En dansk-schweizisk forskergruppe har systematisk testet, hvilke signalstoffer der får stamceller til at udvikle sig til forskellige typer nerveceller i små kunstige “mini-hjerner”. Resultatet giver laboratorier et langt mere sikkert udgangspunkt for at dyrke præcis de nervecelletyper, de mangler til sygdomsmodeller – og på længere sigt måske også til behandlinger, hvor nye nerveceller kan erstatte celler, der går tabt ved sygdom som Parkinsons.
Hjernen ligner udefra en blød grå klump. Indeni ligger et ordnet mylder af nerveceller, som hver følger sit eget program for, hvor de skal ligge, hvem de skal tale med, og hvordan signaler løber gennem netværket.
Netop den orden forsøger stamcelleforskere at genskabe i kunstige minihjerner – men i praksis har det vist sig langt sværere end først antaget. Hvis forskerne kan få stamceller til at danne de rigtige typer nerveceller på de rigtige “adresser”, kan de bruge modellerne til at følge sygdomsforløb tæt på, afprøve behandlinger og forstå, hvad der går galt – uden at skulle studere processerne direkte i et menneskes hjerne.
Jo bedre de kunstige små hjerner efterligner den ægte vare, jo mere kan forskerne stole på, at resultaterne afspejler sygdom hos patienter.
Derfor har en schweizisk forskergruppe på ETH Zürich i Basel sammen med danske forskere fra Københavns Universitet forsøgt at finde en mere systematisk måde at skabe den samme orden i kunstige mini-hjerner. Blandt deltagerne er lektor Agnete Kirkeby fra Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW).
Idéen med projektet er ifølge hende at dyrke små klumper af hjerneceller ud fra menneskelige stamceller, udsætte dem for mange kombinationer af signalstoffer og samle resultaterne i et atlas, der viser, hvilke signalprogrammer der typisk leder stamceller til at udvikle sig til nerveceller fra for eksempel lillehjernen, hypothalamus eller cortex – og dermed give forskerne et kort til systematisk at styre udviklingen af hjernens celler.
"Det er ikke svært at lave en minihjerne. Det er ikke svært at lave nerveceller i laboratoriet. Det svære er at styre dannelsen af nervecellerne, så de får en meget specifik identitet og ender de rigtige steder i minihjernen i stedet for tilfældige steder," siger Agnete Kirkeby. "Det giver os et bedre bud på, hvor vi skal starte, når vi gerne vil lave en bestemt type nervecelle.”
Forskerne tester tusindvis af signal-kombinationer
Frustrationen over rodede minihjerner er udbredt i mange laboratorier. I stedet for at samle sig i et mønster, der minder om en rigtig menneskehjerne, bliver klumpen ofte til en blanding, hvor celler, der normalt ville ligge langt fra hinanden, ender side om side. I den samme klump kan man se celler, der ligner forhjernen, sammen med celler fra dybere hjernestrukturer og enkelte, der mindede om helt andre vævstyper end hjernevæv.
For at få bedre styr på det kaos har de schweiziske forskere fordelt små kugler af stamceller – såkaldte organoider – i små fordybninger i plastbakker. Hver fordybning får sit eget skema for de kemiske stoffer, der efterligner hjernens udviklingssignaler – og tilsammen giver forsøgene et stort kort over, hvordan signalerne former hjernens celler.
I nogle bakker tilsætter forskerne fra første dag et bestemt signalstof i en lav koncentration, i andre først senere eller i en højere koncentration. I andre igen blander de flere stoffer, som i fosterhjernen især præger lillehjernen eller dybere hjernestrukturer.
Efter tre uger stopper forskerne udviklingen og splitter mini-hjernerne op til enkeltceller, så de kan se, hvilke gener der er aktive i hver celle. Hver celle får en molekylær stregkode, der afslører, hvilken fordybning den stammer fra, og forskerne aflæser derefter genaktiviteten med teknikken single cell RNA-sequencing.
Derefter matcher de mønstrene i genudtrykket med referencedata fra den tidlige menneskehjerne, så hver celle kan placeres som for eksempel forhjernescelle, hypothalamus-celle eller lillehjernescelle alt efter hvilket udviklingsprogram den følger.
På den måde kan forskerne både koble signalprogrammerne til bestemte celletyper og samtidig kontrollere resultaterne op mod uafhængige data fra den menneskelige hjerneudvikling.
Tidspunkt og dosis ændrer spillet for nerveceller
Studiet munder ud i et atlas, hvor hvert signalprogram er koblet til den blanding af nerveceller, som forskerne finder efter tre uger – og dermed et kort over, hvordan forskellige signaler styrer udviklingen af hjernens celler. Kortet bygger på de systematiske signalforsøg, analyser af genaktiviteten i tusindvis af enkeltceller og sammenligninger med reference¬data fra den tidlige menneskehjerne.
