Bieganie, skakanie czy taniec wymagają, by mięśnie szkieletowe i układ nerwowy rozwijały się razem i tworzyły działające obwody. Gdy to połączenie zawodzi, pojawiają się choroby nerwowo-mięśniowe, które dotykają około 1 na 500 Europejczyków. Zespół projektu GPSorganoids z niemieckiego Ośrodka Medycyny Molekularnej im. Maxa Delbrücka wyhodował samoorganizujące się ludzkie organoidy, które odtwarzają ten układ w laboratorium – a na końcu możesz sprawdzić, jakim odkrywcą byłbyś w takim zespole.
Punktem wyjścia projektu GPSorganoids było pytanie z zakresu badań podstawowych: w jaki sposób mięśnie szkieletowe i układ nerwowy rozwijają się w skoordynowany sposób, tworząc funkcjonalne obwody? To właśnie one pozwalają ludziom biegać, skakać i tańczyć. Każdy taki ruch wymaga, by nerwy i mięśnie od samego początku rozwoju współpracowały ze sobą jak dobrze zgrany zespół.
Pytanie brzmi abstrakcyjnie, ale odpowiedź na nie ma bardzo praktyczne znaczenie. Zrozumienie, jak powstaje to połączenie, może bowiem przełożyć się na inne sposoby rozumienia i leczenia chorób, w których coś w tym układzie przestaje działać.
Choroby układu nerwowo-mięśniowego dotykają około 1 na 500 Europejczyków. Należą do nich między innymi rdzeniowy zanik mięśni oraz stwardnienie zanikowe boczne – schorzenia określane w artykule jako wyniszczające.
Aby lepiej je zrozumieć i szukać skutecznych terapii, naukowcy potrzebują dokładnych modeli ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego. Właśnie zapewnieniem takich modeli zajął się zespół projektu GPSorganoids, finansowanego ze środków Unii Europejskiej. Jego celem było przygotowanie modeli in vitro, które pomogą badaczom zrozumieć te choroby i przyspieszą odkrywanie terapii.
Kluczowym osiągnięciem zespołu są samoorganizujące się organoidy, które w laboratorium odtwarzają ludzki układ nerwowo-mięśniowy. W tym przypadku chodzi o połączenie nerwów i mięśni, czyli dokładnie ten układ, o który pytali badacze.
„Opracowaliśmy samoorganizujące się ludzkie organoidy nerwowo-mięśniowe, które wiernie odtwarzają kluczowe interakcje funkcjonalne między neuronami ruchowymi rdzenia kręgowego a mięśniami szkieletowymi” – wyjaśnia Mina Gouti, kierowniczka grupy w Ośrodku Medycyny Molekularnej im. Maxa Delbrücka (MDC) w Niemczech.
Tak powstał model, w którym kluczowe interakcje między neuronami ruchowymi a mięśniami można odtworzyć poza ludzkim ciałem, w warunkach laboratoryjnych.
Zespół wspierany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych opracował szereg wzajemnie uzupełniających się osiągnięć, które zmieniają sposób badania ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego. Jednym z nich jest wykorzystanie kontrolowanej stymulacji elektrycznej.
Gdy organoidy nerwowo-mięśniowe poddano takiej stymulacji, naukowcy mogli znacznie usprawnić proces ich dojrzewania i poprawić ich funkcjonalność. Według Miny Gouti pokazuje to, że połączenie biologii rozwojowej i bioinżynierii może prowadzić do tworzenia ludzkich tkanek bardziej zbliżonych do rzeczywistych. Badacze zyskują w ten sposób możliwość projektowania coraz bardziej zaawansowanych modeli organoidów.
W ramach projektu powstała także platforma oparta na samoorganizujących się połączeniach ludzkich układów nerwowych i mięśniowych. Mina Gouti podsumowuje jej znaczenie tak: „Wynikiem tych prac jest nowatorska platforma do badania rozwoju układu nerwowo-mięśniowego, odkrywania mechanizmów chorób oraz oceny potencjalnych metod leczenia”. W praktyce platforma pozwala na:
Ten ostatni model posłużył naukowcom do zbadania mechanizmów odpowiedzialnych za rdzeniowy zanik mięśni. Gouti zwraca uwagę, że wzajemnie uzupełniające się technologie projektu stanowią fizjologiczne modele, które umożliwiają badanie mechanizmów chorób, analizę celów leczenia i ocenę potencjalnych leków.
Wszystkie te rozwiązania – od samoorganizujących się organoidów po modele specyficzne dla poszczególnych obszarów i skalowalne platformy połączeń nerwowo-mięśniowych – składają się na generację trójwymiarowych modeli, które łączą biologię podstawową, modelowanie chorób i badanie leków. Badaczka jest przekonana, że prace jej zespołu pomogą naukowcom na całym świecie lepiej zrozumieć choroby nerwowo-mięśniowe i przyspieszą opracowywanie terapii.
Historia projektu dobrze pokazuje wartość ambitnych badań motywowanych ciekawością. Naukowcy początkowo zamierzali odtworzyć w naczyniu laboratoryjnym ludzki układ nerwowo-mięśniowy, wykorzystując molekularne mechanizmy odpowiedzialne za rozwój organizmu człowieka.
W trakcie pracy odkryli jednak coś, czego nie planowali: połączenie biologii rozwojowej z bioinżynierią może jeszcze bardziej zwiększyć fizjologiczne znaczenie organoidów i otworzyć zupełnie inne możliwości dokonywania odkryć terapeutycznych. Zespół podkreśla, że to finansowanie Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych pozwoliło mu swobodnie badać te nieprzewidziane obszary.
Projekt, koordynowany przez niemieckie MDC, trwa od 1 stycznia 2022 do 31 grudnia 2027 roku, a wkład UE wynosi 2 799 375 euro.
Kolejnym krokiem jest przeniesienie wyników z etapu odkryć bliżej praktyki. Zespół otrzymał grant Proof of Concept przyznawany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Środki mają posłużyć do zautomatyzowania wytwarzania i analizy organoidów nerwowo-mięśniowych przy użyciu robotyki i zaawansowanego obrazowania.
Automatyzacja ma utorować drogę do opracowania znormalizowanych modeli ludzkich. To z kolei może przełożyć się na przyszłe rozwiązania w zakresie medycyny spersonalizowanej.
Projekt GPSorganoids zaczął się od pytania o to, jak nerwy i mięśnie uczą się współpracować. Odpowiedzią okazały się samoorganizujące się ludzkie organoidy nerwowo-mięśniowe, wzmocnione stymulacją elektryczną i połączone w platformy do modelowania chorób oraz badania leków. W ten sposób badanie podstawowe, prowadzone z ciekawości, stało się mostem prowadzącym do lepszego zrozumienia chorób, które dotykają około 1 na 500 Europejczyków, i do poszukiwania skuteczniejszych terapii.
5 pytań · minuta
poleca:
