Loading AI tools
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Інженерія нервової тканини (або нейротканинна інженерія) — це галузь тканинної інженерії та біомедичної інженерії, яка зосереджена на розробці функціональних замінників нервової тканини для заміни або відновлення пошкодженої або хворої тканини центральної нервової системи (ЦНС) або периферичної нервової системи (ПНС).[1] Метою інженерії нервової тканини є відновлення втраченої функції нервової системи за допомогою побудови нової нервової тканини із спеціальних матеріалів, клітин і факторів росту[2][3], для транплантування в місця дефекту.
Інженерія нервової тканини |
Ця область дослідження включає в себе принципи матеріалознавства, біології та інженерії для проектування та розробки пристроїв, каркасів з біоматеріалів і 3D-культур, які сприяють росту, виживанню та функціональній інтеграції нейронів і гліальних клітин. Деякі із застосувань нейротканинної інженерії включають лікування травм спинного мозку, черепно-мозкових травм, інсульту, хвороби Паркінсона та інших станів, які призводять до пошкодження нервової системи чи її вікової дегенерації.
Розвиток інженерії нервової тканини потребує міждисциплінарного підходу, який передбачає співпрацю між біомедичними інженерами, нейронауковцями, біомедиками та лікарями для перетворення лабораторних результатів у клінічне застосування.
Нервова система поділяється на два відділи: ЦНС і ПНС. ЦНС складається з головного та спинного мозку, тоді як ПНС складається з нервів, які походять від головного та спинного мозку та іннервують решту тіла.[4]
Потреба в інженерії нервової тканини, як окремої галузі, виникає через складність нервових клітин і нервової тканини відновлюватися самостійно після пошкодження нервової системи. ПНС має певну, але обмежену регенерацію нервових клітин. Було виявлено, що нейрогенез дорослих стовбурових клітин у ЦНС відбувається в гіпокампі, субвентрикулярній зоні (SVZ) і спинному мозку.[5] Дослідження 2020-го року показало також нейрогенез у дорослих у інших зонах мозку, зокрема вгіпоталамусі, смугастому тілі, чорній субстанції, корі головного мозку та мигдалині.[6]
Пошкодження ЦНС можуть бути викликані інсультом, нейродегенеративними розладами, травмою або енцефалопатією. Нині досліджуються кілька методів лікування пошкоджень ЦНС[7]:
Запропоноване використання електропрядених полімерних волокнистих каркасів для нейронних субстратів відновлення датується щонайменше 1986 роком у заявці NIH SBIR від Simon.[8]
Для ПНС відірваний нерв можна повторно з’єднати та повторно іннервувати за допомогою трансплантатів або спрямування існуючого нерва через канал.[4]
Нещодавні дослідження створення мініатюрної кори головного мозку, відомої як кортикопоез, і моделей мозку, відомих як церебральні органоїди[en], є методами, які можуть сприяти розвитку регенерації нервової тканини. Природні кортикальні попередники кортикопоезу — це нервові тканини, які можуть бути ефективно вбудовані в мозок.[9]
Церебральні органоїди — це тривимірні плюрипотентні стовбурові клітини людини, розвинені в секції кори головного мозку, що свідчить про наявність потенціалу для ізоляції та розвитку певних нервових тканин за допомогою нейронних попередників.[10]
Дослідження 2023 року показало, що органоїди людського мозку успішно інтегруються із зоровою системою дорослого щура після трансплантації у великі пошкоджені порожнини зорової кори.[11]
Іншою ситуацією, що вимагає імплантації чужорідної тканини, є використання записуючих електродів. Хронічні електродні імплантати – це інструмент, який використовується в дослідницьких програмах для запису сигналів із областей кори головного мозку. Дослідження стимуляції нейронів ПНС у пацієнтів з паралічем і протезуванням може розширити знання про реіннервацію нервової тканини як у ПНС, так і в ЦНС. Це дослідження здатне зробити один складний аспект інженерії нервової тканини — функціональну іннервацію нервової тканини — більш керованою.[12]
