Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge stworzyli miniaturowe, hodowane w laboratorium układy mózgowo-rdzeniowe, które naśladują sposób, w jaki sygnały ruchowe przemieszczają się przez ludzki układ nerwowy. Korzystając z tego modelu, zespół odkrył, że uszkodzenia nerwów, które kiedyś uważano za trwałe, mogą być w pewnych warunkach odwracalne.

W miarę jak ludzkie ciało rozwija się z zarodka w płód, a ostatecznie w niemowlę, neurony tworzą złożone sieci komunikacyjne między mózgiem a rdzeniem kręgowym. Sygnały te przemieszczają się przez aksony, długie włókna nerwowe, które pozwalają neuronom wysyłać wiadomości i kontrolować ruchy mięśni. Z czasem jednak ośrodkowy układ nerwowy w dużej mierze traci zdolność do regeneracji uszkodzonych aksonów. W rezultacie urazy mózgu lub rdzenia kręgowego często stają się trwałe, prowadząc do poważnych niepełnosprawności, takich jak paraliż lub utrata ruchu. Ta utrata zdolności regeneracyjnych jest również powiązana z chorobami neurologicznymi, w tym chorobą neuronu ruchowego i stwardnieniem rozsianym.

W 2021 roku dr András Lakatos i jego współpracownicy z Uniwersytetu Cambridge opracowali miniaturowe modele ludzkiego mózgu przy użyciu komórek macierzystych pobranych od pacjentów. Te wielkości grochu „organoidy mózgowe” przypominały części kory mózgowej i pozwoliły naukowcom badać zmiany molekularne związane z chorobą neuronu ruchowego oraz szukać sposobów ich zapobiegania. Teraz, w nowym badaniu opublikowanym w Cell Reports, naukowcy rozszerzyli tę pracę, budując miniaturową wersję połączonego układu mózgowo-rdzeniowego. Ponieważ mózg i rdzeń kręgowy są oddzielnymi, ale połączonymi strukturami w ciele, zespół utrzymywał organoidy fizycznie oddzielone w laboratorium. Następnie zaobserwowali, jak aksony z tkanki mózgowej rosną przez szczelinę i łączą się z tkanką rdzenia kręgowego. Powstały obwód nerwowy był wystarczająco funkcjonalny, aby wywołać skurcze w maleńkich skupiskach komórek mięśniowych.

Naukowcy utrzymywali te miniaturowe systemy w laboratorium przez ponad rok. Odkryli, że do około 150 dnia rozwoju, co z grubsza odpowiada środkowemu etapowi ciąży, uszkodzone aksony mogły jeszcze odrastać. Po tym punkcie neurony wykazywały znaczny spadek zdolności do regeneracji. George Gibbons z Wydziału Neuronauk Klinicznych Uniwersytetu Cambridge, pierwszy autor badania, powiedział: „Neurony pobrane z mniej dojrzałych organoidów odrastały długie włókna po urazie, ale te z bardziej dojrzałych organoidów wykazywały gwałtowny spadek zdolności do odrastania. Innymi słowy, słaba regeneracja jest wbudowana w ludzkie neurony w miarę ich dojrzewania w ośrodkowym układzie nerwowym.”

Zespół przeanalizował aktywność genów w neuronach łączących mózg i rdzeń kręgowy. Ich praca ujawniła sieć genów, która działa jak biologiczny przełącznik, ograniczający wzrost aksonów w miarę dojrzewania neuronów i tworzenia synaps. Co niezwykłe, gdy naukowcy zablokowali kluczowe regulatory w tej sieci, neurony odzyskały zdolność do wzrostu aksonów. Naukowcy przeszukali również bazę danych związków leczniczych, aby zidentyfikować leki wpływające na tę nowo odkrytą sieć genów. Jednym z obiecujących kandydatów był lynestrenol, lek hormonalny obecnie zatwierdzony do leczenia niektórych zaburzeń miesiączkowania i stosowania antykoncepcyjnego. Gdy lek przetestowano na uszkodzonych neuronach, znacząco poprawił odrastanie aksonów.

Naukowcy zauważyli, że tkanka bliznowata i stan zapalny mogą również zakłócać naprawę nerwów po urazie. Jednak zrozumienie specyficznych dla neuronów mechanizmów biologicznych ograniczających regenerację pozostaje niezwykle ważne. Wcześniejsze dowody wykazały, że młodsze neurony mogą rosnąć przez środowiska, które normalnie blokują naprawę w miejscach urazu. Starszy autor, dr András Lakatos, który kierował badaniem na Wydziale Neuronauk Klinicznych, powiedział: „Kiedy mózg i rdzeń kręgowy są uszkodzone, włókna nerwowe przenoszące sygnały ruchowe z mózgu do rdzenia kręgowego rzadko odrastają. Dlatego paraliż jest zwykle trwały. Ale nie wiedzieliśmy dokładnie, kiedy zdolność aksonów do regeneracji staje się ograniczona. Nasz model zapewnia dobry wgląd w ten proces.”