Simplicite, simplificați. Maximă a lui Henry David Thoreau este una pe care oamenii de știință o iau în general în considerare atunci când investighează fenomene naturale complexe. Și nu există niciun fenomen natural cunoscut mai complex decât creierul uman. De aceea, din 2011, Sergiu Pașca de la Universitatea Stanford, care îl studiază, face exact acest lucru. Modelele sale simplificate sunt structuri numite organoizi corticali. Acestea sunt sfere cu diametrul de câțiva milimetri, compuse din celule nervoase umane special cultivate, care acționează ca simulacri de țesut cerebral.

Acum, însă, el este pregătit pentru un pic mai multă complexitate. După cum el și colegii săi raportează săptămâna aceasta în Nature, ei își conectează organoidele în creierul șobolanilor (a se vedea imaginea de mai sus). Și nu numai atât. Ei au descoperit, de asemenea, că organoizii implantați pot percepe lumea exterioară într-un mod limitat, prin conectarea la simțurile șobolanului, și pot influența această lume prin controlul comportamentului animalului. Într-o notă mai practică, atunci când sunt cultivate din celule prelevate de la pacienți cu o anumită boală genetică, organoidele corticale implantate pot furniza informații despre anomaliile celulare care stau la baza bolii respective, într-un mod în care abordările convenționale nu au reușit să o facă.

Jocul organoidelor

Organoizii (care pot fi crescuți pentru a imita multe organe în afară de creier) sunt derivați din ceea ce se numește celule stem pluripotente induse. Acestea sunt create prin aplicarea a patru proteine specifice ale factorilor de transcripție care reglează genele la celulele obișnuite ale corpului, în general prelevate din dermul pielii. Alți factori încurajează apoi liniile de celule pluripotente să se specializeze și să genereze anumite tipuri de țesuturi – cum ar fi celulele cortexului cerebral – care, dacă sunt manipulate corect, pot fi cultivate în organoizi.

Șobolanii implicați aveau între trei și șapte zile când au fost implantați. Locul implantului a fost o parte a creierului numită cortex somatosenzorial, care monitorizează simțul tactil. Pentru a se asigura că implanturile nu erau respinse ca țesut străin, șobolanilor li s-a dezactivat parțial sistemul imunitar.

Creierul unui șobolan tânăr este încă o lucrare în desfășurare, noi conexiuni între celulele sale nervoase formându-se în permanență. Prin urmare, Dr. Pasca și colegii săi au sperat că celulele din implanturile lor se vor alătura petrecerii, conectându-se cu vecinii lor murini. Monitorizarea a sugerat că au făcut-o. Imagistica prin rezonanță magnetică a șobolanilor a arătat că 70% dintre implanturi s-au fixat cu succes în cortexul somatosenzorial al animalelor și că acestea se dezvoltau și prosperau. Odată ce un animal a ajuns la maturitate, un astfel de implant ocupa aproximativ o treime din emisfera cerebrală în care era amplasat.

În plus, experimentele cu virusuri ale rabiei defazate, care pot traversa joncțiunile sinaptice dintre celulele nervoase, au arătat că celulele umane și cele ale șobolanilor s-au conectat, într-adevăr, între ele. Iar introducerea în grefe a unor electrozi minusculi, capabili să înregistreze semnale de la o singură celulă nervoasă, a demonstrat că celulele însele funcționau normal.

După ce am stabilit toate acestea, următorul pas a fost să aflăm dacă conexiunile dintre celulele umane și cele de șobolan erau vii. Unul dintre motivele pentru care Dr. Pasca a ales cortexul somatosenzorial ca loc de implantare a fost acela de a putea face exact acest lucru, deoarece acesta oferea posibilitatea de a activa celulele transplantate prin stimularea simțului tactil al unui animal – mai exact, prin suflarea aerului pe mustăți.

Pentru a afla cum ar răspunde celulele implantate la acest lucru, Dr. Pasca a introdus în unele dintre implanturi gena pentru o proteină care clipea atunci când acestea erau active. Acest lucru a semnalat celulele derivate din oameni, spre deosebire de cele derivate din șobolani, astfel încât acestea să poată fi monitorizate cu ajutorul unui electrod. Și, într-un număr mulțumitor de ocazii, celulele studiate au răspuns într-adevăr electric atunci când mustățile au fost deplasate.

Încurajat de acest rezultat, Dr. Pasca a întrebat apoi dacă celulele umane implantate ar putea dirija comportamentul unui șobolan. Pentru a face acest lucru, el a apelat la optogenetică, o metodă care permite ca activitatea unei celule să fie manipulată prin lumină.

Tehnica specială a doctorului Pasca, inventată în 2005 de Karl Deisseroth, unul dintre colegii săi de la Stanford și coautor al lucrării, folosește, de asemenea, o proteină introdusă ilegal. În acest caz, însă, aceasta este mai degrabă sensibilă la lumină decât generatoare de lumină.

Canale de comunicare

Canalul rodopsină-2 provine inițial de la o algă numită Chlamydomonas. Acesta plutește în membrana unei celule și, atunci când este luminat de o anumită frecvență de lumină albastră, își schimbă forma într-un mod care permite trecerea prin membrana respectivă a ionilor încărcați pozitiv – inclusiv a sodiului și a potasiului, cei doi ioni care stau la baza potențialelor de acțiune prin intermediul cărora celulele nervoase comunică între ele.

