Vědci vypěstovali z kmenových buněk více než 400 typů nervových buněk

Nervové buňky nejsou jen nervové buňky. Když se na ně podíváte dostatečně podrobně, nejnovější odhady naznačují, že v lidském mozku existuje několik stovek nebo dokonce několik tisíc různých typů nervových buněk. Tyto typy se liší svými funkcemi, počtem a délkou svých výběžků a způsobem, jakým se vzájemně propojují. Uvolňují různé neurotransmitery do synapsí a v závislosti na oblasti mozku – například mozkové kůře nebo střednímu mozku – jsou aktivní různé typy buněk.

Když vědci pěstovali nervové buňky z kmenových buněk v Petriho miskách pro experimenty, nedokázali vysvětlit veškerou tuto rozmanitost. Až donedávna vědci vyvinuli metody pro pěstování pouze několika desítek různých typů nervových buněk in vitro. K tomu používali přístupy genetického inženýrství nebo přidávali signální molekuly k aktivaci specifických intracelulárních signálních drah. Nikdy se jim však nepodařilo zachytit rozmanitost stovek nebo tisíců různých typů nervových buněk, které v těle existují.

„Neurony odvozené z kmenových buněk se často používají ke studiu nemocí. Doposud však vědci často ignorovali, s jakými typy neuronů pracují,“ říká Barbara Treutleinová, profesorka na katedře biosystémových věd a inženýrství na ETH Zurich v Basileji.

Říká však, že to není nejlepší přístup k takové práci.

„Pokud chceme vyvinout buněčné modely pro studium nemocí a poruch, jako je Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a deprese, musíme zvážit specifický typ nervové buňky zapojené do patologického procesu.“

Systematické screeningy jako klíč k úspěchu

Treutleinová a její tým nyní úspěšně produkovali více než 400 různých typů nervových buněk, což připravilo cestu pro přesnější základní neurologický výzkum s využitím buněčných kultur.

Vědci z ETH toho dosáhli prací s kulturou lidských indukovaných pluripotentních kmenových buněk, které byly odvozeny z krevních buněk. V těchto buňkách geneticky modifikovali určité neuronální regulační geny a ošetřili buňky různými morfogeny – speciální třídou signálních molekul. Treutleinův tým použil systematický přístup: sedm morfogenů v různých kombinacích a koncentracích ve svých screeningových experimentech. To nakonec vedlo k téměř 200 různým sadám experimentálních podmínek.

Morfogeny

Morfogeny jsou signální látky známé ze studií embryonálního vývoje. V embryu jsou rozloženy nerovnoměrně a v různých koncentracích tvoří prostorové gradienty. Určují tak polohu buněk v embryu – například zda je buňka blíže k ose těla, nebo se nachází vzadu, na břiše, v oblasti hlavy nebo trupu. Morfogeny tedy pomáhají určit, které struktury se vytvoří v různých částech těla.

Vědci použili řadu analytických technik, aby prokázali, že se jim v experimentu podařilo získat více než 400 různých typů nervových buněk. Studovali RNA (a tedy genetickou aktivitu) na úrovni jednotlivých buněk, stejně jako vzhled a funkci buněk, například jaké typy buněčných výběžků měly a jaké elektrické nervové impulsy vysílaly.

Vědci poté porovnali svá data s informacemi z databází neuronů lidského mozku. To jim umožnilo určit typy nervových buněk, které byly vytvořeny, jako jsou buňky periferního nervového systému nebo mozkové buňky, a také oblast mozku, ze které pocházejí, a za co jsou tyto buňky zodpovědné – vnímání bolesti, chladu, pohybu atd.

Neurony in vitro pro vyhledávání aktivních látek

Treutlein uvedl, že stále zdaleka nejsou schopni in vitro produkovat všechny typy nervových buněk, které v těle existují. Vědci však nyní mají přístup k mnohem většímu počtu různých typů buněk než dříve.

Chtějí využít neurony pěstované in vitro k vývoji buněčných modelů pro studium závažných neurologických onemocnění, včetně schizofrenie, Alzheimerovy choroby, Parkinsonovy choroby, epilepsie, poruch spánku a roztroušené sklerózy. Takové buněčné modely jsou také velmi zajímavé pro farmaceutický výzkum, protože umožňují testovat účinky nových aktivních látek v buněčných kulturách bez použití zvířat s konečným cílem jednoho dne naučit se tyto nemoci léčit.

V budoucnu by tyto buňky mohly být také použity pro buněčnou substituční terapii, při které jsou nemocné nebo odumřelé mozkové nervové buňky nahrazeny novými lidskými buňkami.

Než k tomu ale dojde, je třeba vyřešit jeden problém: Ve svých experimentech vědci často produkovali směs několika různých typů nervových buněk. Nyní pracují na optimalizaci metody tak, aby každá experimentální podmínka produkovala pouze jeden specifický typ buňky. Už mají nějaké první nápady, jak toho dosáhnout.