Hundrevis av bittesmå menneskehjerner laget med 3D-skrivere på laboratoriet. Science fiction? Nei, tre 16-åringer med sommerjobb fant en metode. Resultatet kan få stor betydning for hjerneforskning.
Av Elisabeth Gråbøl-Undersrud i tidsskriftet GENialt
Sommeren 2013 fikk tre 16-åringer sommerjobb på laboratoriet til ekteparet Guo-li Ming og Hungju Song, som begge er professorer i nevrologi ved Johns Hopkins Hospital i Baltimore, USA. Ming og Song arbeider med å bruke bioskrivere til å lage menneskelig vev og organer. De tre tenåringene fikk frie tøyler til å leke seg med bioskriverne på laboratoriet.
Råmaterialet for bioskrivere er som oftest pluripotente stamceller, som er uspesialiserte celler som kan utvikle seg til alle kroppens celler. Skriverne gjør det mulig å få cellene til å vokse i en tredimensjonal struktur, slik at vev og organer kan dyrkes utenfor kroppen. Forskere har kommet langt med å lage organer som urinblære og lever. Song og Ming hadde lenge hatt et ønske om å skrive ut 3D-strukturer av hjernen, men menneskehjernens komplekse struktur gjør dette ekstremt vanskelig og kostnadskrevende.
Enestående øyeblikk
Når hjernen dannes under fosterutviklingen, spesialiserer stamcellene seg først til forstadier av nerveceller, såkalte nevronale stamceller, som utvikler seg videre til ulike typer modne nerveceller. 16-åringene fant ut at hvis bioskriveren roterte i en viss hastighet mens denne prosessen pågikk, samlet stamcellene seg på en slik måte at de vokste akkurat slik hjernen gjør under fosterutviklingen. Fire måneder senere var minihjernene klare til å analyseres.
Song sier til avisen New York Times at det var et enestående øyeblikk da studentene viste ham hvordan de hadde knekt koden:
– Jeg ble sjokkert første gang jeg så maskinen vibrere på benken. Jeg hadde aldri engang tenkt tanken at 16-åringer kunne bygge en bioskriver som lager en hjerne – vårt mest kompliserte organ. Song sier at bioskriveren er så enkel å bygge at forskere rundt om i verden kan bygge den selv for noen få hundre dollar.
Les også: Håp for barn med dødelig muskelsykdom
En ny dimensjon
Ekteparet Song og Ming har arbeidet i tre år med å videreutvikle prosessen, og har døpt bioprinteren SpinΩ. SpinΩ inneholder et stort antall brønner, såkalte bioreaktorer, som stamcellene kan vokse i og danne tredimensjonale strukturer på størrelse med et knappenålshode, rundt 3 millimeter. På den måten kan hundrevis av minihjerner vokse samtidig, og utvikle seg over flere måneder.
Nyheten om minihjernene fikk mye oppmerksomhet da den ble offentliggjort fjor, fordi forskning på sykdommer i hjernen på cellenivå er vanskelig. Hjernevev hentet ut fra pasienter er en begrenset ressurs. Hvis man som forsker får tillatelse til å ta en hjernebiopsi under en operasjon, er i tillegg cellene vanskelig å forske på, siden de ikke deler seg, og dør etter noen få dager.
Til nå har derfor studier av hjernen på cellenivå blitt gjort med stamceller som kan utvikle seg til nevroner og andre typer hjerneceller i en skål på laboratoriet. Da vokser cellene i ett enkelt cellelag. Minihjernene fra bioskriveren gjør at vi for første gang har mulighet til å studere hva som skjer på cellenivå i en tredimensjonal levende hjerne.
