Neurobiolog z warszawskiego Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Nenckiego PAN prowadził badania w USA w Harwardzkiej Akademii Medycznej oraz Massachusetts General Hospital. Prace były współfinansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej a obecnie są kontynuowane w Instytucie Nenckiego.
- Pracowaliśmy przy tym projekcie w sumie ponad pięć lat i jesteśmy wręcz zaskoczeni tak spektakularnymi wynikami - mówi magazynowi Next polski naukowiec.
Niepraktyczna terapia odchudzająca
Razem z amerykańskimi kolegami prowadził doświadczenia na myszach cierpiących na chorobliwą otyłość mającą podłoże genetyczne. Dzięki naprawieniu niesprawnych obszarów w mysich mózgach, zwierzęta schudły. Umieszczenie w obrębie tzw. podwzgórza zdrowych komórek nerwowych pobranych od mysich zarodków pozwoliło naukowcom dokładnie prześledzić procesy naprawcze w mózgu. Okazało się, że wszczepione komórki dobrze się przyjmują, naprawiają uszkodzone przez chorobę genetyczną połączenia i normalizują przemianę materii.
Cały projekt opisany w "Science" nie miał jednak na celu opracowania kolejnej wyrafinowanej metody na zrzucenie kilku kilogramów. Podwzgórze to bardzo ważny i skomplikowany obszar mózgu. Odpowiada między innymi za regulację łaknienia, metabolizmu i temperatury ciała, związany jest z seksem i agresją. Potencjalne zastosowania nowej terapii mogą obejmować leczenie uszkodzeń rdzenia kręgowego, autyzmu, epilepsji, chorób Parkinsona, Huntigtona czy ALS.
- Wybraliśmy ten problem, chociaż nawet przez chwilę nie braliśmy pod uwagę wykorzystania przeszczepów neuronów do leczenia otyłości - wyjaśnia prof. Jeffrey Macklis z Uniwersytetu Harvarda, który kierował zespołem badaczy. - Zajęliśmy się bardzo skomplikowaną siecią neuronową podwzgórza, ponieważ pozwoliło to uzyskać jednoznaczne, mierzalne wyniki - nie tylko dotyczące otyłości u myszy, lecz także zmian zawartości glukozy w ich osoczu (podobnie jak przy cukrzycy u ludzi), zmian poziomu insuliny i proporcji ciężaru tkanki tłuszczowej do beztłuszczowej masy ciała - i wykorzystaliśmy tę złożoną sieć do sprawdzenia, czy precyzyjnie dobrane i kontrolowane przeszczepy neuronów mogą naprawdę przebudować mózg.
Naprawić błędu w mózgu
Harvardzkie Laboratorium Macklisa pracuje nad transplantacją neuronów do chorych lub uszkodzonych mózgów od wielu lat. Dotychczasowe badania pozostawiały jednak wątpliwości, co dokładnie dzieje się z przeszczepianymi komórkami - czy faktycznie łatają sieć połączeń mózgowych w przewidziany sposób. Stąd pomysł na eksperyment z otyłymi myszami.
Zadaniem dr. Artura Czupryna i współpracującej z nim dr Maggie Chen była transplantacja neuronów, a następnie - obserwacja ich rozwoju i integracji. Komórki w odpowiednim stadium rozwoju (które w dodatku są przezroczyste) należało umieścić bardzo precyzyjnie w określonej części podwzgórza.
Proteza uszkodzonych neuronów hipokampa Proteza uszkodzonych neuronów hipokampa Czytaj też: Mózg z komputerową protezą mechanizmów uczenia się
- Praca wymagała ogromnej precyzji, bo należało celnie wprowadzić neurony w interesujący nas fragment podwzgórza. Ponadto, zdrowe niedojrzałe neurony pobieraliśmy z mysich zarodków, gdzie rozwijające się podwzgórze jest mikroskopijnej wielkości - wyjaśnia dr. Czupryn. - Do przeszczepów używaliśmy swoistego "mikroskopu ultrasonograficznego" - ultrasonografu o dużej rozdzielczości , znacznie wyższej niż USG używane w szpitalach. Mogliśmy więc obserwować mysie mózgi bardzo dokładnie i przeprowadzić transplantację komórek prawie bezinwazyjnie. Mikropipeta, której używaliśmy, miała grubość zaledwie trzy-cztery razy większą od rozmiarów pojedynczego neuronu - opowiada badacz.