Є чотири основні причини ураження ЦНС: інсульт, черепно-мозкова травма (ЧМТ), травма спинного мозку або ускладнення розвитку. Інсульти класифікуються як геморагічні (коли судина пошкоджена до ступеня крововиливу в мозок) або ішемічні (коли тромб блокує кровотік через судину в мозку). Коли відбувається крововилив, кров просочується в навколишні тканини, що призводить до відмирання тканин, тоді як ішемічні крововиливи призводять до відсутності кровотоку до певних тканин. Черепно-мозкова травма викликається зовнішніми силами, що впливають на череп або спинний мозок. Проблеми з розвитком ЦНС призводять до аномального росту тканин під час розвитку, таким чином знижуючи функцію ЦНС.[7]
Огляд 2023 року підсумував основні причини обмеженої регенерації в ЦНС: (1) неспроможність утворити клітинні або молекулярні субстрати для прикріплення аксонів і їх подовження через місце ураження; (2) фактори зовнішнього середовища, включаючи інгібітори росту аксонів, пов'язаних з мієліном і позаклітинним матриксом; (3) реакції астроцитів, які можуть як обмежувати, так і підтримувати ріст аксона; і (4) внутрішньонейронні механізми, що контролюють встановлення активної програми клітинного росту.[13]
Один із потенційних методів лікування ураження ЦНС включає культивування стовбурових клітин in vitro та імплантацію їх у місце ураження мозку. Імплантація стовбурових клітин безпосередньо в місце пошкодження запобігає утворенню гліальних рубців і сприяє нейрогенезу, що походить від пацієнта, але також створює деякі ризики — ризик розвитку пухлини, запалення та міграції стовбурових клітин з місця пошкодження. Пухлиноутворення може виникнути через неконтрольований характер диференціації стовбурових клітин, запалення може виникнути через відторгнення імплантованих клітин клітинами-господарями, а висока міграційна природа стовбурових клітин призводить до того, що клітини віддаляються від місця пошкодження, тому не надає бажаний вплив на місце пошкодження.
Інші проблеми інженерії нервової тканини включають створення безпечних джерел стовбурових клітин і отримання відтворюваних результатів від лікування до лікування.[7]
Крім того, ці стовбурові клітини можуть діяти як носії для інших методів лікування, хоча позитивні ефекти використання стовбурових клітин як механізму доставки не підтверджені. Пряма доставка стовбурових клітин має підвищений корисний ефект, якщо вони запрограмовані як нейронні клітини in vitro.[7]
Дослідження 2020 року показали, що трансплантати нейронних клітин-попередників (NPC), отримані зі спинного мозку, інтегруються в ушкоджений спинний мозок хазяїна, забезпечують надійну регенерацію кортикоспинального аксона та відновлюють функцію передніх кінцівок після травми спинного мозку у гризунів.[15][16]
Електрично заряджені гідрогелів, що складаються з катіонних і аніонних мономерів у співвідношенні 1:1 (гідрогель C1A1), слугували ефективним каркасом для прикріплення нейронних стовбурових клітин (NSC). Пористий гідрогель сприяв утворенню судинної мережі разом з інфільтрацією макрофагів/мікроглії та астроцитів у гель. Крім того, поетапна трансплантація GFP-мічених NSCs підтримувала диференціацію до гліальних і нейрональних клітин. Таким чином, цей двоетапний метод нейронної регенерації може стати новим підходом до терапевтичної реконструкції тканин мозку після пошкодження мозку в майбутньому.[17]
Молекули, які сприяють регенерації нервової тканини, включаючи фармацевтичні препарати, фактори росту, відомі як морфогени, і мікроРНК також можуть бути безпосередньо введені в місце пошкодження пошкодженої тканини ЦНС.
