Organoider, autisme, mus og menn

Alle som følger fremskritt innen biologiske vitenskaper på avstand kan ha sett den nylige fremveksten av et nytt ord: organoider. De med en science-fiction-tilbøyelighet vil kanskje spesielt like varianten, "cerebrale organoider", som nå vises, ikke i en sen kveld-skrekkfilm, men i konvensjonell nevrovitenskap journaler. Dette høres ut som en hjerne-i-en-flaske-superbevissthet kommer for å ta over verden, men faktisk er det mye mer interessant enn det.

Inntil nylig kom det vi forsto om risikofaktorer for utviklingsforstyrrelser som autisme og schizofreni fra studier av mus. Disiplinene epidemiologi og genetikk avsløre hvordan noen giftstoffer og medikamenter er assosiert med nevroutviklingstilstander; hvordan disse forholdene også er knyttet til visse gener; og hvordan noen immunforstyrrelser disponerer for en påfølgende diagnose. Assosiasjoner er fine, men hvis du ønsket å forstå hvordan disse risikoene førte til fremveksten av lidelsen, måtte du vende deg til en dyremodell, vanligvis en mus. Mus kan manipuleres for å uttrykke risikogener. De kan utsettes for miljøfarer. Og fra disse studiene har vi kommet frem til vår forståelse av risikoens biologi.

Slike musemodeller kan avhøres på to forskjellige måter: atferdsmessig og utviklingsmessig. Bemerkelsesverdig nok har den første av disse vist seg å være ganske robust. For eksempel er genet SHANK3 et av de sterkest assosiert med autisme. Det ligger til grunn for Phelan-McDermid syndrom, en syndromisk form for autisme forårsaket av en sletting av slutten av kromosom 22. Dette SHANK3-genet ligger i denne manglende delen, og uten proteinet dette genet koder for, har nerveceller vanskeligere å bygge synapser, forbindelsene mellom dem. Mus med SHANK3-mutasjoner har en bemerkelsesverdig atferdsmessig korrespondanse med autisme. De reagerer forskjellig på andre mus, de steller uopphørlig, og de lager morsomme knirking. Med troens øye kan du overbevise deg selv om at disse stemmer overens med sosiale mangler, repeterende atferd og språkvansker som vises av autistisk barn.

Forskere krangler uendelig om gyldigheten av denne sammenligningen, og om den virkelig gir troverdighet til utviklingsstudiene som følger. Hvis utfallet av denne mutasjonen hos mus ligner på autisme, gjenspeiler antagelig utviklingsveien som disse musene tar, den som følges av autistiske barn. Hvis dette er sant, vil de biokjemiske konsekvensene av å bære det muterte genet være like for musen og mennesket. Ergo, der musa går galt, der går også barnet.

Denne teorien fungerer bare hvis du ikke ser for nøye. Både som pattedyr, mus og mennesker har stort sett lik hjerne og hjerneutvikling, men forskjellene er nesten like store. En mus bygger sin hjernebark på en uke; et menneske tar måneder. Musen bruker deretter en uke til på å koble sine kortikale kretser. Mennesker tar tjue år. Mus, viser det seg, er ikke helt menneskelige.

Skriv inn ‘cortical organoids.’ Jeg har skrevet andre steder av gjennombruddet innen stamcellebiologi som har gitt enkel tilgang til menneskelige pluripotente stamceller. Du kan nå ta en enkel hudbiopsi og dyrke hudceller. Deretter kan du bruke et genetisk triks for å gjøre disse cellene om til stamceller som igjen kan lage hvilken som helst vevstype du ønsker, inkludert hjerne. I utgangspunktet betydde dette å dyrke cellene i et todimensjonalt ark i en kulturskål: menneskelige hjerneceller, men ikke organisert hjernevev. Men nå, takket være arbeidet til Madeleine Lancaster [1] og andre, kan vi faktisk dyrke små biter av hjernevev – organoider.

De første cerebrale organoidene var ganske uorganiserte, ikke noe mer enn forvirrede aggregater av hjernevev. Men som nøyaktighet og reproduserbarhet har blitt bedre, har de raskt blitt den foretrukne modellen. De reproduserer i liten skala mange aspekter av menneskelig hjerneutvikling, tidligere utilgjengelige for forskere.