Dr. Pasca și-a combinat manipularea celulelor implanturilor cu o tehnică experimentală numită condiționare operantă. Aceasta recompensează o anumită acțiune efectuată ca răspuns la un anumit stimul și, astfel, antrenează un animal să reacționeze la acel stimul cu acea acțiune. În cazul șobolanilor implantați, recompensa a fost un pahar de apă dacă aceștia răspundeau la lumina albastră îndreptată spre implant printr-o fibră optică care pătrunde în craniu, lingând gura de scurgere care oferea recompensa. (Ca un control, experimentatorii au folosit lumină roșie de o frecvență nedetectabilă de canalul rodopsină-2).

Acei șobolani care găzduiesc organoizi purtători de channelrhodopsină-2 au învățat să răspundă în mod corespunzător la lumina albastră în 15 zile. Controalele care găzduiesc organoizi nemodificați nu au făcut acest lucru. Deoarece semnalele luminoase care controlau acest comportament erau recepționate de organoidele transplantate, aceste organoide dirijau și controlau, de fapt, comportamentul șobolanilor.

Toate acestea sunt de mare interes științific. Dar scopul subiacent al acestui tip de muncă este medical – și Dr. Pasca nu a neglijat nici această latură a lucrurilor.

Sindromul Timothy este o afecțiune rară și periculoasă care provoacă o formă de autism. De asemenea, are ca rezultat convulsii, anomalii anatomice, cum ar fi degetele de la mâini și de la picioare fuzionate, și aritmie cardiacă care pune în pericol viața. Este consecința unei mutații într-o genă a canalului ionic de calciu.

Canalele specifice ionilor, din care canalele de calciu sunt o subclasă, aparțin unui grup diferit de proteine transmembranare față de canalul-rodopsine, dar principiile fundamentale sunt aceleași. Ambele tipuri deplasează ionii în moduri care afectează semnalizarea unei celule. În cazul sindromului Timothy, semnalele canalelor afectează o serie de căi de dezvoltare. Prin urmare, Dr. Pasca și echipa sa au cultivat și implantat în șobolani organoizi corticali derivați din celulele pielii a trei persoane cu sindromul Timothy și au urmărit evoluția celulelor nervoase implicate.

Celulele nervoase crescute sub formă de culturi într-un laborator rămân mult mai mici și mai puțin dezvoltate decât ar fi într-un creier real. În special, celulele cultivate în acest mod de la persoane cu sindromul Timothy nu se disting fizic de cele cultivate de la persoane sănătoase. Acest lucru nu este valabil și în cazul celulelor implantate. Acestea au fost de șase ori mai mari decât rudele lor cultivate – mai mult sau mai puțin de dimensiunea pe care ar avea-o în natură. Iar cele provenite de la persoanele cu sindromul Timothy erau clar distincte.

În special, mutația îi făcuse să dezvolte de două ori mai multe dendrite (fibrele subțiri de citoplasmă prin care, prin intermediul conexiunilor sinaptice cu alte celule, o celulă nervoasă primește semnale de intrare) decât cele observate la implanturile cultivate de la persoane care nu suferă de această afecțiune, iar dendritele în cauză aveau o densitate mai mare de spini în care se formează sinapsele. Cu toate acestea, ele erau, în medie, mai scurte decât lungimea dendritelor celulelor de control.

Aceste diferențe, care sugerează că celulele implicate primesc prea multe informații de la prea multe alte celule, ar avea un efect uriaș asupra comportamentului lor. Această comunicare greșită este probabil explicația de bază pentru simptomele sindromului Timothy. Orice parte a corpului în care acest canal de calciu mutant este activ este susceptibil să meargă prost.

Cartea lui Timotei

Rămâne de văzut dacă acest rezultat arată calea spre ceva util din punct de vedere clinic. Dar oferă speranța că utilizarea organoizilor în acest mod ar putea ilumina mecanismele acestei boli neurologice și ale altor boli neurologice, în beneficiul eventual al pacienților. Dr. Pasca și colegii săi fac în prezent lucrări similare pe organoizi derivați din celulele unor persoane care suferă de mai multe astfel de boli și, în câteva cazuri, îi folosesc pentru a testa posibile medicamente. De asemenea, ei implantează „asambloide” – construcții neurologice compuse din mai multe organoide, fiecare dintre acestea aducând la petrecere un set diferit de țesuturi.

În ceea ce privește etica în toate acestea, Dr. Pasca și echipa sa sunt foarte conștienți de întrebările ridicate de munca lor. Pe lângă faptul că au obținut aprobarea prin procedurile obișnuite de la Stanford, ei au implicat în mod specific mai mulți bioeticieni, inclusiv Hank Greely, un decan al domeniului. Dr. Pasca subliniază faptul că implanturile sunt minuscule (adăugând 2 m-3 m de celule nervoase la cele 31 m native ale șobolanului însuși). Se estimează că un creier uman are aproximativ 86 de miliarde de astfel de celule. Iar viața scurtă a șobolanului nu oferă timp pentru ca întreaga cale de dezvoltare a unei celule nervoase umane să se desfășoare. Șansele ca, având în vedere aceste constrângeri, să apară manifestări umane îngrijorătoare din punct de vedere etic par neglijabile. Implanturile în animale mai mari, cu o durată de viață mai lungă, cum ar fi maimuțele, ar putea fi o problemă diferită. Dar aceasta este o cale pe care nu are de gând să o urmeze. ■