Przełom w neuronauce inspirowany kirigami
Rozwój organoidów otrzymywanych z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych zrewolucjonizował badania neurobiologiczne, ponieważ umożliwił badanie skomplikowanej organizacji komórek ludzkiego mózgu. Te miniaturowe repliki ludzkich organów, od miniaturowych mózgów po zwoje neuronów czuciowych, symulują złożoną strukturę i predyspozycje genetyczne ludzkich narządów. Wiele schorzeń neuropsychiatrycznych jest związana z nieprawidłową aktywnością elektryczną neuronów tworzących tkankę mózgową. Pomiary aktywności elektrycznej, nawet na wczesnych etapach rozwoju organoidów, mogą dostarczyć ważnych informacji o takich chorobach. Jednak badanie ich aktywności elektrycznej bez modyfikowania ich trójwymiarowej struktury stanowiło dotąd duże wyzwanie.
Macierze elektrod siatkowych do pomiaru aktywności elektrycznej
Inspiracją dla realizowanego przy wsparciu programu działań „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA) projektu STRELECOID była sztuka kirigami. Podejście to pozwoliło opracować przełomowe innowacyjne rozwiązanie umożliwiające ciągłe, nieinwazyjne rejestrowanie sygnałów elektrycznych, podczas gdy organoidy mogą swobodnie rosnąć wokół tych struktur. Faza wyjazdowa projektu miała miejsce na Uniwersytecie Stanforda. „Główną innowacją powstałą w projekcie było wykorzystanie bardzo twardego materiału i uczynienie go elastycznym i podatnym. Podobnie jak w sztuce wycinania papieru kirigami, staranne cięcie geometryczne może sprawić, że twarde materiały staną się elastyczne”, wyjaśnia Csaba Forró, stypendysta MSCA. Konwencjonalne układy elektrod na płaskich granicach faz wywołują stres komórkowy i rodzą ryzyko uszkodzenie struktury organoidu, utrudniając długoterminowe badania i gromadzenie rzetelnych danych. Technologia STRELECOID przypomina siatkę o niewielkich rozmiarach i wyjątkowo dużej elastyczności, która rozwija się w koszyk, w którym umieszcza się jest organoid. Organoid może bez przeszkód rosnąć, integrując ze swoją strukturą macierz elektrod siatkowych, która zapewnia również wsparcie konstrukcyjne. W systemie rozmieszczone są mikroelektrody o średnicy około 25 mikrometrów. Są one stopniowo osadzane w rdzeniu organoidu i umożliwiają rejestrowanie aktywności elektrycznej wielu regionów. Dzięki temu podejściu nie ma konieczności wprowadzania elektrycznego urządzenia pomiarowego, a w organoidzie nie rozwija się stan zapalny.
Zaawansowana konstrukcja i wysoka kompatybilność
Dzięki wykorzystaniu modelu projektowego opartego na języku Python i symulacji fizycznych macierze te są poddawane przed wyprodukowaniem drobiazgowym testom, które gwarantują ich kompatybilność z różnymi typami organoidów i zapewniają długoterminową stabilność. Wyniki dotychczasowych badań wskazują, że macierz elektrod siatkowych STRELECOID pozwala prowadzić bez zakłóceń ciągłą rejestrację elektryczną aktywności organoidów przez ponad pół roku. „Odbywa się to bez zaburzania pracy organoidu czy jego obciążania dzięki temu, że cały proces zachodzi, gdy organoid znajduje się w zawiesinie”, podkreśla Forró. System STRELECOID jest kompatybilny z popularnymi technikami neuronaukowymi, w tym interwencjami optogenetycznymi i farmakologicznymi. Innowacyjne algorytmy umożliwiają wykrywanie w czasie rzeczywistym aktywności neuronowej w zarejestrowanych danych, znacznie je kompresując przy jednoczesnym zachowaniu najbardziej istotnych informacji.
Zmiana paradygmatu w dziedzinie technologii interfejsów neuronowych
Po zademonstrowaniu skuteczności tego podejścia nadal trwają prace związane z optymalizacją macierzy, mające na celu zwiększenie ich odporności mechanicznej i poprawę wydajności elektrod. Zespół liczy też, że uda się zastosować także inne rodzaje organoidów, w tym organoidy serca. Problemem obecnych organoidów jest brak unaczynienia, który skutkuje niedotlenieniem ich rdzenia. Macierze elektrod siatkowych mogłyby rozwiązać ten problem dzięki wykorzystaniu sieci mikroprzepływowej dostarczającej niezbędne cząsteczki. Odnosząc się do przyszłości, Forró podkreśla: „Nasza innowacja oznacza zmianę paradygmatu w technologii interfejsów neuronowych, gdyż przyczynia się do skokowego rozwoju tej dziedziny i przesuwa granice, jeśli chodzi o możliwości zrozumienia zaburzeń neurologicznych”.
Słowa kluczowe
STRELECOID, organoid, aktywność elektryczna, kirigami, macierz elektrod siatkowych, indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste, neuronauka, technologia interfejsu neuronowego, zaburzenia neuropsychiatryczne