Нейрогенез спостерігався також у тварин, яких лікували психотропними препаратами, через пригнічення зворотного захоплення серотоніну та індукцію нейрогенезу в мозку.
Коли стовбурові клітини диференціюються, клітини виділяють морфогени, такі як фактори росту, щоб сприяти здоровому розвитку. Ці морфогени допомагають підтримувати гомеостаз і нейронні сигнальні шляхи, і вони можуть бути доставлені в місце пошкодження для сприяння росту пошкоджених тканин. В даний час доставка морфогену має мінімальні переваги через взаємодію морфогенів з ушкодженою тканиною. Щоб лікування було ефективним, морфогени повинні бути присутніми в місці пошкодження в певній і постійній концентрації.
Було також показано, що мікроРНК впливає на нейрогенез, керуючи диференціюванням недиференційованих нейронних клітин.[7]
Цілеспрямована реіннервація (Targeted reinnervation) — це метод реіннервації нейронних зв’язків у ЦНС та ПНС, зокрема у паралізованих пацієнтів та осіб з ампутованими кінцівками, які використовують протези кінцівок. Зараз досліджуються пристрої, які сприймають і записують електричні сигнали, що поширюються через нейрони у відповідь на намір людини рухатися. Це дослідження може пролити світло на те, як реіннервувати нейронні зв’язки між розірваними нервами ПНС і зв’язки між пересадженими 3D каркасами в ЦНС.[12]
У ЦНС внутрішні фактори нейронів, такі як програми транскрипції та сигнальні шляхи росту, відіграють вирішальну роль у визначенні регенераційної здатності. Наприклад, модуляції шляхів, що включають mTOR і SOCS3, показали перспективу в сприянні подовженню аксона. Однак гальмівні фактори, такі як уламки мієліну та гліальний рубець, перешкоджають регенерації аксонів ЦНС, спонукаючи до потреби в стратегіях подолання цих бар’єрів. Гліальний рубець, який колись вважався виключно гальмівним для росту аксона, представляє складне середовище як з гальмівними, так і з стимулюючими сигналами. Останні дослідження ставлять під сумнів думку про те, що гліальний рубець повністю обмежує регенерацію аксона, припускаючи, що вибіркове маніпулювання певними компонентами рубця може сприяти повторному росту. Направляючі молекули аксона, відповідальні за спрямування росту аксона під час розвитку, також впливають на регенерацію після травми. Деякі молекули, такі як передача сигналів RGMa та Wnt, виявляють як гальмівний, так і стимулюючий вплив на ріст аксонів, пропонуючи потенційні терапевтичні цілі. Для відновлення нервової функції досліджуються стратегії, що сприяють проростанню колатеральних аксонів із звільнених аксонів або заохочують новий ріст із самого пошкодженого аксона. Однак досягнення контрольованого росту без аномальних результатів залишається проблемою, що підкреслює потребу в тонкому розумінні того, як використовувати молекулярні вказівки та фактори росту для сприяння функціональному нейронному відновленню.[18]
Дослідження показують, що маніпулювання певними генами або епігенетичними механізмами (див. також Епігенетичне перепрогармування), наприклад збільшення експресії Lin28[19][20] або Tet3[21], може сприяти регенерації аксонів у пошкоджених нейронах, пропонуючи потенційні терапевтичні підходи. Однак занепокоєння щодо можливих побічних ефектів або впливу цих втручань на нормальну клітинну функцію ще потребують повного вирішення.