Następnie naukowcy analizowali działanie nowych obwodów w naprawianych mózgach zwierząt.
- Stwierdziliśmy, że te neurony nie tylko przekształciły się w komórki właściwego rodzaju, ale także wysyłały sygnały do mózgu biorców przeszczepu i przyjmowały je stamtąd - podkreśla prof. Macklis.
Na chorobę psychiczną - przeszczep
Ponieważ przeszczepione neurony pochodziły od myszy transgenicznych i były znakowane białkiem fluoryzującym pod mikroskopem na zielono, można je było łatwo zlokalizować podczas oceny efektów eksperymentu. Naukowcy przebadali więc naprawiane mózgi bardzo dokładnie i uzyskali potwierdzenie sukcesu prowadzonych przeszczepów. Zwłaszcza, że leczone gryzonie wyszczuplały, a ich metabolizm zaczął wracać do normalnego poziomu.
- Znamy tylko dwa obszary mózgu, w których cały czas, również u dorosłych osobników i na dużą skalę zachodzi tzw. neurogeneza, czyli powstawanie nowych neuronów - wyjaśnia prof. Macklis. - Nam się udało przebudować i przywrócić normalne funkcje złożonego fragmentu mózgu, w którym w naturalny sposób neurogeneza nie zachodzi.
- Odkryliśmy, że te komórki świetnie się integrują z połączeniami nerwowymi biorcy - dodaje prof. Matthew P. Anderson z Harvard Medical School, współautor pracy. - Oznacza to nowe ekscytujące możliwości w stosowaniu podobnych technik do leczenia chorób neurologicznych i psychicznych.
Przeszczepione komórki (zielony kolor na fotografii) obserwowane po wielu miesiącach w podwzgórzu myszy wykazują prawidłową budowę, mają białka typowe dla dorosłych neuronów (uwidocznione na fotografii kolorem żółtym) i mają czynne połączenia synaptyczne z neuronami biorcy przeszczepów. fot. A. Czupryn / Instytut Nenckiego PAN
Przeszczepione komórki (zielone) obserwowane po wielu miesiącach w podwzgórzu myszy wykazują prawidłową budowę i skład, oraz czynne połączenia synaptyczne z neuronami biorcy / fot. A. Czupryn / nencki.gov.pl
- Faktycznie te doświadczenia otwierają duże możliwości. Przede wszystkim wiemy już, że dzięki wprowadzeniu małej liczby komórek możemy uzupełniać niedobory neuronów w uszkodzonym mózgu, a poprzez przywrócenie brakujących funkcji mózgu mamy pewność, że te przeszczepione neurony są aktywne - komentuje dr Czupryn. - Jednak droga do zastosowania tej technologii u ludzi jest jeszcze długa.
Polski naukowiec wyjaśnia, że eksperymentowano już z odbudową uszkodzeń mózgu np. z użyciem komórek macierzystych, które w mózgu miały przekształcić się w neurony. Najczęściej prowadziło to jednak do niekontrolowanych przekształceń tych komórek i procesów nowotworzenia. Czasami więc eksperymentalna terapia kończyła się guzem mózgu. Nieźle zapowiadają się badania nad wszczepianiem komórek macierzystych, które są już na drodze przeobrażania się w komórki nerwowe. Praca dr. Czupryna i współpracowników dostarcza bardzo precyzyjnej technologii, w której mamy do czynienia z młodymi zdrowymi neuronami, które po przeszczepieniu specjalizują się i działają dokładnie tak, jak tego oczekujemy.
Zdaniem polskiego badacza, najbardziej obiecujące potencjalne zastosowania opisanej w "Science" terapii to leczenie uszkodzeń rdzenia kręgowego albo choroby Parkinsona - tj. schorzeń, w których medycyna już dość dobrze wie, co trzeba załatać.
dr Artur Czupryn fot. Instytut Nenckiego, Grzegorz Krzyżewski
dr. Artur Czupryn / fot. Instytut Nenckiego PAN, Grzegorz Krzyżewski
