Mokslininkai sukūrė 3D tinklą, kuris 91 % tikslumu „perskaito" mini smegenų signalus

Ši sistema leidžia užregistruoti elektrinius signalus iš 91 procento neurono organoido, taip įveikiant esminį ribojimą, su kuriuo iki šiol susidurdavo tokio tipo audinių tyrėjai.

Iš kamieninių ląstelių auginami žmogaus nerviniai organoidai vis plačiau naudojami smegenų vystymosi ir ligų modeliavimui. Juose formuojasi tarpusavyje susiję neuronų tinklai ir atsiranda koordinuotos elektrinės ritmikos.

Tačiau dauguma iki šiol naudotų registravimo priemonių yra plokščios ir standžios, todėl mokslininkai galėdavo stebėti signalus tik iš kelių taškų.

Toks neatitikimas tarp įrangos formos ir sferinio audinio neleisdavo matyti, kaip aktyvumas plinta per visą tinklą. Neturint visapusiškos aprėpties, svarbūs sinchronizuoti veiklos modeliai ir didelio masto neuronų tarpusavio komunikacija gali likti nepastebėti.

Naujas įrenginys, kurį sukūrė Šiaurės Vakarų universiteto („Northwestern University“) ir „Shirley Ryan AbilityLab“ tyrėjai, šią problemą sprendžia prisitaikydamas prie išlenktos organoido formos. Iš pradžių tai yra plokščias, lankstus gardelės pavidalo tinklas, kuris vėliau transformuojasi į 3D struktūrą ir švelniai apgaubia sferinį audinį.

Nuo fragmentų prie viso tinklo

„Žmogaus kamieninių ląstelių pagrindu sukurti organoidai tapo vienu pagrindinių biomedicininių tyrimų objektų, nes leidžia pacientui pritaikytai tirti, kaip audiniai reaguoja į vaistus ir naujas terapijas“, – aiškino įrenginio kūrimo darbams vadovavęs Johnas A. Rogersas.

„Tačiau iki šiol trūko aparatūros, kuri leistų šiuos mažyčius žmogaus organų analogus išsamiai tirti, stimuliuoti ir valdyti“, – pridūrė jis.

Tinklelio tipo karkasas gali turėti iki 240 atskirai valdomų mikroelektrodų. Kiekvieno elektrodo skersmuo – vos 10 mikrometrų, tai yra maždaug viena ląstelė. Porėta konstrukcija leidžia laisvai tekėti deguoniui ir maistinėms medžiagoms, kartu užtikrindama stabilų elektrinį kontaktą.

„Žmogaus nerviniai organoidai – tai gyvi trimačiai audiniai, kuriuose yra aktyvūs nervų tinklai, bendraujantys elektriniais signalais“, – teigė organoidų kūrimo darbus koordinavęs dr. Colinas Franzas.

„Sukūrę minkštą, formai priderintą elektroniką, kuri tiksliai atitinka organoido geometriją, dabar galime vienu metu registruoti ir stimuliuoti šimtus taškų jo paviršiuje. Tai leidžia tyrinėti nervinį aktyvumą viso tinklo mastu, o ne tik pavienius signalus“, – pabrėžė jis.

Naudojant sistemas su vos aštuoniais ar trisdešimt dviem elektrodais, pavyko užfiksuoti tik ribotą, lokalų aktyvumą. Tačiau panaudojus visą 240 kanalų masyvą, tyrėjai stebėjo sinchronizuotas osciliacines bangas, apimančias visą organoidą.

Kadangi kiekvieno elektrodo padėtis yra tiksliai žinoma trimatėje erdvėje, sistema gali sudaryti detalius aktyvumo žemėlapius.

Išsiskleidžianti elektronika ir tikros smegenys

Paviršiaus transformacija iš plokščios plėvelės į trimatę struktūrą paremta kontroliuojamu mechaniniu susiraukšlėjimu – panašiai kaip išsiskleidžia iškylanti knyga. Šis metodas leidžia elektronikai prisitaikyti prie išlenktos organoido formos jo nepažeidžiant.

„Įrenginio konstrukcija turi leisti audiniui išlaikyti normalius medžiagų apykaitos procesus ir taip užtikrinti jo gyvybingumą“, – sakė J. A. Rogersas.

„Paprasčiau tariant, organoidui reikia kvėpuoti. Aparatūra negali jo smarkiai varžyti ar „uždusinti““, – pridūrė jis.

Ši platforma ne tik fiksuoja signalus, bet ir gali teikti elektrinę stimuliaciją. Vaistų bandymų metu komanda aiškiai užfiksavo nervinio aktyvumo pokyčius.

Veikiant 4-aminopiridinu, signalų aktyvumas išaugo, tuo tarpu botulino toksinas sutrikdė koordinuotą neuronų aktyvumą. Šios reakcijos rodo, kad sistema gali patikimai aptikti reikšmingus pokyčius gyvuose nerviniuose tinkluose.

Tyrėjai taip pat parodė, kad keičiant gardelės dizainą galima paveikti organoidų augimą ir formą – išgauti ne tik sferinius, bet ir, pavyzdžiui, kubo ar šešiakampio pavidalo darinius. Tokia galimybė ateityje gali leisti moduliškai jungti skirtingų tipų audinius sudėtingesniems tyrimų modeliams.

Organidams tampant vis svarbesniu neuromokslinių ir farmacinių tyrimų įrankiu, tokios technologijos, užtikrinančios beveik visapusišką aktyvumo stebėseną, gali padėti tiksliau įvertinti, ar eksperimentinės terapijos iš tiesų atkuria koordinuotą smegenų funkciją.