60 gün boyunca hızlı hareket eden moleküller (solda) veya geleneksel laminin (sağda) içeren kaplamalar üzerinde büyüyen insan nöronlarının (kırmızı, yeşil ve mavi ile boyanmış) floresan görüntüleri. Nöronlar homojen bir şekilde yayıldı ve Northwestern’de geliştirilen oldukça hareketli kaplama üzerinde daha karmaşık dallanma gösterdi. Kredi: Northwestern Üniversitesi
Araştırmacılar, insan nöronlarının yaş sınırını daha önce mümkün olandan daha fazla zorladı.
Northwestern Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, en olgun nöronları üreterek bir çığır açtı. bugüne kadar insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden (iPSC’ler). Bu ilerleme, tıbbi araştırma için yeni yollar ve nörodejeneratif hastalıklar ve travmatik yaralanmalar gibi durumlar için transplantasyon tedavileri olasılığı açıyor.
Kök hücreleri nöronlara dönüştürmeye yönelik önceki çabalar, işlevsel olarak olgunlaşmamış nöronların, benzerlerinden sonuçlanmıştı. gelişimin erken aşamaları. Mevcut kök hücre kültürü yöntemleriyle elde edilen sınırlı olgunlaşma, nörodejenerasyonu inceleme potansiyellerini kısıtlıyor.
Çalışma, Cell Stem Cell dergisinde yakın zamanda yayınlandı.
Ekip, olgun nöronları oluşturmak için Kuzeybatılı profesör Samuel I. Stupp tarafından geçen yıl tanıtılan çığır açan bir teknik olan “dans eden moleküller”. Ekip önce insan iPSC’lerini motor ve kortikal nöronlara ayırdı ve ardından bunları hızla hareket eden dans eden molekülleri içeren sentetik nanolif kaplamalara yerleştirdi.
Üzerinde büyüyen bir insan nöronunun (kırmızı) floresan görüntüsü 60 gün boyunca hızlı hareket eden moleküller (yeşil) ile kaplama. Kredi: Northwestern Üniversitesi
Zenginleştirilmiş nöronlar yalnızca daha olgun olmakla kalmadı, aynı zamanda nöronların birbirleriyle sinaptik temas kurması için gerekli olan gelişmiş sinyalleşme yetenekleri ve daha büyük dallanma yeteneği gösterdiler. Ayrıca, bir araya toplanma eğilimi gösteren tipik kök hücre kaynaklı nöronların aksine, bu nöronlar kümelenmedi ve bu da onları sürdürmeyi daha az zorlaştırdı.
Araştırmacılar, daha fazla geliştirmeyle birlikte, bu olgun nöronların hastalara şu şekilde nakledilebileceğine inanıyor: omurilik yaralanmalarının yanı sıra amyotrofik lateral skleroz (ALS), Parkinson hastalığı, Alzheimer hastalığı veya multipl skleroz gibi nörodejeneratif hastalıklar için umut verici bir terapi.
Olgun nöronlar ayrıca ALS gibi nörodejeneratif hastalıkları incelemek için yeni fırsatlar sunar. ve kültür tabağına dayalı in vitro modellerde yaşa bağlı diğer hastalıklar. Araştırmacılar, hücresel kültürlerdeki nöronların yaşını ilerleterek geç başlangıçlı hastalıkları daha iyi anlamak için deneyleri iyileştirebilir.
Büyüyen insan nöronlarının (kırmızı, yeşil ve mavi ile boyanmış) floresan görüntüleri 72 saat boyunca hızlı hareket eden moleküller (solda) veya geleneksel laminin (sağda) içeren kaplamalar üzerinde. Nöronlar, son derece hareketli kaplamaya homojen bir şekilde bağlandı ve yayıldı, ancak laminin kaplaması üzerinde kümelenmiş halde kaldı. Kredi:
Kuzeybatı Üniversitesi
Northwestern’den Evangelos Kiskinis, “İlk kez, insan iPSC’den türetilen nöronların gelişmiş işlevsel olgunlaşmasını, onları sentetik bir matris üzerine yerleştirerek tetikleyebildik” dedi. , çalışmanın eş sorumlu yazarı. “Önemli çünkü araştırmacıların saflaştırılmış nöron popülasyonlarını kullanmasını gerektiren birçok uygulama var. Çoğu kök hücre tabanlı laboratuvar, insan kök hücresinden türetilen nöronlarla birlikte kültürlenmiş fare veya sıçan nöronlarını kullanır. Ancak bu, bilim adamlarının insan nöronlarında neler olduğunu araştırmasına izin vermiyor çünkü sonunda fare ve insan hücrelerinin karışımıyla çalışıyorsunuz.”