Нейтралізація гальмівних ефектів RGMa може сприяти регенерації аксонів після травми спинного мозку, тоді як інгібування передачі сигналів Wnt-Ryk посилює проростання аксонів у пошкодженому спинному мозку.[18]
Карбіди та нітриди перехідних металів (MXene) є хорошими субстратами для регенерації нервових клітин і реконструкції нервів, які мають широкі перспективи застосування при відновленні пошкоджень нервової системи.[22]
Технологія електроспінінгу для розробки вирівняних децелюляризованих волокон спинного мозку (A-DSCF) без використання синтетичних полімерів або органічних розчинників зберігає кілька типів протеїнів позаклітинного матриксу спинного мозку та формує паралельно орієнтовану структуру. Порівняно з вирівняними колагеновими волокнами (A-CF), A-DSCF демонструє сильніші механічні властивості, покращену ферментативну стабільність і чудову функціональність у адгезії, проліферації, розширенні аксонів і мієлінізації диференційованих нейронних клітин-попередників (NPC). При трансплантації щурам із повним ТСМ A-DSCF, завантажений NPC, покращує виживаність, дозрівання, регенерацію аксонів і рухову функцію щурів із травмою спинного мозку.[23]
Ще один метод лікування пошкоджень ЦНС полягає у штучному створенні тканини поза тілом для імплантації в місце пошкодження. Цей метод може лікувати травми, які складаються з великих порожнин, де більша кількість нервової тканини потребує заміни та регенерації. Нервова тканина вирощується in vitro з нейронними стовбуровими клітинами або клітинами-попередниками в 3D каркасі, утворюючи ембріоїдні тіла. Ці ембріоїдні тіла складаються зі сфери стовбурових клітин, де внутрішні клітини є недиференційованими нервовими клітинами, а навколишні клітини стають все більш диференційованими. Тривимірні каркаси використовуються для трансплантації тканини до місця пошкодження та створення відповідного інтерфейсу між штучною та тканиною мозку.
Каркаси мають бути: біосумісними, біорозкладними, відповідати за розміром та формою місцю пошкодження, подібними до існуючої тканини за еластичністю та жорсткістю та підтримувати зростання клітин і тканин.
Поєднання використання спрямованих стовбурових клітин і каркасів для підтримки нервових клітин і тканин збільшує виживання стовбурових клітин у місці пошкодження, підвищуючи ефективність лікування.[7]
Існує 6 різних типів каркасів, які досліджуються для використання в цьому методі лікування ушкоджень нервової тканини:
Ці тривимірні каркаси можуть бути виготовлені за допомогою методів вилуговування частинок, газового спінювання, з’єднання волокон, лиття з розчинника або електроформування; кожна техніка створює каркас із властивостями, відмінними від інших технік.[25]
Полімери, зокрема, колаген широко використовується для інженерії нервової тканини. Останні досягнення в інтеграції колагену з виробничими стратегіями, такими як каркас, електроспінінг і 3D-біодрук, забезпечують локалізовану трофічну підтримку, направляють вирівнювання клітин і захищають нервові клітини від імунної активності.[26][27]
Також, п’єзоелектричні біоматеріали, завдяки властивостям власного живлення та чудовій біосумісності, мають потенціал в інженерії нервової тканини.[28]
Було показано, що успіх включення 3D каркасів у ЦНС залежить від стадії, на якій клітини диференціювалися. Пізніші стадії забезпечують більш ефективну імплантацію, тоді як клітини на більш ранніх стадіях повинні бути піддані впливу факторів, які змушують клітини диференціюватись і, таким чином, належним чином реагувати на сигнали, які клітини отримуватимуть у місці пошкодження ЦНС.[29] Нейротрофічний фактор, отриманий з мозку, є потенційним кофактором для сприяння функціональній активації нейронів, отриманих з клітин ES, у місцях пошкодження ЦНС.[30]
