Ny metod kan ge unik insikt i den mänskliga hjärnans utveckling

Stamcellsforskare vid Lunds universitet har utvecklat en ny forskningsmodell av den tidiga fosterhjärnan. Syftet med modellen är att kunna studera de allra tidigaste stadierna av den mänskliga hjärnan för att förstå hur olika regioner i hjärnan bildas. Med denna nya insikt hoppas forskarna kunna producera nervceller för behandling av olika typer av neurologiska sjukdomar på ett mer effektivt sätt. Studien presenteras i den vetenskapliga tidskriften Nature Biotechnology.

För att utveckla stamcellsbehandlingar för neurodegenerativa sjukdomar, som till exempel Parkinsons, Alzheimers och stroke, måste forskare förstå hur den mänskliga hjärnan utvecklas under fosterstadiet. Med kunskap om hur nervceller bildas i olika utvecklingsstadier ges forskare möjlighet att utveckla nya stamcellsterapier snabbare i laboratoriet.

Agnete Kirkeby, forskare vid Wallenberg molekylärt medicinsk centrum och Institutionen för experimentell medicinsk vetenskap vid Lunds universitet.
– Utmaningen är att det finns tusentals olika subtyper av nervceller i den humana hjärnan, och för varje sjukdom behöver vi kunna producera precis rätt typ av nervcell, säger Agnete Kirkeby, forskare vid Wallenberg molekylärt medicinsk centrum och Institutionen för experimentell medicinsk vetenskap vid Lunds universitet.

Studier av hur varje enskild nervcell bildas i fostret under hjärnans utveckling är essentiella för att forskarna ska förstå hur de ska kunna producera de specifika cellerna i laboratoriet.

Studier av hjärnans tidiga utveckling hos människor, från fem dagar efter cellens befruktning till cirka sju veckor, har hittills varit svåra eftersom forskare inte haft tillgång till mänsklig fostervävnad från dessa tidiga utvecklingsstadier. Därför bygger nästan all kunskap om hjärnans tidigaste utveckling på studier från flugor, kycklingar och möss.

– Den mänskliga hjärnans sammansättning skiljer sig dock mycket från djurens. Därför har denna period i den mänskliga hjärnans utveckling länge betraktats som neurologins vita fläck, berättar Agnete Kirkeby.

Nu har Agnete Kirkeby och hennes kollegor från Lunds universitet och Köpenhamns universitet, i samarbete med ingenjörerna Thomas Laurell och Marc Isaksson från LTH, byggt en stamcellsmodell som liknar tidiga utvecklingsfaser i den mänskliga hjärnan. Stamcellerna odlas i en specialbyggd cellodlingskammare där de utsätts för en miljö som liknar den som finns i det tidiga fostrets hjärna.

– I laboratoriemodellen, som kallas MiSTR (Microfluidic-controlled Stem Cell Regionalisation), kan vi bygga vävnad som innehåller olika hjärnregioner bredvid varandra, precis så som förmodat i en fosterhjärna, cirka fyra-fem veckor efter befruktning. Vi börjar med en liten grupp av celler som kommer att bilda hjärnan och instruerar cellerna genom att utsätta dem för en gradient av en specifik tillväxtfaktor (WNT) så att de bildar olika regioner i hjärnan. Vår modell är bättre än tidigare publicerade modeller eftersom den är mycket mer reproducerbar och innehåller fler hjärnregioner, förklarar Agnete Kirkeby.

Agnete Kirkeby, tror att den nya metoden kommer kunna användas för att studera miljö-effekter på fostret under graviditeten.

– Detta är ett stort framsteg för stamcellsforskningen. Vi har nu för första gången tillgång till vävnad som liknar den tidiga fosterhjärnan och kan studera processer bakom hjärnans utveckling på ett sätt som inte varit möjligt tidigare. Med denna metod kan vi bland annat börja studera hur miljögifter kan påverka den mänskliga hjärnans utveckling i fostertillstånden, förklarar Kirkeby.

Ett annat huvudsyfte är också att använda modellen för att skapa en fullständig karta över hjärnans utveckling hos människan och därmed snabba upp framtagning av nya behandlingsmetoder mot olika neurodegenerativa sjukdomstillstånd.

– När vi har kartan kommer vi också bli bättre på att producera mänskliga nervceller i laboratoriet som ska kunna användas för transplantation, regenerativ terapi och för att studera hjärnans funktion och olika sjukdomstillstånd. Det tog oss tio år att komma fram till en stamcellsbehandling för Parkinsons sjukdom, då våra metoder byggde på trial and error. Vårt mål nu är att det i framtiden ska gå mycket snabbare att ta fram metoder för att effektivt kunna producera subtyper av humana nervceller.

Publikation
“Modelling neural tube development by differentiation of human embryonic stem cells in a microfluidic WNT gradient”
Pedro Rifes*, Marc Isaksson*, Gaurav Singh Rathore, Patrick Aldrin-Kirk, Oliver Knights Møller, Guido Barzaghi, Julie Lee, Kristoffer Lihme Egerod, Dylan Matthew Rausch, Malin Parmar, Tune H. Pers, Thomas Laurell and Agnete Kirkeby
Nature Biotechnolgy 25 May 2020, DOI: 10.1038/s41587-020-0525-0
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0525-0