Forskere har dyrket mer enn 400 typer nerveceller fra stamceller

Nerveceller er ikke bare nerveceller. Når man ser på dem nøye nok, tyder de nyeste estimatene på at det finnes flere hundre eller til og med flere tusen forskjellige typer nerveceller i den menneskelige hjernen. Disse typene varierer i funksjoner, antall og lengde på prosessene deres, og hvordan de kobles til hverandre. De frigjør forskjellige nevrotransmittere i synapser, og avhengig av hjerneområdet – for eksempel hjernebarken eller mellomhjernen – er forskjellige typer celler aktive.

Da forskere dyrket nerveceller fra stamceller i petriskåler til eksperimenter, kunne de ikke forklare alt dette mangfoldet. Inntil nylig hadde forskere utviklet metoder for å dyrke bare noen få dusin forskjellige typer nerveceller in vitro. For å gjøre dette brukte de genteknologiske tilnærminger eller tilsatte signalmolekyler for å aktivere spesifikke intracellulære signalveier. Men de hadde aldri kommet i nærheten av å fange opp mangfoldet av de hundrevis eller tusenvis av forskjellige typene nerveceller som finnes i kroppen.

«Nevroner utvunnet fra stamceller brukes ofte til å studere sykdommer. Men frem til nå har forskere ofte ignorert hvilke typer nevroner de jobber med», sier Barbara Treutlein, professor ved Institutt for biosystemvitenskap og -teknikk ved ETH Zürich i Basel.

Hun sier imidlertid at dette ikke er den beste tilnærmingen til slikt arbeid.

«Hvis vi ønsker å utvikle cellemodeller for å studere sykdommer og lidelser som Alzheimers, Parkinsons og depresjon, må vi vurdere den spesifikke typen nervecelle som er involvert i den patologiske prosessen.»

Systematisk screening som en nøkkel til suksess

Treutlein og teamet hennes har nå produsert mer enn 400 forskjellige typer nerveceller, noe som baner vei for mer presis grunnleggende nevrologisk forskning ved bruk av cellekulturer.

ETH-forskerne oppnådde dette ved å jobbe med en kultur av humant induserte pluripotente stamceller, som var avledet fra blodceller. I disse cellene genetisk modifiserte de visse neuronale regulatoriske gener og behandlet cellene med forskjellige morfogener – en spesiell klasse signalmolekyler. Treutleins team brukte en systematisk tilnærming: syv morfogener i forskjellige kombinasjoner og konsentrasjoner i screeningeksperimentene sine. Dette ga til slutt nesten 200 forskjellige sett med eksperimentelle forhold.

Morfogener

Morfogener er signalstoffer kjent fra studier av embryonal utvikling. De er ujevnt fordelt i embryoet, og danner romlige gradienter i forskjellige konsentrasjoner. Dermed bestemmer de cellenes plassering i embryoet – for eksempel om en celle er nærmere kroppens akse eller befinner seg på ryggen, på magen, i hodet eller overkroppen. Følgelig bidrar morfogener til å bestemme hvilke strukturer som vil dannes i forskjellige deler av kroppen.

Forskerne brukte en rekke analyseteknikker for å vise at de hadde klart å få tak i mer enn 400 forskjellige typer nerveceller i eksperimentet. De studerte RNA (og dermed genetisk aktivitet) på nivå med individuelle celler, samt cellenes utseende og funksjon, som for eksempel hvilke typer celleprosesser de hadde og hvilke elektriske nerveimpulser de sendte ut.

Forskerne sammenlignet deretter dataene sine med informasjon fra databaser over menneskelige hjerneneuroner. Dette tillot dem å bestemme hvilke typer nerveceller som ble opprettet, for eksempel celler i det perifere nervesystemet eller hjerneceller, samt hvilket område av hjernen de kom fra og hva disse cellene er ansvarlige for – å oppfatte smerte, kulde, bevegelse osv.

In vitro-nevroner for søket etter aktive stoffer

Treutlein sa at de fortsatt er langt fra å kunne produsere in vitro alle de typene nerveceller som finnes i kroppen. Forskerne har imidlertid nå tilgang til mange flere forskjellige celletyper enn før.

De ønsker å bruke nevroner dyrket in vitro til å utvikle cellemodeller for å studere alvorlige nevrologiske sykdommer, inkludert schizofreni, Alzheimers, Parkinsons, epilepsi, søvnforstyrrelser og multippel sklerose. Slike cellemodeller er også av stor interesse for farmasøytisk forskning, da de gjør det mulig å teste effekten av nye aktive forbindelser i cellekulturer uten bruk av dyr, med det endelige målet å en dag lære hvordan man kan kurere disse sykdommene.

I fremtiden kan disse cellene også brukes til celleerstatningsterapi, der syke eller døde hjernenerveceller erstattes med nye menneskeceller.

Men før det kan skje, er det et problem som må løses: I eksperimentene sine produserte forskerne ofte en blanding av flere forskjellige typer nerveceller. De jobber nå med å optimalisere metoden slik at hver eksperimentelle betingelse produserer bare én spesifikk celletype. De har allerede noen innledende ideer om hvordan de kan gjøre det.