Полігідроксіалканоати є природними, біорозкладаними, термопластичними та стійкими біополімерами з величеким потенціалом у виготовленні біорозсмоктуваних каркасів для тканинної інженерії, зокерма для інженерії нервової тканини.[31]
Травма ПНС може спричинити таке серйозне пошкодження, як розрив нерва, розщеплення нерва на проксимальну та дистальну частини. Дистальний нерв з часом дегенерує через бездіяльність, тоді як проксимальний кінець з часом набрякає. Дистальний кінець не дегенерує відразу, а набряк проксимального кінця не робить його нефункціональним, тому досліджуються методи відновлення зв’язку між двома кінцями нерва.[4]
Доповнення екзогенними факторами росту є новою та універсальною терапевтичною стратегією для сприяння регенерації нервів та функціональному відновленню.[33]
Нанорозмірні каркаси на снові біоміметичних наноматеріалів можуть ініціювати секрецію та агрегацію факторів росту шляхом модифікації поверхні, регулювати синтез і гідроліз АТФ, перемикатися між станами окислення та відновлення, а також активувати іонні канали та стимулювати електричні сигнали за певними біофізичними сигналами. Отже, вони можуть визначати долю нейронних клітин шляхом модуляції їх життєздатності, розвитку та клітинних циклів під час процесу регенерації.[34]
Пошкодження периферичного нерва має серйозні та глибокі наслідки для життя пацієнта. Терапевтичний підхід залишається однією з найскладніших клінічних проблем. В останні роки запропоновано багато конструктивних схем регенерації нервів. Інженерія нервової тканини відіграє важливу роль і запропонувала багато нових підходів до виготовлення високорегульованих і функціональних каркасів, які мають великий потенціал для відновлення периферичних нервів. Однак досі велика кількість направляючих каналів (NGC), розроблених як в експериментах in vivo, так і in vitro, все ще має недоліки. Фізичні, хімічні і механічні властивості скаффолдів необхідно налаштувати для оптимізації взаємодії між клітинами в каркасі та імплантованою тканиною для реалізації широкомасштабного просування та застосування NGC. Швидкість біодеградації каркаса також необхідно контролювати, щоб підтримувати його цілісність до дозрівання регенерованої тканини. Крім того, технологія виробництва NGC також є гарячою точкою поточних досліджень. Тривимірні біодруковані NGC підтримують міграцію та проліферацію клітин. 3D-друк на основі технології Digital Light Processing[en] (DLP) може розробити точнішу внутрішню структуру каркаса та сприяти більш ефективній регенерації нервів.[35][36] Нервові направляючі канали (NGCs) на фіброїні шовку (SF), який є біосумісним і дуже універсальним, мають потенціал для використання в регенерації периферичних нервових волокон.[37]
Високочастотне, тривимірне, томографічне УЗД (HFtUS) може кількісно визначити ранню регенерацію периферичних нервів, пропонуючи вікно можливостей для хірургічного втручання, коли виявляється рання аномальна регенерація.[38]
Одним із методів лікування пошкодження ПНС є хірургічне відновлення відірваного нерва шляхом взяття двох кінців нерва та їх зшивання. Під час зшивання нервів кожен пучок нерва знову з’єднується, з’єднуючи нерв разом. Хоча цей метод працює для розривів, які створюють невеликий проміжок між проксимальним і дистальним закінченнями нервів, цей метод не працює на проміжках більшої відстані через напругу, яку необхідно застосувати до нервових закінчень. Ця напруга призводить до дегенерації нерва, і тому нерв не може відновитися та сформувати функціональний нейронний зв’язок.[4]
Тканинні трансплантати використовують нерви або інші матеріали для з'єднання двох кінців відірваного нерва. Існує три категорії тканинних трансплантатів: трансплантати аутологічної тканини, трансплантати неавтологічної тканини та ацелюлярні трансплантати.
Методи керування регенерацією ПНС використовують нервові направляючі канали, щоб допомогти аксонам відновити правильний шлях, і можуть спрямовувати фактори росту, що виділяються обома кінцями нерва, для сприяння росту та повторному з’єднанню. Методи наведення зменшують утворення рубців на нервах, збільшуючи функціональність нервів для передачі потенціалів дії після повторного підключення. У керівних методах регенерації ПНС використовуються два види матеріалів: натуральні та синтетичні.[40]
Направлена реіннервація (Targeted reinnervation) — це метод реіннервації нейронних зв’язків у ЦНС та ПНС, зокрема у паралізованих пацієнтів та осіб з ампутованими кінцівками, які використовують протези кінцівок. Зараз досліджуються пристрої, які сприймають і записують електричні сигнали, що поширюються через нейрони у відповідь на намір людини рухатися. Це дослідження може пролити світло на те, як реіннервувати нейронні зв’язки між розірваними нервами ПНС і зв’язки між пересадженими 3D каркасами в ЦНС.[12]
Периферична нервова система (ПНС) демонструє кращу здатність до регенерації, ніж ЦНС. Нейрони ПНС за допомогою Шванівских клітин дедиференціюються, щоб допомогти в очищенні від уламків і експресують фактори, які значно підвищують їх здатність до регенерації після травми. Ключові молекулярні властивості, такі як перепрограмування, викликане травмою, і локалізована трансляція білка, сприяють кращій регенераційній здатності ПНС.[18]
Такролімус, потужний імуносупресивний препарат, відомий своїми нейрорегенеративними властивостями, виявився в експериментальних дослідженнях як перспективний кандидат для прискорення регенерації нервових волокон.[41]
Нейротрофін-3 (NTF3) сприяє регенерації периферичних нервів шляхом підтримки стану відновлення шванівських клітин після хронічної денервації.[42]
Aдипоцити та клітини Шванна взаємодіють, щоб регулювати метаболічний гомеостаз після травми нерва, що може відкрити нові стратегії лікування травми нерва.[43]
Результати 52 досліджень показують, що нейромодуляція[en] посилює природні процеси регенерації периферичних нервів, але все ще вимагає інших втручань (наприклад, кондуїтів) для контролю напрямку реіннервації.[44]
Направлена реіннервація м’язів (TMR) є відносно нещодавнім хірургічним нововведенням, яке передбачає коаптацію основних периферичних нервів до моторної гілки реципієнта, яка іннервує м’язову ціль. Початковим показанням до TMR було посилення та оптимізація міоелектричних сигналів в ампутованій кінцівці для використання міоелектричних протезів (див. також Нейропротезування). Хірурги та пацієнти виявили, що ця техніка також може лікувати та запобігати фантомним і залишковим болям у кінцівках. TMR виконується під час ампутації або відкладається на будь-який час після ампутації, і TMR також можна виконувати на будь-якому рівні ампутації. Лікування периферичних нервів у людини з ампутованими кінцівками за допомогою TMR має бути розглянутим для всіх пацієнтів із великими ампутаціями верхніх кінцівок, особливо у великих установах, які можуть підтримувати міждисциплінарні групи порятунку кінцівок.[45][46][47]
Механічна електрична стимуляція (MES), опосередкована п’єзоелектричним нервовим каналом, викликала посилену регенерацію периферичного нерва, що призвело до повного повторного з’єднання аксона з регенерацією мієліну від проксимального до дистального кінців. Для порівняння, контрольна група, в якій імплантовані п’єзоелектричні канали не були активовані in vivo, не продемонструвала такої регенерації нерва. Крім того, як на проксимальному, так і на дистальному кінцях імплантованих каналів спостерігалося зменшення кількості пошкодженого мієліну, збільшення кількості мієлінізованих нервів і більший діаметр аксона в умовах MES порівняно з контрольними умовами. Крім того, на відміну від контрольної групи, стан MES продемонстрував чудове функціональне відновлення нерва, оцінене за допомогою аналізу пішохідної доріжки та поляризаційно-чутливої оптичної когерентної томографії, що демонструє значний потенціал підходу до фізичної стимуляції на основі п’єзоелектричного каналу для лікування пошкодження периферичного нерва.[48]
Двома моделями розвитку тканин мозку є церебральні органоїди та кортикопоез.
