Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben in het lab kleine hersen- en ruggenmergsystemen gekweekt die nabootsen hoe bewegingssignalen door het menselijk zenuwstelsel reizen. Met dit model ontdekte het team dat zenuwschade die ooit als permanent werd beschouwd, onder bepaalde omstandigheden mogelijk omkeerbaar is.
Terwijl het menselijk lichaam zich ontwikkelt van embryo tot foetus en uiteindelijk tot baby, vormen neuronen complexe communicatienetwerken tussen de hersenen en het ruggenmerg. Deze signalen reizen via axonen, de lange zenuwvezels waarmee neuronen berichten kunnen sturen en spierbewegingen kunnen aansturen. Na verloop van tijd verliest het centrale zenuwstelsel echter grotendeels het vermogen om beschadigde axonen te herstellen. Hierdoor worden verwondingen aan de hersenen of het ruggenmerg vaak permanent, wat leidt tot ernstige handicaps zoals verlamming of bewegingsverlies. Dit verlies van regeneratief vermogen wordt ook in verband gebracht met neurologische ziekten zoals motorneuronziekte en multiple sclerose.
In 2021 ontwikkelden dr. András Lakatos en zijn collega's aan de Universiteit van Cambridge miniatuur menselijke hersentjes met behulp van stamcellen van patiënten. Deze erwtgrote 'hersenorganoïden' leken op delen van de hersenschors en stelden onderzoekers in staat moleculaire veranderingen te bestuderen die verband houden met motorneuronziekte en manieren te vinden om deze te voorkomen. In een nieuwe studie, gepubliceerd in Cell Reports, bouwden de onderzoekers voort op dat werk door een miniatuurversie van het verbonden menselijke hersen- en ruggenmergsysteem te maken. Omdat de hersenen en het ruggenmerg in het lichaam aparte maar verbonden structuren zijn, hield het team de organoïden in het lab fysiek gescheiden. Vervolgens zagen ze axonen van het hersenweefsel over de opening groeien en verbinding maken met het ruggenmergweefsel. Het resulterende neurale circuit was functioneel genoeg om samentrekkingen in kleine clusters van spiercellen te veroorzaken.
De wetenschappers hielden deze miniatuursystemen meer dan een jaar in het lab in stand. Ze ontdekten dat tot ongeveer dag 150 van de ontwikkeling, ruwweg overeenkomend met het midden van de zwangerschap, beschadigde axonen nog konden herstellen. Na dat punt vertoonden de neuronen een sterke afname van hun regeneratievermogen. George Gibbons van de afdeling Klinische Neurowetenschappen aan de Universiteit van Cambridge en eerste auteur van de studie zei: 'Neuronen van minder volwassen organoïden herstelden lange vezels na beschadiging, maar die van meer volwassen organoïden vertoonden een scherpe daling in hun vermogen om te herstellen. Met andere woorden, slecht herstel is ingebouwd in menselijke neuronen naarmate ze volwassen worden in het centrale zenuwstelsel.'
Het team analyseerde genactiviteit in neuronen die de hersenen en het ruggenmerg verbinden. Hun werk onthulde een netwerk van genen dat als een biologische schakelaar fungeert en de groei van axonen beperkt naarmate neuronen volwassen worden en synapsen vormen. Opmerkelijk genoeg kregen de neuronen, toen onderzoekers belangrijke regulatoren in dit netwerk blokkeerden, het vermogen terug om axonen te laten groeien. De onderzoekers doorzochten ook een database met medicijnverbindingen om geneesmiddelen te identificeren die dit nieuw geïdentificeerde gennetwerk beïnvloeden. Een veelbelovende kandidaat was lynestrenol, een hormoonmedicijn dat momenteel is goedgekeurd voor bepaalde menstruatiestoornissen en als anticonceptiemiddel. Toen het medicijn werd getest op beschadigde neuronen, verbeterde het de axongroei aanzienlijk.
De wetenschappers merkten op dat littekenweefsel en ontstekingen ook het herstel van zenuwen na een verwonding kunnen verstoren. Het begrijpen van de neuron-specifieke biologische mechanismen die herstel beperken, blijft echter van cruciaal belang. Eerder bewijs heeft aangetoond dat jongere neuronen kunnen groeien door omgevingen die normaal gesproken herstel op de plaats van verwonding blokkeren. Senior auteur dr. András Lakatos, die de studie leidde aan de afdeling Klinische Neurowetenschappen, zei: 'Wanneer de hersenen en het ruggenmerg beschadigd zijn, groeien de zenuwvezels die bewegingssignalen van de hersenen naar het ruggenmerg transporteren zelden terug. Daarom is verlamming meestal permanent. Maar we wisten niet precies wanneer het vermogen van axonen om te herstellen beperkt wordt. Ons model biedt een goede