Tədqiqatçılar APOE4 miBrainləri astrositlərdən və mikroqliyalardan olan mədəniyyət mühitləri ilə birlikdə doza etdikdə, fosforlanmış tau artdı, halbuki onları tək astrosit və ya mikroglia mədəniyyətlərindən olan media ilə doza etdikdə tau istehsalı artmadı. Nəticələr buna görə də mikroglia və astrositlər arasında molekulyar çarpaz əlaqənin fosforlanmış tau patologiyası üçün həqiqətən tələb olunduğuna dair yeni sübutlar təqdim etdi.

Gələcəkdə tədqiqat qrupu çalışan beyinlərin xüsusiyyətlərini daha yaxından modelləşdirmək üçün miBrains-ə yeni funksiyalar əlavə etməyi planlaşdırır, məsələn, neyronların profilini yaxşılaşdırmaq üçün qan damarlarından axın əlavə etmək üçün mikrofluidiklərdən və ya təkhüceyrəli RNT sıralama üsullarından istifadə etmək.

Tədqiqatçılar gözləyirlər ki, miBrains Alzheimer xəstəliyi və ondan kənarda tədqiqat kəşflərini və müalicə üsullarını inkişaf etdirə bilər.

“Onun mürəkkəbliyini və modulluğunu nəzərə alsaq, sonsuz gələcək istiqamətləri var” dedi Stanton. “Onların arasında biz onu xəstəlik hədəfləri, terapevtik effektivliyin qabaqcıl oxunuşları və dərmanların çatdırılması vasitələrinin optimallaşdırılması ilə bağlı yeni anlayışlar əldə etmək üçün istifadə etmək istərdik.”

“Fərqli fərdlər üçün fərdiləşdirilmiş miBrainlər yaratmaq imkanı məni çox həyəcanlandırır” dedi Tsai. “Bu, fərdiləşdirilmiş tibbin inkişafına yol açacağını vəd edir.”

Ətraflı məlumat: Mühəndisləşdirilmiş 3D İmmuno-Qlial-Neyrovaskulyar İnsan miBrain Modeli, Milli Elmlər Akademiyasının Materialları (2025). DOI: 10.1073/pnas.2511596122

Jurnal məlumatı: Milli Elmlər Akademiyasının Materialları Massaçusets Texnologiya İnstitutu tərəfindən təmin edilmişdir 

Daha çox araşdırın

Tədqiqatçılar “Alzheimer geni” ilə COVID-19 arasındakı əlaqəni araşdırırlar