Menselijke hersencellen die in het brein van jonge ratten getransplanteerd zijn, kunnen signalen sturen en reageren als de snorharen van de rat worden geprikkeld. Met deze techniek kunnen neurologische aandoeningen onderzocht worden. Maar het roept ook ethische vragen op.
Hoe de hersenen zich ontwikkelen, en wat er precies gebeurt in het brein bij hersenaandoeningen is lastig te onderzoeken. Je kunt immers niet zomaar meetapparatuur in iemands hoofd steken. Daarom kweken onderzoekers mini-breintjes buiten het lichaam, in een petrischaaltje in het lab. Deze zogeheten brein-organoïden bestaan uit stukjes hersenweefsel die gekweekt zijn uit stamcellen.
Organoïden zijn geen complete breintjes. Het zijn slechts kleine klompjes hersencellen, zonder bloedvaten en andere complexe onderlinge structuren. Zonder voedingsstoffen uit het bloed en de benodigde stimulatie kunnen ze niet uitgroeien tot volwassen hersenstructuren. Dat betekent dat de brein-organoïden de hersenen slechts beperkt kunnen nabootsen.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Van petrischaaltje naar rattenbrein
Amerikaanse onderzoekers hebben hier een oplossing voor. Ze plaatsen stukjes menselijk hersenweefsel, die eerst twee maanden opgekweekt waren in het lab, in de breinen van pasgeboren ratten. Daar krijgen de organoïden stimulatie en ondersteuning van de rattenhersenen, zodat de menselijke hersencellen samen met de cellen van de ratten kunnen groeien.
Deze methode werkt alleen goed bij pasgeboren ratten, omdat hun hersenen nog volop in ontwikkeling zijn. In de hersenen van oudere ratten worden veel minder nieuwe verbindingen aangelegd, waardoor de transplantatie lastiger is. Menselijke hersencellen groeien trager dan de hersencellen van ratten. Daarom duurde het ruim zes maanden voordat de brein-organoïden zich volledig gevestigd hadden in de rattenbreinen.
Het gekweekte hersenweefsel plaatsten de onderzoekers in de somatosensorische cortex van de ratten. Dat is het hersengebied waar onder meer tast-, pijn- en temperatuurprikkels binnenkomen, waaronder de signalen van de gevoelige snorharen.
Het menselijke hersenweefsel integreerde gemakkelijk in de rattenbreinen. Er werden bloedvaten aangelegd zodat er voedingsstoffen aangevoerd en afvalstoffen afgevoerd konden worden. Ook legden ze verbindingen aan met de rattencellen. Zo groeiden de menselijke hersencellen in het rattenbrein. ‘Ze zijn er zo ingetrokken’, zegt Sergiu Pasca, hoogleraar psychiatrie aan de Stanford-universiteit.
‘Menselijke hersencellen zijn anders dan die van alle andere diersoorten’, schrijven de Zwitserse onderzoekers Gray Camp en Barbara Treutlein in een bijbehorend commentaar. ‘Die verschillen zullen beperken hoe goed deze transplantaties de menselijke hersenfunctie kunnen weerspiegelen. Desalniettemin biedt het spannende mogelijkheden voor het bestuderen van de ontwikkeling en basisbiologie van de hersenen, evenals een nieuw systeem voor het testen van therapieën voor neurologische aandoeningen.’
Rattengedrag van menselijke cellen
Dat de menselijke hersencellen echt meedoen in het rattenbrein, toonden de onderzoekers aan door snorharen van de ratten te prikkelen. Als ze een zuchtje lucht langs de snorharen bliezen, zagen ze de menselijke hersencellen oplichten. Dat laat zien dat ze verbonden zijn met het gedeelte van het rattenbrein dat dergelijke prikkels verwerkt.
De onderzoekers hebben ook aangetoond dat de menselijke hersencellen het gedrag van de ratten kunnen beïnvloeden. Dat deden ze door de hersencellen zo te ontwerpen dat je ze kunt activeren door er met een ingebracht superdunne glasvezel licht op te schijnen.
De ratten kregen vervolgens een tuitje waar ze aan konden likken om water te krijgen. Maar er kwam alleen water uit als er vlak daarvoor licht was geschenen op de menselijke hersencellen. De ratten leerden dat stimulatie van die hersencellen betekende dat er water te halen was. Dat wijst erop dat het menselijke weefsel is geïntegreerd in de beloningzoekende hersencircuits van de ratten.
‘Met deze techniek kunnen we gezonde hersenontwikkeling en hersenaandoeningen in ongekend detail bestuderen, zonder dat we weefsel uit een menselijk brein hoeven te verwijderen’, zegt Pasca. ‘We kunnen de nieuwe techniek ook gebruiken om nieuwe medicijnen en gentherapieën voor neuropsychiatrische aandoeningen te testen.’
Ethisch
Maar het onderzoek roept ook ethische vragen op. Creëren onderzoekers zo een soort knaagdier-mens-hybride, waarbij de ratten lijden onder hun mensachtige breinen? In dit onderzoek lijkt dat nog niet het geval. Volgens de onderzoekers gedroegen de ratten met wat menselijke hersenweefsel zich hetzelfde als de dieren zónder. Ook lijken brein-organoïden voorlopig nog te primitief om zelf een bewustzijn te ontwikkelen.
Maar dit kan veranderen als dit onderzoeksgebied zich verder ontwikkelt. Daarom zijn ‘actieve gesprekken tussen onderzoekers, bio-ethici, regelgevers en het publiek nodig om kaders en grenzen te ontwikkelen voor onderzoek waarbij organoïden worden gebruikt om de circuits van het menselijk brein te modelleren’, besluiten Camp en Treutlei.