Koblet til dette er en andre banebrytende teknologiutvikling: enkeltcellet transkriptomikk. Hvis du ønsker å forstå så fullstendig som mulig hva en celle gjør på et bestemt tidspunkt, er det beste enkeltmålet å spørre: hvilke gener uttrykker den? Dette kan avsløre hvilke fysiologiske aktiviteter cellen er i stand til, og avgjørende under utviklingen kan den fortelle deg hva den cellen sannsynligvis vil gjøre neste gang. Problemet har vært at transkriptomikk - dette målet på total genuttrykk - bare var mulig på store grupper av celler. Så i den utviklende hjernen, for eksempel, kunne man måle hva noen få tusen eller millioner celler uttrykte i fellesskap, men ikke hva hver enkelt celle uttrykte. Dette utgjorde en alvorlig begrensning, spesielt i hjernen hvor to naboceller ofte er svært forskjellige. Nå er det imidlertid mulig å dissosiere et stykke vev eller en organoid, analyser deretter kvantitativt hvert enkelt gen uttrykt av tusenvis av celler som utgjør det vevet.

Akkurat hvor kraftig denne kombinasjonen av teknologier kan være, vises i en ny studie [2] av Themasap Kahn og kolleger. De har koblet organoider og encellet transkriptomikk med nevrofysiologisk analyse for å studere en annen syndromisk form for autisme. DiGeorges syndrom er forårsaket av en annen genetisk sletting som involverer det uheldige kromosomet 22. I stedet for at den terminale delen av kromosomet forsvinner, slik det skjer med Phelan-McDermid Syndrom, denne slettingen tar ut en strekning i midten av kromosomet som inneholder kanskje 30 eller 50 gener. Konsekvensene er dype: hjerteproblemer, karakteristiske ansiktstrekk og ganespalte. De nevrobiologiske konsekvensene er vidt varierte: autisme eller schizofreni, ofte med tilhørende epilepsi.

Det første å merke seg om denne nye studien er rett og slett dens kraft. Forskerteamet har klart å sette sammen 43 stamcellelinjer fra 15 forskjellige DiGeorge syndrom individer. Til nå har en studie som hadde tre til fem linjer vært ansett som robust. De fleste studier av denne genetiske anomalien hos mus ville ha brukt en enkelt mutert muselinje, om enn med flere individuelle mus. I en tid da vitenskapen i økende grad bekymrer seg for reproduserbarhet, er denne ekstra kraften svært velkommen. Merkbart at denne tour-de-force er en samarbeid mellom flere kraftfulle institusjoner inkludert Stanford, UCLA og forskjellige laboratorier over hele USA og utover.

Så hva har de oppdaget? Det første å legge merke til er at DiGeorge-cellene differensierer ganske bra. Det er ingen grov forvrengning i deres evne til å bygge nevralt vev. Dette er betryggende. Uansett hva som går galt i disse cellene, er det relativt subtilt, og kan godt være reversibelt. Etter det avslører studien en elektrofysiologisk feil i nerveceller avledet fra DiGeorge-linjene sammenlignet med linjer fra nevrotypiske individer. Det er en relativt subtil forskjell: nervecellene kan fortsatt avfyre ​​en stimulus, men terskelen for avfyring er redusert, noe som gjør disse cellene mer spontant aktive enn kontroller. Forfatterne spekulerer i at dette kan bidra til å forklare den økte risikoen for epilepsi hos DiGeorge-individer. Problemet ser ut til å ligge i kalsiumkanaler, nevronale membrankomponenter som spiller en avgjørende rolle i å modulere den elektriske aktiviteten til nerveceller. Dette er ikke den første studien som impliserer nevronale ionekanaler, det er faktisk et kjent tema som dukker opp i autismestudier. Vi har for eksempel visst en stund at genet, CACNA1G, som også koder for en kalsiumkanal, også ligger til grunn for autisme hos enkelte individer. Og dette er ett av flere slike gener som nå er identifisert.

Denne oppdagelsen øker utsiktene til fremtidige terapier for DiGeorge-lider og legger til utviklingsprofilen som dukker opp for nevroutviklingsforstyrrelser mer generelt. Men det var et annet interessant funn som kan få noen få øyenbryn til å heve. Da forfatterne analyserte genene hvis uttrykk ble endret i DiGeorge-linjene, fant de ut at de overlappet vesentlig med de som er rapportert tidligere i en lignende menneskelig stamcellemodell av 22q11 sletting. Dette bekreftet betryggende nok reproduserbarheten til denne tilnærmingen. Det var imidlertid ingen overlapping mellom dette gensettet og settet identifisert ved bruk av en musemodell av 22q11-sletting. Dette øker den forferdelige muligheten for at uansett likhetene mellom mus og menneskelig respons på denne slettingen, involverer det ikke de samme genene. Hvis det er tilfelle, kan det godt hende det ikke involverer de samme biologiske mekanismene. Menneskelige cerebrale organoider kan ha kommet til stedet ikke for tidlig.