“Nörona dönüştürmeyi başardığınız bir iPSC’ye sahip olduğunuzda, bu Çalışmanın yazarlarından biri olan Stupp, “Genç bir nöron olacak” dedi. “Ancak terapötik anlamda faydalı olabilmesi için olgun bir nörona ihtiyacınız var. Aksi takdirde yetişkin bir insanda yapılması gereken bir işi bebekten istemek gibi bir şey olur. Nanoliflerimizle kaplı nöronların diğer yöntemlere göre daha fazla olgunlaştığını ve olgun nöronların, nöronal işlev için temel olan sinaptik bağlantıları daha iyi kurabildiğini doğruladık.”
Kiskinis, nöroloji ve nörobilim alanında yardımcı doçenttir. Northwestern Üniversitesi Feinberg Tıp Fakültesi’nde, New York Kök Hücre Vakfı-Robertson Araştırmacısı ve Les Turner ALS Merkezi’nin çekirdek öğretim üyesi.Stupp’ın McCormick Mühendislik Okulu, Weinberg Fen ve Edebiyat Fakültesi ve Feinberg Tıp Okulu’nda randevuları var.
Senkronize “dans etme” yetenekleri
Araştırmacılar, olgun nöronları geliştirmek için nanolifler kullandılar Stupp’ın laboratuvarının akut omurilik yaralanmaları için potansiyel bir tedavi olarak geliştirdiği bir malzeme olan “dans eden moleküllerden” oluşuyor. Science dergisinde yayınlanan önceki araştırmasında Stupp, moleküllerin hareketini nasıl ayarlayacaklarını keşfetti, böylece sürekli hareket eden hücresel reseptörleri bulabilir ve bunlarla düzgün bir şekilde etkileşime girebilirler. Sentetik malzemeler, biyolojik moleküllerin hareketini taklit ederek hücrelerle iletişim kurabilir.
Stupp’un araştırmasındaki önemli bir yenilik, nano lifler içindeki 100.000’den fazla molekülün toplu hareketinin nasıl kontrol edileceğini keşfetmekti. İnsan vücudundaki hücresel reseptörler hızlı hızlarda (bazen milisaniyelik zaman ölçeklerinde) hareket edebildikleri için, vurulması zor hareketli hedefler haline gelirler.
“Bir saniyeyi 1.000 zaman dilimine böldüğünüzü hayal edin,” dedi Stupp. “Alıcılar işte bu kadar hızlı hareket edebiliyordu. Bu zaman ölçekleri o kadar hızlı ki kavranması zor.”
Yeni çalışmada Stupp ve Kiskinis, en fazla harekete sahip molekülleri içerecek şekilde ayarlanan nanoliflerin en gelişmiş nöronlara yol açtığını buldu. Başka bir deyişle, daha dinamik kaplamalar üzerinde kültürlenen nöronlar (aslında birçok nanoliften oluşan yapı iskeleleri) aynı zamanda en olgun hale gelen, kümelenme olasılığı en düşük olan ve daha yoğun sinyal verme yeteneklerine sahip olan nöronlardı.
” Bunun işe yaradığını düşünüyorum, çünkü reseptörler hücre zarında çok hızlı hareket ediyor ve iskelelerimizin sinyal molekülleri de çok hızlı hareket ediyor, “dedi Stupp. “Senkronize olma olasılıkları daha yüksek. İki dansçı senkronize değilse eşleştirme çalışmaz. Alıcılar, çok özel uzamsal karşılaşmalar yoluyla sinyaller tarafından etkinleştirilir. Ayrıca, hızlı hareket eden moleküllerimizin alıcı hareketini geliştirmesi de mümkündür, bu da onların sinyalleşmeden faydalanmalarına yardımcı olur.”
