מדענים ממנפים טכנולוגיה אורגנואידית מתקדמת כדי לחשוף את הגורמים לפרקינסון ולהאיץ את הפיתוח של טיפולים חדשים.
לִלמוֹד: אורגנואידים במוח האמצעי האנושי: כלי רב עוצמה עבור מודלים מתקדמים של מחלת פרקינסון וחקר טיפול. קרדיט תמונה: mi_viri/Shutterstock.com
בסקירה שפורסמה לאחרונה ב- npj מחלת פרקינסוןקבוצת מחברים חקרה את השימוש באורגנואידים של המוח התיכון (מיני איברים תלת-ממדיים) במחקר של מחלת פרקינסון (PD) (הפרעת תנועה), סקר תרופות וטיפול, תוך הדגשת אתגרים ואסטרטגיות אופטימיזציה.
רֶקַע
PD היא הפרעה נוירודגנרטיבית שכיחה המשפיעה על למעלה מ-6.1 מיליון אנשים ברחבי העולם, המאופיינת בסימפטומים מוטוריים כמו רעד, ברדיקינזיה (תנועה איטית) ונוקשות, כמו גם בעיות לא מוטוריות כגון דיכאון וירידה קוגניטיבית.
אובדן של נוירונים דופמינרגיים במוח האמצעי ונוכחות של גופי Lewy, העשויים מחלבון α-synuclein לא תקין, הם סימני ההיכר של PD. לכלי מחקר עדכניים, כולל רקמת מוח שלאחר המוות, מודלים של בעלי חיים ותרביות תאים, יש מגבלות.
דרוש מחקר נוסף כדי לפתח מודלים טובים יותר הרלוונטיים לאדם כדי להבין מנגנוני PD ולשפר את אפשרויות הטיפול.
אורגנואידים במוח האמצעי ו-PD
בעשור האחרון, עלייתה של טכנולוגיית אורגנואיד תלת מימד (3D) חוללה מהפכה במחקר תאי גזע.
אורגנואידים, שהם מיניאטוריים, מבנים תאיים תלת מימדיים במבחנה שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים (iPSCs) או תאי אבות מבודדים, מחקים היבטים רבים של איברים אנושיים.
טכנולוגיה זו הייתה שימושית במיוחד במודלים של חלקים שונים במוח, כולל המוח הקדמי, המוח האמצעי וההיפוקמפוס. אורגנואידים במוח הפכו למסייעים בחקר התפתחות נוירוטית ובחזרה של מחלות אנושיות, כגון PD.
פיתוח של אורגנואידים במוח האמצעי האנושי (hMLOs)
hMLOs מייצגים התקדמות משמעותית במודלים של מחלות, במיוחד עבור PD. בעוד סמנים של נוירונים דופמינרגיים במוח האמצעי (mDA) נמצאו באורגנואידים כלליים במוח, הפרופורציות שלהם נוטות להיות קטנות ולא עקביות.
כדי להתמודד עם זה, מדענים פיתחו פרוטוקולים ממוקדים יותר ליצירת נוירוני mDA ב-hMLOs. התהליך כולל שני שלבים: אינדוקציה של צלחת רצפה ופיתוח אורגנואיד, במהלכם מובחנים iPSCs למבנים תלת מימדיים עם סמנים ספציפיים למוח האמצעי.
אחד הפרוטוקולים המוצלחים הראשונים ליצירת hMLOs פותח, ושיטת בידול דו-ממדית הותאמה לגישת השעיה תלת-ממדית. התוצאות שלהם הראו יעילות גבוהה בייצור אבות mDA ונוירונים דופמינרגיים בוגרים.
התקדמות נוספת במהלך השנים הבאות הובילה לפרוטוקולים שאפשרו תחזוקה והבשלה ארוכת טווח של האורגנואידים הללו.
כתוצאה מכך, hMLOs אלה דומים למאפיינים מרכזיים של המוח האמצעי, כולל שכבות המכילות נוירונים מתבגרים וגרגירי נוירומלנין, אשר נראים בדרך כלל ב-substantia nigra האנושי.
יישומים במחקר PD
בניית דגם PD
אורגנואידים היו בשימוש נרחב למודל של מחלות ניווניות, כולל מחלת אלצהיימר, מחלת הנטינגטון ו-PD. למודלים קונבנציונליים של PD, כגון מודלים של בעלי חיים ותרביות תאים דו-ממדיות, יש מגבלות. בעוד שרקמות מוח שלאחר המוות מחולי PD מספקות תובנות חשובות, הן קשות להשגה ולא תמיד מייצגות את תנאי החיים.
