על ידי יצירת מקום לרקמות קליפת המוח שמקורן באדם בתוך עכברים חיים, החוקרים בדקו באיזו מידה אורגנואידים יכולים להתפתח, להתחבר למערכת העצבים, ליצור פעילות עצבית ולהגיב לפציעה.
רקמה אורגנואידית. קרדיט תמונה: חואן גרטנר / Shutterstock. מחקר: קסנוקורטיקציה התפתחותית באמצעות אורגנואידים שמקורם באדם בעכברים
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת טֶבַעחוקרים יצרו Xenocortical (XCX) מודל עכבר שבו אורגנואידים בקליפת המוח שמקורם באדם תפסו את רוב החלל שמלא בדרך כלל על ידי קליפת העכבר. השתלים פיתחו סוגי תאי קליפת מוח אנושיים מגוונים, הקשורים למערכת העצבים המארחת, יצרו פעילות עצבית מאורגנת, ויצרו תגובות ניתנות למדידה לפציעה היפוקסית.
רֶקַע
קשה לחקור רקמת מוח אנושית במהלך הפיתוח, מה שגרם לחוקרים להשתמש באורגנואידים קורטיקליים שמקורם בתאי גזע כמודלים ניסיוניים. רקמות תלת-ממדיות אלו יכולות לשחזר היבטים של נוירוגנזה וגליוגנזה בקליפת המוח, אך אורגנואידים הגדלים בכלי מעבדה אינם יכולים לתפוס כיצד תאי עצב אנושיים מקיימים אינטראקציה עם מערכת עצבים חיה או משפיעים על התנהגות.
השתלת אורגנואידים בקליפת המוח אנושית למכרסמים מציעה דרך אחת לחקור תהליכים אלה in vivo. עם זאת, הגישות הקיימות משאירות את קליפת המוח המארח שלמה, מגבילות את החלל הזמין לצמיחת השתל ויוצרות תחרות בין מעגלים עצביים של בני אדם ומכרסמים.
לכן, החוקרים ביקשו ליצור מודל עכבר עם שטח קליפת מוח גדול יותר זמין עבור רקמה שמקורה באדם תוך שמירה על היכולת למדוד פעילות עצבית, קישוריות, התנהגות ותגובות לפציעה.
לגבי המחקר
חוקרים יצרו עכברים אפאליים בעלי חוסר חיסוני על ידי מחיקה מותנית של גורם הלכידות הכרומטידי האחות אסקו2 בתאים המבטאים את סמן הפליום הגבי והמדיאלי Emx1 על כשל חיסוני משולב חמור (SCID) רקע. אסטרטגיה גנטית זו הוציאה חלק גדול מהניאוקורטקס וההיפוקמפוס של העכבר.
גזע פלוריפוטנטי המושרה על ידי האדם (מָתנַיִםתאים התמיינו לאורגנואידים בקליפת המוח. ארבעה אורגנואידים, בני 30 עד 60 ימים, הושתלו בעכברים אפאליים בין גיל 5 ל-17 ימים.
הצוות עקב אחר גידול וארגון השתל באמצעות הדמיית מוח, פרופיל מולקולרי, מעקב עצבי, תעתיק מרחבי, הדמיית סידן והקלטות אלקטרופיזיולוגיות. בדיקות התנהגות העריכו תנועה, הליכה, התנהגות ספונטנית, ביצועים הקשורים לזיכרון, העדפה חברתית ותגובות חושיות.
החוקרים גם חשפו עכברים להיפוקסיה חמורה כדי לקבוע אם השתלים האנושיים יצרו תגובות תאים והתנהגותיות ניתנות למדידה לפציעה.
תוצאות המחקר
האסטרטגיה הגנטית הידלדלה בצורה ניכרת את הפליום הגבי והמדיאלי. הדמיית תהודה מגנטית (MRI) הראה בערך 50% פחות רקמת מוח בעכברים אפאליים מאשר בבקרות.
רצף חומצה ריבונוקלאית חד גרעיני (snRNA-seq) יצרו 880,149 פרופילים והראו דלדול פי שבעה של מחלקות עצביות גלוטמטרגיות הנובעות מהגב, עם אובדן רחב בין תת-מחלקות גלוטמטרגיות ניאוקורטיקליות והיפוקמפוסיות. אוכלוסיות פליאליות גחוניות ולרוחב גלוטמטרגיות נשמרו באופן יחסי.
השתלים האנושיים גדלו מאוד לאחר ההשתלה. בין 29 עכברים שקיבלו אורגנואידים משלוש שורות תאים hiPS, הישרדות השתל הייתה 86.2%. MRI הראה עלייה של פי 4.7 בנפח השתל בין חודשיים ל-3 חודשים לאחר ההשתלה. לאחר 3 חודשים, רקמות שמקורן באדם היוותה 91.9% מנפח הרקמה המשולבת בקליפת המוח.
מעקב עצבי זיהה מסלולים מאורגנים שמקורם באדם ותשומות מארח מאזורים הכוללים הפלאוקורטקס, התלמוס והפלידום. הדמיה משוקללת דיפוזיה הצביעה בעיקר על ארגון dorsoventral של מבנה מיקרו של רקמות, בעוד שהקרנות דלילות שמקורן באדם נמשכו לתוך חוט השדרה הצווארי.
