Gjennombrudd for zika-forskning: Skriver ut «minihjerner» i 3D

Hundrevis av bittesmå hjerner laget med 3D-skrivere på laboratoriet. Science fiction? Nei, tre 16-åringer med sommerjobb fant en metode. Resultatet kan få stor betydning for hjerneforskning.

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 hadde ferie fra high school, en av dem er sønnen til professorekteparet. På laboratoriet fikk de frie tøyler til å leke seg med bioskriverne.

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.

Hadde knekt koden

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.

Det var et enestående øyeblikk for Song da studentene viste ham hvordan de hadde knekt koden:

– Jeg ble sjokkert, fortalte han til mediene etterpå. Professoren hadde aldri trodd 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.

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, hvor stamcellene danner tredimensjonale strukturer på størrelse med et knappenålshode, rundt 3 millimeter. Slik kan hundrevis av «minihjerner» vokse samtidig, og utvikle seg over flere måneder.

Nyheten om 3D-hjernene har fått mye oppmerksomhet, fordi forskning på hjernesykdommer på cellenivå er vanskelig.

Hjernevev fra pasienter er en begrenset ressurs, og cellene er 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.

Etisk problematisk

Flere ledende stamcelleforskere, blant annet fra Francis Crick Institute i London, har tatt til orde for at forskning på organer laget i laboratorier kan være etisk problematisk, og stiller spørsmål ved hvor langt forskningen kan tillate seg å gå for å studere hjernen.

Hvis dette er første trinn på veien til å lage en hel, fungerende hjerne i en skål på laboratoriet – kan vi som samfunn tillate det?

Andre, som molekylærbiologen Madeline Lancaster fra Universitetet i Cambridge, argumenterer med at disse 3D-hjernene er langt unna menneskelig bevissthet, de er kun 4 mm store og mangler blodtilførselen som muliggjør full kommunikasjon mellom nervecellene i en utvokst hjerne.

Brukes i zika-forskning

Professorene Ming og Song har allerede tatt 3D-hjernene i bruk i zika-forskning. Dette har tatt forskningen på zikaviruset 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 over hundre dager til før hjernecellene begynner å dø. På dag 54 er hjernecellene i 3D-hjernene 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 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 til stede i cortex som utvikler seg til nerveceller.

Tatt i bruk i annen hjerneforskning

Forskning med 3D-hjernene har ikke resultert i en ny zika-medisin ennå, men et par allerede godkjente medikamenter mot virussykdommer har gitt lovende resultater. 3D-hjernene er også tatt i bruk i laboratorier i blant annet USA, Singapore og Australia, for å studere sykdommer som Parkinson. 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.

Og 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 tidsskriftet Cell, som publiserte zikastudien – hvor de tre tenåringene er oppført som medforfattere.

– Ved å la unge studenter arbeide sammen med eldre forskere, kan spennende innovasjon skje, sier Song.

Bioteknologirådet er et frittstående, rådgivende organ som er oppnevnt av Regjeringen. Rådet er en høringsinstans for norske myndigheter i saker som vedrører moderne bioteknologi. Bioteknologirådet skal bidra med informasjon til publikum og forvaltningen, og fremme debatt omkring de etiske og samfunnsmessige konsekvensene ved bruk av moderne bioteknologi.

Her er flere spennende saker fra Viten:

• Dette er grunnene til at færre dør av hjerteinfarkt
• Vil du bli bedre til å få ting gjort, ta bedre valg eller få bedre retningssans? Da kan du trene hjernen.
• Fra Drammenselva til Kongofloden - les den utrolige historien om Norges ukjente oppdager
• Hvorfor er kumlokk runde? Svaret har med matematikk å gjøre.
• Nordlyset er viktigere for dagliglivet vårt enn du tror
• Dinosaurene dominerte verden i 135 millioner år - men kanskje er bare halvparten av artene funnet
• Ic ascie þe, hwæt hæfst þu weorkes - slik så engelsk ut for tusen år siden
• Hvert år dør 1500 av tarmkreft. Dette er undersøkelsene som kan gjøre at færre dør av sykdommen.