Pionirska istraživanja znanstvenika sa Sveučilišta Northwestern i Sveučilišta Illinois u Chicagu (UIC) te Shirley Ryan AbilityLaba kombiniraju najsofisticiraniji 3-D bioelektronski sustav s visoko naprednim 3-D ljudskim neuronskim kulturama. Cilj im je omogućiti precizne studije o tome kako se ljudski moždani krugovi razvijaju i popravljaju in vitro. Studija je istaknuta na naslovnici novog broja časopisa Science Advances.

Minijaturni laboratorij u posudi

Kortikalni sferoidi korišteni u studiji, nalik "mini-mozgovima", izvedeni su iz pluripotentnih matičnih stanica koje je inducirao čovjek. Koristeći novorazvijeni trodimenzionalni sustav neuronskog sučelja, znanstvenici su uspjeli stvoriti "mini laboratorij u posudi" posebno prilagođen za proučavanje mini-mozga i istovremeno prikupljanje različitih vrsta podataka. 

Znanstvenici su ugradili elektrode za bilježenje električne aktivnosti. Dodali su malene grijaće elemente kako bi moždane kulture održali toplim ili, u nekim slučajevima, namjerno pregrijali kulture da bi ih stresli. Ugradili su i male sonde - poput senzora kisika i malih LED svjetala - za izvođenje optogenetskih eksperimenata. Na primjer, uveli su gene u stanice koji su im omogućili da kontroliraju živčanu aktivnost pomoću svjetlosnih impulsa različitih boja.

Ta je platforma znanstvenicima omogućila izvođenje složenih studija ljudskog tkiva bez izravnog uključivanja ljudi ili provođenja invazivnih ispitivanja. U teoriji, svaka osoba može donirati ograničeni broj svojih stanica davanjem uzorka krvi ili biopsijom kože. Znanstvenici tada mogu reprogramirati te stanice kako bi proizveli sićušni moždani sferoid koji dijeli genetski identitet te osobe. 

Autori vjeruju da će kombiniranjem ove tehnologije s personaliziranim medicinskim pristupom, uz korištenje moždane kulture izvedene iz ljudskih matičnih stanica, moći brže prikupiti nalaze i generirati bolje, nove postupke. 

"Napredak potaknut ovim istraživanjem pomaknut će načine proučavanja i razumijevanja mozga", uvjeren je Colin Franz, voditelj ispitivanja kortikalnih sferoida. "S razvijenom i potvrđenom 3-D platformom moći ćemo izvoditi ciljane studije na pacijentima koji se oporavljaju od neuroloških ozljeda ili se bore protiv neurodegenerativnih bolesti."

Ovo je samo početak

Ovo je samo početak potpuno nove klase minijaturiziranih, 3-D bioelektronskih sustava namijenjenih regenerativnoj medicini. Sljedeća generacija uređaja podržat će stvaranje još složenijih neuronskih krugova od mozga do mišića i srca, najavljuju znanstvenici. 

Trenutni nizovi elektroda za tkivne kulture su dvodimenzionalni, ravni i ne mogu se podudarati sa složenim strukturnim dizajnom koji se u ljudskom mozgu. Štoviše, više od jedne vrste materijala izuzetno je teško ugraditi u malu 3D strukturu. Međutim, ovim je napretkom cijela klasa 3D bioelektroničkih uređaja prilagođena području regenerativne medicine.

"S našom malom, mekanom trodimenzionalnom elektronikom napokon će se moći izrađivati uređaji koji oponašaju složene biološke oblike u ljudskom tijelu", najavljuje John Rogers iz Northwesterna koji je se u razvoju koristio tehnologijom nalik onoj u telefonima i računalima. 

Nova otkrića i znanstveni napredak

U sljedećem koraku znanstvenici će uređaje upotrijebiti kako bi bolje razumijeli neurološke bolesti, testirali lijekove i terapije s kliničkim potencijalom te usporedili različite modele stanica dobivenih od pacijenta. To bi trebalo produbiti razumijevanje individualnih razlika u neurološkoj rehabilitaciji.

"Cilj nam je laboratorijska istraživanja učiniti što klinički relevantnijima", objašnjava Kristen Cotton iz Shirley Ryan AbilityLaba. "Ova trodimenzionalna platforma otvara vrata novim eksperimentima, otkrićima i znanstvenom napretku u regenerativnoj neurorehabilitacijskoj medicini, napretku koji dosad nije bio moguć."