Voor het eerst imiteert een model van een menselijke cel de interactie tussen hersenen en spieren

Voor het eerst werd een systeem ontwikkeld dat gebruikmaakt van menselijke cellen om een model te maken van de manier waarop de hersenen de spierbewegingen controleren. De betrokken wetenschappers verwachten dat dit tot een betere kennis zal leiden van ziektes zoals ALS, die het bewegingsvermogen aantasten.

De studie die hun modelsysteem beschrijft, heet ‘Generation of Functional Human 3D Cortico-Motor Assembloids’ (‘het aanmaken van functionele menselijke 3D cortico-motorische assembloïden’) en verscheen in Cell.

Vanuit neurologisch standpunt gezien, kan elke vrijwillige beweging worden onderverdeeld in drie algemene stappen: in de hersenen ontstaat een elektrisch signaal, dat via het ruggenmerg wordt doorgegeven. Wanneer het signaal bij de spieren aankomt, laat het die samentrekken, met als resultaat een beweging.

ALS wordt gekenmerkt door het afsterven van de zenuwcellen die betrokken zijn bij motorische beweging. Dat gebeurt via mechanismen die we nog altijd niet volledig begrijpen. Het bestuderen van dierenmodellen zoals muizen kan tot een aantal inzichten in de ziekte leiden, maar het feit dat de zenuwstelsels van knaagdieren en mensen fundamenteel van elkaar verschillen, hindert het onderzoek.

“We hebben ALS bij knaagdieren al tientallen keren kunnen genezen, maar geen van die geneeswijzen heeft ooit een effect gehad op mensen”, zegt Sergiu Pasca – MD, professor aan de Stanford School of Medicine, neurowetenschapper en coauteur van de studie – in een persbericht.

Om de beperkingen van dierenmodellen te omzeilen, hebben Pasca en zijn collega’s van Stanford en BD Biosciences een model van het zenuwstelsel ontwikkeld dat gebruikmaakt van menselijke cellen.

De onderzoekers gebruikten meer bepaald menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC’s), een type van stamcel dat met behulp van gespecialiseerde technieken wordt gegenereerd uit volwassen cellen – meestal huid- of bloedcellen. ‘Pluripotent’ betekent dat iPSC’s kunnen worden omgezet naar vele andere celtypes, naargelang van de specifieke chemische prikkels die worden doorgegeven.

Door iPSC’s te behandelen met specifieke combinaties van signaalmoleculen differentieerde de onderzoekploeg de iPSC’s naar celpopulaties die sferoïden worden genoemd. Deze driedimensionale cellulaire structuren imiteren de vormgeving van cellen in het menselijk lichaam beter dan de meer traditionele cellen die in schalen worden gekweekt.

In eerder werk creëerden de onderzoekers van Stanford sferoïden die een nauwkeurige imitatie vormden van de architectuur en fysiologie van de hersenschors, een hersendeel waartoe een gebied behoort dat de vrijwillige bewegingen controleert. In dit nieuwe werk pasten de onderzoekers hun protocol aan om twee bijkomende types van sferoïden te creëren: één dat het ruggenmerg imiteert en een ander dat de spieren nabootst.

Wanneer deze drie types van sferoïden naast elkaar werden geplaatst in een schaal, verenigden ze zich tot structuren die we assembloïden noemen. Ze vormden daarmee daadwerkelijk een cellulair model van de hersenen met een connectie naar het ruggenmerg en de spier. Een batterij van experimenten demonstreerde dat deze circuits zich accuraat hadden geassembleerd.

“Wij construeerden de delen, maar die delen wisten hoe ze zich moesten assembleren”, zegt Pasca.

De assembloïden bleken te functioneren: het stimuleren van het ‘hersendeel’ van de assembloïden veroorzaakte een samentrekking in de spiercomponent.

“Skeletale spieren trekken meestal niet uit zichzelf samen”, zegt Pasca. “Die eerste samentrekking in een laboschaal meteen na een corticale [hersen-] stimulans was dus memorabel.”

De assembloïden kunnen ook effectief tot zo’n 10 weken lang in cultuur worden gehouden. “Opmerkelijk is dat hoe langer ze [de assembloïden] intact blijven, hoe beter de contractie is”, aldus Pasca.

“Dit kenmerk maakt wellicht een verdere verfijning en groei van de connecties mogelijk,” zo schrijven de onderzoekers. Ze speculeerden dat zo’n langdurige cultuur mogelijk leidt tot myelinering — de vorming van het myelinevlies, een vettige substantie rond de neuronen die noodzakelijk is om elektrische signalen efficiënt door te geven, en die bij veel neurologische aandoeningen beschadigd is.

“Er zijn een aantal potentiële toepassingen voor dit cellulaire platform die kunnen worden gebruikt om inzicht te verwerven in de evolutie, ontwikkeling en aandoeningen van het cortico-spinale-spiercircuit”, zo stellen de onderzoekers.

Ze merken verder op dat hun model kan worden gebruikt om beter te begrijpen hoe het menselijk zenuwstelsel werkt, zowel bij gezonde mensen als bij mensen die zijn getroffen door ziektes als ALS. Andere celtypes toevoegen aan het model – zoals immuuncellen – kan ook nuttig zijn om tot een beter begrip te komen van aandoeningen zoals multiple sclerose, waarbij het immuunsysteem het zenuwstelsel belaagt.

“Uiteindelijk kunnen assembloïden van verscheidene delen van het [zenuwstelsel] leiden tot inzichten in de samenstelling van verschillende types van menselijke circuits en tot het identificeren van therapeutische strategieën,” zo besluiten de onderzoekers.

Vertaling: Bart De Becker

Bron: ALS News Today