i

Aktuální číslo:

2020/6

Téma měsíce:

Léky pro budoucnost

Minimozky ve zkumavce

 |  8. 7. 2019
 |  Vesmír 98, 420, 2019/7

Cerebrální organoidy, nebo také „minimozečky“, jsou trojrozměrné kuličky vypěstované v laboratoři z lidských pluripotentních kmenových buněk, které v průběhu svého růstu poměrně dobře rekapitulují vývoj a organizaci lidského mozku. Slouží jako model pro studium neurologického vývoje a procesů vzniku chorob, které jsou pro lidský nervový systém jedinečné.

Vývoj , organizace a funkce lidského mozku fascinovaly vědce po staletí. Ale protože získat lidskou mozkovou tkáň pro experimentální studium je obtížné jak z praktických, tak z etických důvodů, tradičně se pro výzkum v neurovědách používají zvířecí modely a buněčné kultury. Díky zvířecím modelům, mezi které patří zejména hlodavci (ale i primáti a další modelové organismy), se podařilo dobře popsat různé funkce centrální neurální soustavy (CNS), avšak pochopení specifik vývoje a funkcí lidského mozku bylo značně limitované. Studie lidského mozku se tedy omezily na pozorování tkání získaných po smrti pacienta, na analýzu buněk odvozených z lidských mozkových nádorů a vzácně i z mozku a míchy dobrovolných dárců. Zdroje těchto buněk však byly omezené a bez možnosti jejich širšího využití.

Zásadní průlom ve využití buněčných kultur v neurobiologii nastal v roce 1998, kdy byly vytvořeny první linie lidských embryonálních kmenových buněk. V časopise Science publikovali James Thomson a kol. studii, ve které se jim podařilo vytvořit kmenové buňky z pět dní starého lidského embrya (ve vývojovém stadiu blastocysty). Tyto buňky jsou schopny za určitých podmínek vytvořit jakoukoliv dospělou buňku lidského těla, a mohou tak být využity jako model embryonálního vývoje, např. vývoje lidských neuronů. V roce 2006 se pak uskutečnil další krok vpřed. Dva japonští vědci (Shinya Yamanaka a jeho student Kazutoshi Takahashi) v časopise Cell představili tvorbu tzv. indukovaných pluripotentních kmenových buněk (anglicky induced pluripotent stem cells – iPSCs), které jsou svými vlastnostmi podobné těm embryonálním. Tato metoda pomocí jednoduché genetické manipulace totiž umožňuje tvorbu iPS buněk téměř z jakéhokoliv typu dospělé tkáně. Představují proto velmi cenný nástroj v základním i klinickém výzkumu, neboť iPS buňky mohou být odvozeny nejen od zdravých dárců, ale i od pacientů.

Po derivaci prvních embryonálních a následně i indukovaných pluripotentních kmenových buněk byly vyvinuty různé přístupy pro jejich cílenou specializaci (diferenciaci). V dnešní době je tak již možné vytvořit téměř jakýkoliv buněčný typ dospělého organismu in vitro včetně různých druhů neuronů a jejich podpůrných buněk (astrocytů a oligodendrocytů). Diferenciace in vitro probíhá zejména pomocí různých přídavků do kultivačního média, které buňkám dodávají ty správné vývojové signály. Buňky pak zpravidla rostou na Petriho misce v 2D kultuře – tj. přisedlé na dně misky, kde je lze dobře pozorovat v průběhu růstu i diferenciace a také s nimi jednoduše manipulovat. Často jsou také poměrně homogenní, tj. na Petriho misce po efektivní diferenciaci vzniká buď jenom jeden, nebo jen několik málo buněčných typů, které lze lehce charakterizovat i analyzovat. Živočišné tkáně (a zejména lidský mozek) jsou však tvořeny širokým repertoárem buněčných typů propojených mezibuněčnou hmotou a uspořádaných v komplexních 3D strukturách, které ovlivňují identitu a funkci buněk. Tuto organizaci tedy nelze dobře rekapitulovat pomocí tradičních dvojrozměrných buněčných kultur, a bylo proto nutné vymyslet nový přístup, který by trojrozměrné podmínky namodeloval lépe.

K vytvoření takového buněčného modelu in vitro, který by byl podobný vývoji CNS in vivo, vedlo zavedení a zlepšení metod tzv. 3D kultivace. Na rozdíl od zmíněných 2D podmínek se při 3D kultivaci jednoduše buňky přinutí „nepřisednout“ na povrch Petriho misky. Ztráta kontaktu s povrchem misky u některých typů buněk indukuje shlukování a tvorbu malých „kuliček“ (sfér nebo tělísek), které si uvnitř vytvoří specifické mikroprostředí pro další růst a vývoj. Již dlouho je v neurobiologii známa 3D kultivace tzv. neurosfér. Tyto kuličky buněk dokážou vytvořit ideální prostředí zejména pro růst různých typů neurálních kmenových buněk, jsou ale neorganizované a dorůstají do velikosti jenom několika stovek mikrometrů, pak se jejich růst zastaví. V biologii iPS buněk zase existují tzv. 3D embryoidní tělíska. Tento systém kultivace se často využívá pro nespecifickou indukci diferenciace kmenových buněk, a stojí tak na počátku různých diferenciačních protokolů, od buněk srdeční svaloviny přes retinu až po neurony. Jde opět o pouhých několik desítek až stovek mikrometrů veliké kuličky se specifickým mikroprostředím, které je ale již možné zásadně ovlivnit v jejich specializaci. Možná i proto nepřekvapí, že tvorba embryoidních tělísek je i prvním krokem na cestě k minimozečkům.

Nyní vidíte 28 % článku. Co dál:

Jsem předplatitel, mám plný přístup
Jsem návštěvník
Chci si přečíst celé číslo
Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru. Více o předplatném
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Neurovědy

O autorovi

Dáša Bohačiaková

Mgr. Dáša Bohačiaková (roz. Doležalová), Ph.D., (*1984) vystudovala Přírodovědeckou fakultu MU v Brně, kde se již v průběhu bakalářského studia věnovala výzkumu lidských embryonálních kmenových buněk pod vedením doc. VDr. Aleše Hampla, CSc. Absolvovala postdoktorskou stáž na University of California v San Diegu, kde pracovala na vývoji klinicky aplikovatelných metod diferenciace kmenových buněk. V současnosti působí v Ústavu histologie a embryologie Lékařské fakulty MU v Brně a její laboratoř se věnuje studiu neurální diferenciace a modelování chorob in vitro také pomocí cerebrálních organoidů. Její výzkum byl mimo jiné podpořen Nadačním fondem Neuron.
Bohačiaková Dáša

Doporučujeme

Paradoxy infekce způsobené SARS-CoV-2

Paradoxy infekce způsobené SARS-CoV-2

Jiří Beneš, Ladislav Machala  |  1. 6. 2020
Přestože řada otázek čeká na vysvětlení, vědci rychle skládají obraz infekce novým virem.
O líných algoritmech, logice a hledání cest pro roboty

O líných algoritmech, logice a hledání cest pro roboty uzamčeno

Pavel Surynek  |  1. 6. 2020
Jak přimět desetiletí propracovávané všemožné triky pracovat na hledání optimální cesty pro mobilní roboty k dosažení cíle a chytře odřezávat...
Potíže s hrochy

Potíže s hrochy uzamčeno

Pavel Hošek  |  1. 6. 2020
Hroši, ač tvorové obojživelní, údajně neumějí plavat. Opravdu neumějí? A pokud ne, jak mohli v minulosti proniknout na rozmanité ostrovy, na nichž...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné