Forskare har odlat mer än 400 typer av nervceller från stamceller

Nervceller är inte bara nervceller. När man tittar tillräckligt noggrant på dem tyder de senaste uppskattningarna på att det finns flera hundra eller till och med flera tusen olika typer av nervceller i den mänskliga hjärnan. Dessa typer skiljer sig åt i sina funktioner, antalet och längden på sina utskott, och hur de är kopplade till varandra. De frisätter olika neurotransmittorer till synapser, och beroende på hjärnans område – till exempel hjärnbarken eller mellanhjärnan – är olika typer av celler aktiva.

När forskare odlade nervceller från stamceller i petriskålar för experiment kunde de inte förklara all denna mångfald. Fram tills nyligen hade forskare utvecklat metoder för att odla endast några dussin olika typer av nervceller in vitro. För att göra detta använde de gentekniska metoder eller tillsatte signalmolekyler för att aktivera specifika intracellulära signalvägar. Men de hade aldrig kommit i närheten av att fånga mångfalden hos de hundratals eller tusentals olika typer av nervceller som finns i kroppen.

"Neuroner som härrör från stamceller används ofta för att studera sjukdomar. Men fram till nu har forskare ofta ignorerat vilka typer av neuroner de arbetar med", säger Barbara Treutlein, professor vid institutionen för biosystemvetenskap och teknik vid ETH Zürich i Basel.

Hon menar dock att detta inte är den bästa metoden för sådant arbete.

"Om vi vill utveckla cellmodeller för att studera sjukdomar och störningar som Alzheimers, Parkinsons och depression, måste vi ta hänsyn till den specifika typen av nervcell som är involverad i den patologiska processen."

Systematisk screening som en nyckel till framgång

Treutlein och hennes team har nu framgångsrikt producerat mer än 400 olika typer av nervceller, vilket banar väg för mer exakt grundläggande neurologisk forskning med hjälp av cellkulturer.

ETH-forskarna uppnådde detta genom att arbeta med en kultur av humana pluripotenta stamceller, som härrörde från blodceller. I dessa celler genetiskt modifierade de vissa neuronala regulatoriska gener och behandlade cellerna med olika morfogener – en speciell klass av signalmolekyler. Treutleins team använde en systematisk metod: sju morfogener i olika kombinationer och koncentrationer i sina screeningsexperiment. Detta gav slutligen nästan 200 olika uppsättningar av experimentella förhållanden.

Morfogener

Morfogener är signalsubstanser kända från studier av embryonal utveckling. De är ojämnt fördelade i embryot och bildar rumsliga gradienter i olika koncentrationer. Således bestämmer de cellernas position i embryot - till exempel om en cell är närmare kroppsaxeln eller är belägen på ryggen, på buken, i huvudet eller överkroppen. Följaktligen hjälper morfogener till att bestämma vilka strukturer som kommer att bildas i olika delar av kroppen.

Forskarna använde en mängd olika analystekniker för att visa att de hade lyckats få fram mer än 400 olika typer av nervceller i experimentet. De studerade RNA (och därmed genetisk aktivitet) på individuella cellnivå, såväl som cellernas utseende och funktion, såsom vilka typer av cellprocesser de hade och vilka elektriska nervimpulser de avgav.

Forskarna jämförde sedan sina data med information från databaser över mänskliga hjärnneuroner. Detta gjorde det möjligt för dem att fastställa vilka typer av nervceller som skapades, såsom celler i det perifera nervsystemet eller hjärnceller, samt vilket område i hjärnan de kom ifrån och vad dessa celler ansvarar för – att uppfatta smärta, kyla, rörelse etc.

In vitro-neuroner för sökandet efter aktiva substanser

Treutlein sa att de fortfarande är långt ifrån att kunna producera in vitro alla typer av nervceller som finns i kroppen. Forskarna har dock nu tillgång till många fler olika typer av celler än tidigare.

De vill använda neuroner som odlats in vitro för att utveckla cellmodeller för att studera allvarliga neurologiska sjukdomar, inklusive schizofreni, Alzheimers, Parkinsons, epilepsi, sömnstörningar och multipel skleros. Sådana cellmodeller är också av stort intresse för läkemedelsforskning, eftersom de gör det möjligt att testa effekterna av nya aktiva substanser i cellkulturer utan användning av djur, med det slutgiltiga målet att en dag lära sig hur man kan bota dessa sjukdomar.

I framtiden skulle dessa celler också kunna användas för cellersättningsterapi, där sjuka eller döda hjärnnervceller ersätts med nya mänskliga celler.

Men innan det kan hända finns det ett problem att lösa: I sina experiment producerade forskarna ofta en blandning av flera olika typer av nervceller. De arbetar nu med att optimera metoden så att varje experimentellt tillstånd endast producerar en specifik celltyp. De har redan några första idéer om hur man kan göra det.