Naczelne należą do najbardziej inteligentnych stworzeń o wyraźnych zdolnościach poznawczych. Ich mózgi są stosunkowo duże w stosunku do wzrostu ciała i mają złożoną strukturę. Jednak to, w jaki sposób mózg rozwinął się w trakcie ewolucji i które geny są odpowiedzialne za wysokie zdolności poznawcze, jest nadal w dużej mierze niejasne. Im lepiej rozumiemy rolę genów w rozwoju mózgu, tym bardziej prawdopodobne jest, że będziemy w stanie opracować metody leczenia poważnych chorób mózgu.

Badacze podchodzą do tych pytań, wyłączając lub aktywując poszczególne geny, a tym samym wyciągają wnioski na temat ich roli w rozwoju mózgu. Aby w miarę możliwości unikać eksperymentów na zwierzętach, jako alternatywę stosuje się organoidy mózgowe. Te trójwymiarowe struktury komórkowe, które mają zaledwie kilka milimetrów, odzwierciedlają różne etapy rozwoju mózgu i mogą być modyfikowane genetycznie. Jednak takie modyfikacje są zwykle bardzo złożone, długotrwałe i kosztowne.

Naukowcom z Niemieckiego Centrum Badań nad Naczelnymi (DPZ) — Leibniz Institute for Primate Research w Getyndze udało się szybko i skutecznie manipulować genetycznie organoidami mózgu. Procedura wymaga tylko kilku dni zamiast zwykłych kilku miesięcy i może być stosowana w przypadku organoidów różnych gatunków naczelnych. Organoidy mózgowe umożliwiają zatem badania porównawcze funkcji genów na wczesnych etapach rozwoju mózgu u naczelnych i pomagają lepiej zrozumieć choroby neurologiczne.

Organoidy mózgowe są hodowane w laboratorium z tak zwanych indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. Komórki te zwykle pochodzą ze skóry lub komórek krwi, które są wcześniej „przeprogramowane”. Oznacza to, że są modyfikowane w taki sposób, że cofają się do komórek macierzystych, a następnie mogą różnicować się w dowolny inny typ komórek, taki jak neurony.

„Szczególnie interesują nas czynniki genetyczne leżące u podstaw rozwoju mózgu u naczelnych” – wyjaśnia Michael Heide, szef Junior Research Group Brain Development and Evolution w DPZ i autor badania opublikowanego w czasopiśmie Dziennik eksperymentów wizualizowanych. „Organoidy mózgowe pozwalają nam odtwarzać te procesy na szalce Petriego. Aby to jednak zrobić, musimy je genetycznie zmodyfikować”.

Do tej pory procedury te były niekiedy bardzo pracochłonne i trwały kilka miesięcy. Zespół naukowców kierowany przez Michaela Heide opracował teraz metodę, która umożliwia szybką i ekonomiczną manipulację genetyczną organoidów mózgowych.

„W naszej metodzie używamy mikroiniekcji i elektroporacji” – wyjaśnia Heide. „W tym procesie materiał genetyczny jest wstrzykiwany do organoidów za pomocą bardzo cienkiej kaniuli i wprowadzany do komórek za pomocą małego impulsu elektrycznego. Trwa to zaledwie kilka minut, a organoidy mózgowe można analizować już po kilku dniach. ”

Plazmidy służą do wstawiania materiału genetycznego. Są to okrągłe fragmenty DNA, które zawierają interesujący gen. W studium wykonalności naukowcy wykorzystali w tym celu gen białka zielonej fluorescencji (GFP). Pomyślnie zmodyfikowane komórki w organoidach mózgu świecą zatem na zielono w świetle fluorescencyjnym.

„Metoda jest równie odpowiednia dla organoidów mózgowych ludzi, szympansów, makaków rezusów i marmozet pospolitych” – mówi Heide. „Pozwala nam to na przeprowadzanie badań porównawczych fizjologicznego i ewolucyjnego rozwoju mózgu u naczelnych, a także jest skutecznym narzędziem do symulacji genetycznie spowodowanych wad neurologicznych bez konieczności wykorzystywania małp w doświadczeniach na zwierzętach”.