Ці моделі забезпечують in vitro модель нормального розвитку мозку[10], але ними можна маніпулювати, щоб дослідити нейронні дефекти. Таким чином, дослідники можуть вивчати механізми здорового та неправильного розвитку за допомогою цих моделей. [10] Ці тканини можна виготовити або з мишачих ембріональних стовбурових клітин (ЕСК), або з людських. Мишачі ЕСК культивують у білку, який називається 'інгібітор Sonic Hedgehog', щоб сприяти розвитку дорсального переднього мозку та вивчати долю кори.[9] Показано, що цей метод створює аксональні шари, які імітують широкий спектр кортикальних шарів.[10] Тканини, отримані з ЕСК людини, використовують плюрипотентні стовбурові клітини для формування тканин на каркасі, утворюючи людські ембріоїдні тіла. Ці тканини, отримані з ЕСК людини, утворюються шляхом культивування плюрипотентних ембріоїдних тіл людини в обертовому біореакторі.[10]
Сучасні методи мікроскопічної нейровізуалізації в поєднанні з машинним навчанням довзоляють отримати тривимірну реконструкцію тканини мозку на рівні синапсів, включаючи молекулярну інформацію, інформацію про активність та морфодинамічну інформацію.[49]
Церебральні органоїди[en], також відомі як органоїди мозку, є тривимірними (3D) структурами, створеними з плюрипотентних стовбурових клітин людини.[50] Такі органоїди нагадують людський мозок, що розвивається, з точки зору типів клітин, організації та функціональності. Церебральні органоїди здатні повторювати різні аспекти розвитку людського мозку, включаючи проліферацію нервових клітин-попередників, диференціацію нейронів, формування окремих ділянок мозку і навіть формування синапсів.
Ці органоїди зазвичай утворюються шляхом культивування плюрипотентних стовбурових клітин людини в 3D-матриці, яка сприяє утворенню нервових клітин-попередників, які диференціюються та самоорганізуються в різні типи клітин мозку. Церебральні органоїди широко використовуються в дослідженнях нейророзвитку[51] для вивчення клітинних і молекулярних механізмів розвитку людського мозку[52][53] та моделювання різних неврологічних розладів.[50][54]
Дослідження 2023 року, опубліковане в Nature Protocols, показало можливість створення фоточутливих органоїдів переднього мозку, що утворили примітивні епітеліальні та лінзоподібні клітини рогівки, пігментний епітелій сітківки, клітини-попередники сітківки, аксоноподібні проекції та електрично активні нейронні мережі.[55]
Використання церебральних органоїдів у дослідженнях має потенціал для значного вдосконалення нашого розуміння людського мозку та надання нових уявлень про розвиток і лікування неврологічних розладів.
Органоїдний інтелект (ОІ) — це нова міждисциплінарна галузь, зосереджена на розробці біологічних обчислень із використанням органоїдів мозку і технологій нейрокомп'ютерного інтерфесу. Біобчислювальні системи на основі OI мають потенціал для швидшого прийняття рішень, безперервного навчання під час виконання завдань і більшої ефективності використання енергії та обчислення даних, ніж обчислення на основі кремнієвих транзисторів та штучного інтелекту. Розвиток OI може покращити наше розуміння розвитку мозку, навчання, пам’яті та, потенційно, може допомогти знайти лікування неврологічних розладів, таких як деменція чи аутизм.[56][57][58]
OI включає збільшення церебральних органоїдів у складні, міцні 3D-структури, збагачені клітинами та генами, пов’язаними з навчанням, підключення їх до пристроїв введення та виведення наступного покоління та систем ШІ/машинного навчання. Для цього потрібні нові моделі, алгоритми та технології інтерфейсу, щоб спілкуватися з органоїдами мозку, розуміти, як вони навчаються та обчислюють, а також обробляти та зберігати величезні обсяги даних, які вони генерують.[56][57][58]
Крім того, використання таких органоїдів, які можуть розвинути відчуття та, ймовірно, в подальшому, свідомість, є предметом дискусій в нейроетиці та біоетиці.[59][60][61][62]