ALS imzalı nöronlar, hastalığa yeni bir pencere açar
Stupp ve Kiskini’ler, olgun nöronlarının yaşlanmayla ilişkili hastalıklara dair içgörü sağlayacağına ve hücresel kültürlerde çeşitli ilaç tedavilerini test etmek için daha iyi adaylar olacağına inanıyor. Araştırmacılar, dans eden molekülleri kullanarak insan nöronlarını daha önce mümkün olandan çok daha ileri yaşlara taşıyabildiler ve bilim adamlarının nörodejeneratif hastalıkların başlangıcını incelemelerine olanak sağladılar.
Araştırmanın bir parçası olarak Kiskinis ve ekibi, deri hücrelerini aldı. ALS’li bir hastadan aldı ve bunları hastaya özel iPSC’lere dönüştürdü. Daha sonra, bu kök hücreleri, bu nörodejeneratif hastalıktan etkilenen hücre tipi olan motor nöronlara ayırdılar. Son olarak, araştırmacılar, ALS imzalarını daha da geliştirmek için yeni sentetik kaplama malzemeleri üzerinde nöronları kültürlediler. Bu sadece Kiskinis’e ALS’ye yeni bir pencere açmakla kalmadı, aynı zamanda bu “ALS nöronları” potansiyel tedavileri test etmek için kullanılabilir.
“İlk kez, yetişkinlerde başlayan nörolojik proteini görebildik. kök hücre kaynaklı ALS hasta motor nöronlarında agregasyon. Bu bizim için bir atılımı temsil ediyor,” dedi Kiskinis. “Toplamanın hastalığı nasıl tetiklediği belli değil. İlk kez bulmayı umduğumuz şey bu.”
Omurilik yaralanmaları, nörodejeneratif hastalıklar için gelecekte tedavi umutları
Yolun ilerleyen kısımlarında, iPSC’den türetilen olgun, geliştirilmiş nöronlar da omurilik yaralanması veya nörodejeneratif hastalığı olan hastalara nakledilebilir. Örneğin doktorlar, ALS veya Parkinson hastalığı olan bir hastadan cilt hücrelerini alıp bunları iPSC’lere dönüştürebilir ve ardından bu hücreleri kaplama üzerinde kültürleyerek sağlıklı, son derece işlevsel nöronlar oluşturabilir.
Sağlıklı nöronları bir hastaya nakletmek hasarlı veya kayıp nöronların yerini alabilir, potansiyel olarak kayıp biliş veya duyumları geri yükleyebilir. Ve ilk hücreler hastadan geldiği için iPSC’den türetilen yeni nöronlar, hastayla genetik olarak eşleşir ve reddedilme olasılığını ortadan kaldırır.
“Hücre değiştirme tedavisi, ALS gibi bir hastalık için çok zorlayıcı olabilir. Omurilikte nakledilen motor nöronların uzun aksonlarını periferdeki uygun kas bölgelerine yansıtması gerekeceğinden, bu Parkinson hastalığı için daha kolay olabilir,” dedi Kiskinis. “Her iki durumda da bu teknoloji dönüştürücü olacaktır.”
“Bir hastadan hücre almak, onları kök hücrelere dönüştürmek ve sonra onları farklı hücre türlerine ayırmak mümkündür,” dedi Stupp. “Ancak bu hücrelerin verimi düşük olma eğilimindedir ve uygun olgunlaşmayı sağlamak büyük bir sorundur.Alberto Ortega, Kohei Sato, Ivan R. Sasselli, Alexandra N. Kolberg-Edelbrock, Ruomeng Qiu, Kelly A. Marshall, Thao Phuong Nguyen, Cara S. Smith, Katharina A. Quinlan, Vasileios Papakis, Zois Syrgiannis, Nicholas A. Sather , Chiara Musumeci, Elisabeth Engel, Samuel I. Stupp ve Evangelos Kiskinis, 12 Ocak 2023, Cell Stem Cell.
DOI: 10.1016/j.stem.2022.12.010
Z. Álvarez, A. N. Kolberg-Edelbrock, I. R. Sasselli, J. A. Ortega, R. Qiu, Z. Syrgiannis, P. A. Mirau, F. Chen, S. M. Chin, S. Weigand, E. Kiskinis ve S. I. Stupp, 11 Kasım 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abh3602
Çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Les tarafından finanse edilmiştir. Turner ALS Vakfı, New York Kök Hücre Vakfı, ABD Enerji Bakanlığı ve Amerika Felçli Gaziler Araştırma Vakfı.
.