השתלים הכילו גם שכבה 5 extratelencephalic (L5-ET) נוירונים גלוטמטרגיים, אוכלוסיית נוירון הקרנה שנוצרת לעתים רחוקות באורגנואידים בקליפת המוח שגדלו במעבדה. שיעורם היה יותר משלושה מזה שדווח בגישות השתלות קודמות.
נוירון פון אקונומי (VENתאים דמויי ) זוהו בכל שלושת עכברי XCX שנדגמו. החוקרים תיארו את התאים האלה כדומים ל-VEN בהתבסס על המורפולוגיה שלהם במקום לאשר שהם היו נוירונים של אקונומי בשלים לחלוטין.
הדמיית סידן הראתה התפרצויות סינכרוניות גדולות של פעילות עצבית שנמשכו עשרות שניות וחוזרות על עצמן כל כמה דקות. אירועים בודדים החלו באופן מקומי והתפשטו על פני השתל תוך כ-100 מילישניות. הקלטות פוטנציאליות מקומיות של שדה אישרו התפרצויות קוהרנטיות ברחבי הרשת, בעוד שפעילות הסידן הייתה בקורלציה עם תנועת אור-פנים.
למרות דלדול נרחב של קליפת המוח המקומית, עכברי בקרה, אפליאלים ו-XCX הראו תנועה דומה במידה רבה. רצף תנועה הצביע על כך שדלדול קליפת המוח שינה את הארגון מסדר גבוה של התנהגות ספונטנית, בעוד ההשתלה העבירה את דפוס ההתנהגות הזה מבלי להחזיר אותו למצב הבקרה.
גם עכברים אפאליים וגם עכברים XCX הראו שינויים בתיאום כפות. ב-Y-maze, עכברי בקרה ו-XCX ביצעו מעל המקרה, בעוד עכברי אפליה לא. ממצא זה לא קבע שהשתל האנושי שיחזר את זיכרון העבודה.
עכברי Apallial ו-XCX הראו גם הקפאה מופחתת במהלך התניה אברסיבית של עקבות ובדיקות הקשריות. העדפת החברותיות לא הייתה שונה בין הקבוצות, אם כי עכברים אפאליים חקרו פחות באופן כללי, ואף אחת מהקבוצות לא העדיפה עכבר חדש על פני עכבר מוכר. רגישות מכנית ותרמית היו דומות בין הקבוצות.
לאחר מכן בדקו החוקרים האם קסנוקורטיקציה יכולה לספק תגובות מדידות לפגיעה מוחית. לאחר הפחתה הדרגתית בחמצן האטמוספרי, עכברים נחשפו ל-5% חמצן למשך 5 שעות.
פקטור 1 אלפא הניתן להיפוקסיה (HIF1α) זוהה באופן בולט בשתל האנושי מיד לאחר החשיפה, אך לא היה מורגש בפלאוקורטקס עכברים סמוכים או בעכברי ביקורת שנחשפו באופן דומה. הדמיה משוקללת רגישות גילתה מאוחר יותר כלי דם תת-אינטנסיביים מוגברת בעכברי XCX פצועים.
בתוך השתל, צפיפות ומורכבות המיקרוגליה והאסטרוגליה עלתה לאחר היפוקסיה. עכברי XCX גם הראו את העלייה הגדולה ביותר בתמיכה של שלוש עד ארבע כפות במהלך בדיקת ההליכה של CatWalk, ללא שינויים מתאימים במהירות הריצה או קצב הצעדים.
מסקנות
המחקר קבע את הקסנוקורטיקציה כפלטפורמה שבה רקמת קליפת המוח שמקורה באדם יכולה לתפוס את רוב חלל הקורטיקלי שנוצר כתוצאה מדלדול גנטי בעכברים. השתלים פיתחו סוגי תאי קליפת המוח מגוונים, יצרו קשרים אנטומיים נרחבים עם רקמת המארח ויצרו פעילות חשמלית ספונטנית מאורגנת.
החוקרים הזהירו כי קישוריות אנטומית אינה מדגימה אינטגרציה תפקודית ספציפית למסלול וכי עדיין לא ברור אם נוירונים שמקורם בשתל נחוצים או מספיקים להתנהגויות מסוימות.
השתלים גם נשארו לא בשלים מבחינה התפתחותית, עם שכבות ואזור קליפת המוח לא שלמים, ייצוג מוגבל של אינטרנוירונים GABAergic, תכונות רשת לא בשלות ואי התאמה התפתחותית בין השתל האנושי למארח המכרסם.
המחברים הדגישו את הצורך בפיקוח אתי מתמשך ככל שהמודלים העתידיים הופכים בוגרים ומאורגנים יותר. העבודה הנוכחית קיבלה אישור למחקר בבעלי חיים ותאי גזע וכללה התייעצות עם ביו-אתיקה וועדת אתיקה עצמאית.
בסך הכל, הפלטפורמה מספקת דרך לבחון רקמת קליפת מוח אנושית מתפתחת בתוך מערכת עצבים חיה ולקשר שינויים ברמת התא והמעגל לקריאה התנהגותית.