Також досліджується апаратний підхід штучного інтелекту, який використовує адаптивне резервуарне обчислення біологічних нейронних мереж в органоїді мозку. У цьому підході, який називається Brainoware, обчислення виконуються шляхом надсилання та отримання інформації від органоїда мозку за допомогою матриці мікроелектродів[en] високої щільності. Застосовуючи просторово-часову електричну стимуляцію, досягається нелінійна динаміка та властивості запам’ятовування, а також неконтрольоване навчання на основі тренувальних даних шляхом зміни функціональних зв’язків в органоїдах. Був продемонстрований практичний потенціал цієї методики, використовуючи її для розпізнавання мовлення та прогнозування нелінійних рівнянь у системі резервуарних обчислень.[63]
Трансплантація кортикальних стовбурових клітин показала багатообіцяючий потенціал для відновлення мозку.[65] Однак ефективність сучасних моделей трансплантації в кодуванні корисної функції для хазяїна через отримані від трансплантації нейрони все ще обмежена. Це пояснюється відсутністю деяких типів клітин у трансплантатах, аномальними пропорціями типів клітин, аномальною цитоархітектурою та неефективною васкуляризацією[66].[65]
Щоб усунути ці обмеження, була розроблена платформа трансплантації для тестування прототипів неокортикальної тканини.[67] Платформа включала трансплантацію дисоційованих мишачих ембріональних теленцефальних клітин у рідкому каркасі в уражену аспірацією кору кори дорослої миші. Попередники донорських нейронів диференціювалися на нейрони верхнього та глибокого шарів, які демонстрували синаптичні точки, проектувалися за межі трансплантата у відповідні ділянки мозку, ставали електрофізіологічно активними протягом одного місяця після трансплантації та реагували на візуальні стимули. Інтернейрони та олігодендроцити були присутні в трансплантатах з нормальною щільністю. Трансплантати повністю васкуляризувалися через тиждень після трансплантації. Клітини також були організовані в шари. Ця платформа in vivo пропонує підтвердження концепції розробки та тестування прототипів тканин, схожих на неокорку, які можуть мати наслідки для відновлення мозку та регенеративної медицини.
Техніка попередньої васкуляризації нервової тканини показує перспективні результати.[68]
Дослідження 2023 року показало, що органоїди людського мозку успішно інтегруються із зоровою системою дорослого щура після трансплантації у великі пошкоджені порожнини зорової кори.[69] Транссинаптичне відстеження на основі вірусів виявило полісинаптичний шлях між трансплантованими людськими органоїдними нейронами та сітківкою щура-господаря, та взаємний зв’язок між трансплантатом та іншими регіонами зорової системи. Візуальна стимуляція тварин-господарів викликає відповіді в органоїдних нейронах, включаючи вибірковість орієнтації. Ці результати демонструють здатність органоїдів людського мозку приймати складні функції після введення у великі порожнини травми, пропонуючи трансляційну стратегію для відновлення функції після пошкодження кори.[69][70]
Ще одне дослідження на мишах, опубліковане в травні 2023 року в npj Regenerative Medicine, що досліджувало використання мозкових органоїдів для відновлення функціональної нервової тканини в місці ураження після ішемічного інсульту, показало[71]:
"...Через кілька місяців ми виявили, що трансплантовані органоїди добре вижили в ураженому інфарктом ядрі, диференціювалися в цільові нейрони, відновлювали інфарктну тканину, посилали аксони до віддалених мішеней мозку та інтегрувалися в нейронний ланцюг господаря, тим самим усуваючи сенсомоторні дефекти поведінки мишей, які перенесли інсульт, тоді як трансплантація дисоційованих окремих клітин з органоїдів не привела до відновлення ураженої інфарктом тканини."