Når man bladrer gennem atlasset, springer især to drivkræfter i øjnene: stoffernes styrke og tidspunktet for påvirkning – to styringsknapper, der i høj grad afgør, hvilke typer nerveceller der opstår.
Resultaterne viser samtidig, at det ikke er nok at skrue op eller ned for én knap ad gangen – forskerne må tænke i hele forløb og kombinationer af signaler, som tilsammen styrer cellernes udviklingsprogram, pointerer hun.
Hun peger også på, at flere stoffer påvirker hinanden. To signalstoffer kan tilsammen åbne for en bestemt udviklingsvej, som ingen af dem skaber alene. I andre programmer træder det ene stof nærmest på bremsen for det andet.
"Vi har længe vidst at det kræver en helt bestemt kombination af vækstfaktorer på det rette tidspunkt og i den rigtige dosis for at styre stamcellerne mod specialiserede subtyper af nerveceller fra specifikke områder af hjernen. Dette studie viser nu at man kan teste disse kombinationer af faktorer i en helt ny skala som gør det muligt at identificere nye ”opskrifter” på nerveceller hurtigere end vi kunne tidligere,” siger hun.
Fra “en hjerne” til præcise sygdomsmodeller
Betydningen af atlasset bliver særlig tydelig, når man ser på, hvad forskere faktisk bruger mini-hjerner til i sygdomsforskningen – nemlig til at forstå og i sidste ende behandle nogle af de mest komplekse sygdomme i hjernen.
"De fleste går ikke bare efter ‘en hjerne’. De går efter bestemte typer nerveceller, som spiller nøgleroller i bestemte sygdomme," siger Agnete Kirkeby.
Hjernen rummer et meget stort antal specialiserede typer nerveceller. Hver type følger sit eget program for, hvor den skal ligge, hvilke signaler den skal sende, og hvilke den skal modtage.
"Parkinsons sygdom rammer for eksempel især dybereliggende dopaminproducerende neuroner i helt specifikke områder."
Fra pærevælling til målrettede typer nerveceller
Netop den slags neuroner udvikler Agnete Kirkeby og hendes forskergruppe i laboratoriet for derefter at transplantere dem ind i hjernen på patienter.
Erfaringer fra tidligere studier tyder på, at de nye celler kan fungere i hjernen i mange år, da der går lang tid, før sygdommen også indtager dem. Resultater fra dyreforsøg og de første, tidlige kliniske studier peger i samme retning, men er stadig begrænsede.
"Vi har allerede transplanteret otte patienter med Parkinsons sygdom som en del af et pågående klinisk studie," siger hun.
Hun ser også atlasset som et redskab, der rækker ud over Parkinsons og kan hjælpe forskere, der arbejder med andre hjernesygdomme – fordi det i praksis giver et kort over, hvordan man kan styre udviklingen af bestemte typer nerveceller.
Et laboratorium, der undersøger sygdomme, som rammer lillehjernen, kan for eksempel bruge data til at finde de programmer, der gav flest celler med lillehjernens identitet, og starte optimeringen dér i stedet for at prøve tilfældige kombinationer.
"Forskerne kan bruge atlasset til at se, hvilke kombinationer og koncentrationer der gav celler, som mindede om lillehjernen, og bruge det som udgangspunkt for nye protokoller, hvor de finjusterer sig frem mod den specifikke undergruppe af nerveceller," siger hun.
Næste runde forsøg med minihjerner
Atlasset dækker især de tidlige stadier, hvor cellerne lige har valgt retning. Forskerne mangler stadig længere forløb, hvor minihjernerne modnes, og hvor cellerne danner kredsløb og aktivitet, der minder mere om hjernens rytmer.
"Vi har fået et meget bedre udgangspunkt, men vi mangler stadig at forstå, hvad cellerne faktisk gør på længere sigt," siger Agnete Kirkeby.
Når hun kigger ind i datasættet fra det nye studie, ser hun derfor ikke bare farvede felter i et skema – men et kort over, hvordan forskere kan styre udviklingen af hjernens celler langt mere præcist end tidligere, frem for at håbe, at de rigtige celletyper opstår af sig selv.
Hun ser næste runde forsøg i sit eget laboratorium – og en mulighed for, at patienter i fremtidige studier kan få nerveceller, der ligner deres egne lidt bedre, så forskerne kan læne sig mere op ad viden og mindre op ad held, når nye behandlinger skal udvikles – og i højere grad baseres på viden frem for tilfældighed.