Brukes i zika-forskning
3D-hjernene er allerede tatt i bruk i zikaforskning. Zikavirus spres av mygg og fører til alvorlige hodeskader i barn som blir infisert tidlig i fosterutviklingen. Skremmende bilder av nyfødte babyer med unormalt små hoder har gått verden rundt etter at mange dødssyke babyer er født i Sør-Amerika de siste månedene. 3D-minihjernene tar forskning på zikavirus et viktig skritt videre, fordi det for første gang blir mulig å finne ut mer om hva som skjer når viruset angriper hjernen.
Minihjernene vokser i hundre dager, og lever videre i mer enn hundre dager til før hjernecellene begynner å dø. På dag 54 er hjernecellene i minihjernene slik de er i et 9 uker gammelt foster. Etter 100 dager tilsvarer de hjernen til et foster i uke 35 i fosterutviklingen. Det gir forskerne god tid til å studere hvordan virus kan arbeide seg gjennom de ulike celletypene i hjernen, og undersøke når hjernen er mest sårbar for infeksjon. For å studere zikainfeksjon laget Ming og Song tre modeller av hjernen slik den er på fosterstadiet noen få uker etter befruktning: forhjernen, midthjernen og bakre del.
Forskerne observerte at zikaviruset angrep og drepte én bestemt type celler: de nevronale stamcellene i cortex, som er den ytre delen av forhjernen. Cellene i cortex er ansvarlig for blant annet hukommelse og læring. Når viruset dreper stamcellene i cortex blir det ikke dannet nerveceller i dette området, og barna fødes derfor med den karakteristiske hodeformen hvor deler av hjernen mangler.
Studier av 3D-hjernen har også bekreftet observasjonen om at det for gravide kvinner er farligst å få en zikainfeksjon i starten av graviditeten. Forklaringen er at det da er mange stamceller tilstede i cortex som utvikler seg til nerveceller.
Les også: Alder ingen hindring
Tatt i bruk i annen hjerneforskning
Hjerneceller stopper å dele seg etter at de er modnet, men det er enkelte områder i hjernen hvor stamceller danner nye nevroner hele livet. Forskere har estimert at 700 nye nevroner dannes i en voksen menneskehjerne hver dag. Når voksne mus infiseres med zikavirus, kan viruset drepe akkurat disse stamcellene. Dette kan være en mulig forklaring på hvorfor voksne etter en zikainfeksjon kan få kognitive problemer og nevrologiske sykdommer som Gullian-Barre, en såkalt autoimmun sykdom som fører til nerveskade og lammelser i bein og underkropp. Neste trinn i forskningen er nå å lage en 3D-modell av en voksen hjerne, for å se hvorfor enkelte voksne får nevrologiske sykdommer etter en zikainfeksjon.
Det er fremdeles ingen som har lyktes med å utvikle medisiner eller vaksine mot zikainfeksjon, og Folkehelseinstituttet advarer gravide mot å reise til en rekke land i SørAmerika og Asia, inkludert Thailand og Filippinene. Verdens helseorganisasjon har erklært kampen mot zika som en global helseutfordring, og maner forskningsmiljøene og farmasøytisk industri til å intensivere jakten på en medisin mot viruset. Forskning med 3D-hjernene har ikke resultert i en zikamedisin ennå, men et par allerede godkjente medikamenter mot virussykdommer har gitt lovende resultater.
3D-hjernene er også tatt i bruk i annen hjerneforskning. I pasienter med Parkinson sykdom dør dopaminproduserende hjerneceller, slik at pasientene gradvis mister kontroll over muskler og kognitive evner. Å studere akkurat disse cellene i en tredimensjonal struktur, gir nye muligheter for økt forståelse for sykdomsforløpet og utprøving av medisiner.
Professorene Song og Ming har nå latt det bli en tradisjon å la tre 16-åringer få sommerjobb i laboratoriet deres.
– 16-åringer er fryktløse, de tenker utenfor boksen, og de er ikke redde for å gjøre feil, forteller Song til tidskriftet Cell, som publiserte studien. – Ved å la unge studenter arbeide sammen med eldre forskere, kan spennende innovasjon skje.
