Kunstig hjernelignende vev kan erstatte dyreforsøk

Lever flere uker i laboratoriet.

Mikroskopi av hjerneceller (grønngule) festet til et rammeverk av porøs silke (blå). Hjernecellene dannet funksjonelle nettverk gjennom porene i rammeverket (mørke områder). (Foto: Tufts University)
Mikroskopi av hjerneceller (grønngule) festet til et rammeverk av porøs silke (blå). Hjernecellene dannet funksjonelle nettverk gjennom porene i rammeverket (mørke områder). (Foto: Tufts University)

Drømmen – eller marerittet – fra science-fictionfilmer om den levende hjernen tilkoblet ledninger i en glassbeholder er et skritt nærmere virkelighet. Men bare et lite skritt.

Det forskere fra Tufts University i Boston har laget, er nemlig ikke en komplett hjerne. De har likevel klart å dyrke fram hjerneceller fra rotte slik at de vokser i alle retninger, altså i tre dimensjoner.

Dette er viktig for at hjernecellene skal utvikle seg naturlig, slik at de kan brukes til å etterligne forholdene i levende hjerner.

Menno Witter (Foto: NTNU)
Menno Witter (Foto: NTNU)

- Dette er en spennende kombinasjon av eksisterende teknikker til en svært lovende og vel gjennomtenkt eksperimentell design, skriver Menno Witter til forskning.no.

Witter er professor i nevrovitenskap ved Kavli Institute for Systems Neuroscience & Centre for Neural Computation ved NTNU.

- Hvis flere celletyper kunne legges til, kunne mer realistiske nettverk i forskjellige deler av hjernen modelleres, legger han til.

Reagerer som ekte hjernevev

Forskerne har allerede lært noe av dette kunstige hjernevevet. De har sluppet vekter ned på vevet for å se hvordan ytre skader påvirker det.

Den elektriske og kjemiske aktiviteten i hjernecellene endret seg på samme måte som når en dyrehjerne blir utsatt for fysisk skade, ifølge en nyhetsmelding fra universitetet.

På samme måte reagerte det kunstige hjernevevet likt på kjemiske stoffer som ekte hjernevev.

Bedre enn dyreforsøk

Det kunstige hjernevevet har en viktig fordel framfor dyreforsøk når forskerne skal studere slike reaksjoner.

Dyreforsøk krever nemlig at dyrene må forberedes, og det går tid før dyrene kan dissekeres slik at forskerne kan se endringene.

Det kunstige hjernelignende vevet kan derimot studeres hele tida, og endringer kan oppdages øyeblikkelig.

- Dette vil tillate en mye lettere eksperimentell tilgang til vevet, og kan eventuelt redusere drastisk antall dyr som trengs til ekseperimentene. Ikke ennå, men det ser lovende ut, bekrefter Witter.

Viktig for behandling av hjerneskader

- Dette er veldig interessant, skriver også Marianne Løvstad i en epost til forskning.no. Løvstad er nevropsykolog og forsker ved Sunnaas sykehus og Universitetet i Oslo.

Først og fremst ser det ut til at vevet er tenkt brukt til forskning på skader av hjernen.  Denne metoden har potensiale for å gi mer kunnskap om behandling av hjerneskader, noe som er sårt tiltrengt, fortsetter Løvstad.

Trenger fast ramme

Tidligere har forskere brukt gelé for å prøve å lage en slik tredimensjonal klump av hjernevev.

Men forsøkene viste at hjernecellene ikke vokste godt nok i et slikt miljø, og døde etter rundt et døgn.

Det skyldes at hjernecellene trenger en ytre, fast ramme å vokse på. Uten en slik ramme kan ikke de forskjellige delene av hjernecellen utvikle seg riktig, ifølge nyhetsmeldingen.

Rammeverket av porøs silke, avbildet med elektronmikroskop. (Foto: (Bilde: Tufts University))
Rammeverket av porøs silke, avbildet med elektronmikroskop. (Foto: (Bilde: Tufts University))

Silkesmultring med gelé

Rammen som forskerne fra Tufts University brukte, hadde form av en smultring. Den var laget protein fra silke. Smultringen var porøs, omtrent som svamp.

Til denne smultringen festet forskerne hjerneceller fra rotte. Etter bare få dager vokste cellekjernene gjennom den porøse silkesmultringen.

Men for at hjernecellene skulle knytte forbindelser med hverandre, måtte forskerne gjøre mer. De fylte hullet i midten av smultringen med en en gelé.

Koblet seg sammen

Nå strakk cellekjernene ut tynne tråder, det som kalles aksoner, gjennom geléen for å koble seg til cellekjerner på den andre siden av smultringen.

Disse aksonene er som ledningene i et elektronisk apparat. De sprer nerveimpulsene fra hjernecelle til hjernecelle, og er dermed viktige for hjernefunksjonen.

Med denne todelte strukturen av cellekjerner i smultringen og aksoner i geléen i midten klarte forskerne å holde liv i det kunstige hjernelignende vevet i opptil fem uker.

Den lange tida er viktig, fordi noen endringer i hjernevevet først kan sees etter lang tid, ifølge nyhetsmeldingen fra Tufts University.

Figuren viser den porøse smultringen av silkeprotein (grå) med en gele av kollagen, proteinet i bindevev, i midten (grønn). Cellekjernene, den grå materien, vokste gjennom porene i smultringen, og aksonene, den hvite materien, vokste gjennom geleen og knyttet forbindelser mellom cellekjernene. (Foto: (Figur: National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, bearbeidet av forskning.no))
Figuren viser den porøse smultringen av silkeprotein (grå) med en gele av kollagen, proteinet i bindevev, i midten (grønn). Cellekjernene, den grå materien, vokste gjennom porene i smultringen, og aksonene, den hvite materien, vokste gjennom geleen og knyttet forbindelser mellom cellekjernene. (Foto: (Figur: National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, bearbeidet av forskning.no))

Bedre enn datamodeller

Menno Witter mener at slike fysiske modeller med virkelige hjerneceller kan ha et større potensiale enn datamodeller av hjernen.

- I slike datamodeller må selve nervronet, eller hjernecellen, med all sin kompleksitet modelleres. Her har vi nevronene på plass, og kan studere til og med hvordan samspillet mellom dem utvikler seg, skriver han.

- Mulighetene for å genetisk endre enkeltnevroner slik at aktiviteten deres kan påvirkes og endres innen nettverket, gjør denne metoden enda mer spennende og lovende, fortsetter Witter.

Enkle hjerner - på sikt

Han tror at metoden på sikt kan brukes til å utvikle enkle, komplette hjerner. Men i første omgang mener Witter at slike fysiske hjernemodeller er et kraftig verktøy for å finne mekanismene bak hjernesykdommer.

- Siden flere og flere hjernesykdommer ser ut til å være forårsaket av opprinnelige små forandringer i hvordan celler samvirker, vil studiene av forandringer i enkle nevrale nettverk, slik som her, bli et kraftig verktøy, skriver Witter.

Referanse:

Min D. Tang-Schomer et. al: Bioengineered functional brain-like cortical tissue, Proceedings of The National Academy of Sciences, doi 10.1073/pnas. 1324214111

Powered by Labrador CMS