מודלים של בעלי חיים מתמודדים גם עם בעיות הקשורות להבדלים ספציפיים למין במנגנוני המחלה.
הופעתם של hMLOs טיפלה בחלק מהאתגרים הללו. ניתן להפיק hMLOs מ-iPSC שמקורו במטופל או באמצעות טכניקות עריכת גנים, המאפשרות לחוקרים לחקור מוטציות גנטיות הקשורות ל-PD.
אורגנואידים אלה משכפלים תכונות מפתח של PD, כגון צבירת α-synuclein, ניוון נוירונים דופמינרגיים ושינויים פתולוגיים אחרים.
חיזוי רעילות PD
מודלים מבוססי רעלנים של PD פותחו באמצעות hMLOs כדי לחקור כיצד רעלים סביבתיים תורמים למחלה. שתי דוגמאות בולטות הן השימוש ברעלים עצביים 1-מתיל-4-פניל-1,2,3,6-טטרה-הידרופירידין (MPTP) ו-6-הידרוקסידופמין (6-OHDA).
MPTP הוא נוירוטוקסין דופמינרגי אמין ששימש כדי לגרום לתסמינים דמויי PD במודלים של בעלי חיים. על ידי טיפול ב-hMLOs עם MPTP, החוקרים צפו בניוון סלקטיבי של נוירוני mDA, מה שסיפק מודל רב ערך לחקר נוירוטוקסיות הקשורות ל-PD במבחנה.
באופן דומה, טיפול ב-6-OHDA הוביל להפחתת מספרי הנוירונים הדופמינרגיים ונויריטים מקוטעים באורגנואידים, והציע כלי נוסף למידול PD.
בנוסף, מתח חמצוני ממלא תפקיד משמעותי בהתקדמות PD, ו-hMLOs שימשו להערכת ההשפעות של תרכובות שונות המעוררות מתח חמצוני על נוירונים דופמינרגיים. מודלים אלו הוכחו כיעילים בהדמיית תהליכים ניווניים הקשורים ל-PD, ובכך מאפשרים לחקור התערבויות טיפוליות פוטנציאליות.
פיתוח טיפולים ל-PD
הפוטנציאל הטיפולי של hMLOs הוא עצום. יישום מבטיח אחד כולל יצירת תאי גזע עצביים (NSCs) מאורגנואידים במוח האמצעי. NSCs אלה יכולים להתמיין לנוירוני mDA, שהם חיוניים לטיפול ב-PD.
כאשר הושתלו במודלים של PD של בעלי חיים, התאים הללו הראו את היכולת להשתלב במעגלים עצביים, לשחזר את התפקוד המוטורי, ואפילו להימנע מהיווצרות גידול.
בנוסף לטיפולים מבוססי תאים, hMLOs היו גם מסייעים בהקרנת תרופות. תרביות תאים דו-ממדיות מסורתיות לרוב אינן מצליחות לחזות כיצד יתנהגו תרופות בבני אדם, אך hMLOs, עם המבנה התלת-ממדי המורכב שלהן, מספקות פלטפורמה אמינה יותר לבדיקת יעילות התרופה.
לדוגמה, מחקרים הראו כי תרכובות מסוימות יכולות להפחית את הצטברות α-סינוקלאין ב-hMLOs עם מוטציות חוזרות בקינאז 2 (LRRK2) עשירות בלאוצין, מה שמדגיש את הפוטנציאל שלהן לגילוי תרופות ב-PD.
מסקנות
לסיכום, PD היא הפרעה נוירודגנרטיבית מאתגרת בשל אופיה המתקדם והבלתי הפיך. האבחון המוקדם נותר קשה, ללא סמנים אמינים וביופסיות מוח מציעות יתרונות מוגבלים.
בנוסף, לא קיימות תרופות משנות מחלה כדי למנוע או להפוך את המצב, בין השאר משום שהמנגנונים הבסיסיים עדיין לא ברורים. מודלים מבוססים של בעלי חיים עומדים בפני מגבלות מדרגיות ומגבלות אתיות בבדיקות תרופות בתפוקה גבוהה.
iPSCs שיפרו מודלים של מחלות, אך הופעת האורגנואידים סיפקה פלטפורמה מתקדמת יותר ללימוד PD, ומציעה הזדמנויות חדשות להדמיית התקדמות המחלה, בדיקת תרופות והתערבות טיפולית.