Hjernetraumer og degenerative hjernesygdomme har i mange år været ensbetydende med uoprettelig skade. Drømmen om at kunne genskabe det tabte er ofte strandet på manglende viden om, hvordan hjernens ekstreme kompleksitet opstår. Nu har forskere udviklet en model, der i laboratoriet efterligner det helt tidlige stadie af menneskehjernen og kan derved komme hurtigere frem til opskrifter på, hvordan hjernestamceller kan produceres i laboratoriet.
En enkel lille celle – med tusindvis af veje at gå. Sådan er situationen for stamceller i et foster, når menneskets komplekse hjerne skal skabes. Og sådan er opgaven for stamcelleforskeren, der skal forsøge at genskabe ødelagt hjernevæv. Den store forskel er, at mens stamcellen har en protokol indkodet, så er forskere nødt til at gætte. En ny speciallavet mikroinkubator er designet til, at forskere fremover skal kunne aflure stamcellerne deres tricks til hurtigst muligt at komme fra punkt A til punkt B.
”Undersøgelser af hjerneudvikling hos mennesker har været begrænset af manglen på vævsprøver og modelsystemer. Det er lykkedes os at dyrke menneskelige stamceller i en særlig mikroinkubator, hvor vi kan efterligne hjernecellernes normale udviklingsmønstre. Modellen giver et unikt indblik i menneskehjernens udvikling og kan på den måde bidrage til at speede udviklingen af stamcellebehandlinger mod hjernesygdomme som Parkinsons, epilepsi og demens,” fortæller lektor og gruppeleder Agnete Kirkeby fra Institut for Neurovidenskab på Københavns Universitet.
Mikromanagement af hjerneudvikling
Livets træ over hjernens udvikling. Den smukke tanke har været drivkraften for det nye forskningsprojekt, hvor forskere fra Institut for Neurovidenskab og Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Biology på Københavns Universitet har udviklet en model, der i laboratoriet efterligner det tidlige stadie af menneskehjernen.
”Vi har meget lidt data over hjerneudviklingen fra fostertilstanden i mennesker, da det hidtil kun har været noget, vi har kunnet studere fra aborter, og det materiale er ofte i en rigtig dårlig tilstand. Derudover har man studeret hjerner fra mus og kyllinger, men det er alt andet lige noget andet, så især tiden fra den anden til syvende uge i fosterstadiet hos mennesker har hidtil været nærmest ukendt land.”
Den nye model til at studere den tidlige fosterhjerne er baseret på stamceller, der dyrkes i et såkaldt mikrofluidisk system – kaldet microfluidic-controlled stem cell regionalization (MiSTR) – udviklet i samarbejde med bioingeniører fra Lunds Universitet.
”Vi ved, at hjernen i det tidlige fosterstadie bliver udsat for forskellige koncentrationer af vækstfaktorer, og ved at benytte os af mikrofluidiske metoder kan vi med ekstrem nøjagtighed efterligne det miljø, som findes i det tidlige foster. Når stamcellerne dyrkes i dette miljø, skaber de af sig selv et væv, som ligner en tidlig fosterhjerne.”
Vil spare år i udvikling af terapi
Ved at styre efter de pejlemærker, som vi kender fra hjerneudviklingen hos dyr, kunne forskerne hele tiden sikre sig, at hjernevævet nåede de rigtige milepæle i udviklingen, og at vævet derved efterlignede den rigtige udvikling i fostertilstanden. Nu kunne forskerne så høste bonusinformation fra systemet i form af information omkring alle de mellemliggende stadier i hjerneudviklingen, som ellers har været ubeskrevet indtil nu.
”Vi ved meget lidt om den menneskelige hjerne, men meget lidt især om netop den tidlige periode i udviklingen. Ved at observere, hvordan cellerne udviklede sig i systemet, kunne vi tegne de ellers ukendte områder af det her livets træ for hjernen,” forklarer Agnete Kirkeby og uddyber:
”Med systemet får vi for første gang mulighed for at studere væv, som til forveksling ligner hjernevæv fra den tidlige fosterhjerne. Det gør det muligt at gå ind og analysere ,hvad der sker med hver enkelt celle under udviklingen.”
På den måde virker systemet som en guide til at producere forskellige typer af nerveceller med henblik på udvikling af nye stamcellebehandlinger – en proces, der ellers kan tage årevis.
”Sammen med kolleger fra Lund og Cambridge har jeg gennem flere år arbejdet på en stamcellebehandling til Parkinsons sygdom. Det tog os over 10 år at lære at producere en helt bestemt type af nerveceller, som er de celler, der går til grunde i Parkinsons sygdom, fordi vi var afhængige af en trial-and-error-metodik for at udvikle de rigtige nerveceller fra stamcellerne. Med viden fra vores nye model vil vi kunne gøre denne proces meget kortere i fremtiden," siger Agnete Kirkeby.
Udover dette kan modellen også åbne for nye testmuligheder for stoffer, der kan påvirke hjernens udvikling, fx hvordan hjerneceller i det tidlige forsterstadie reagerer på en række af de kemiske stoffer, vi omgiver os med i dagligdagen.
”Modelling neural tube development by differentiation of human embryonic stem cells in a microfluidic WNT gradient” er publiceret i tidsskriftet Nature Biotechnology. Agnete Kirkeby modtog i 2018 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Mapping human neural lineages in a novel in vitro model of the developing neural tube built with morphogenic gradients”.
