Para ilmuwan di Universitas Cambridge telah menciptakan sistem otak dan sumsum tulang belakang kecil yang dikembangkan di laboratorium yang meniru cara sinyal gerakan melewati sistem saraf manusia. Dengan menggunakan model ini, tim menemukan bahwa kerusakan saraf yang dulunya dianggap permanen sebenarnya bisa diperbaiki dalam kondisi tertentu.
Ketika tubuh manusia berkembang dari embrio hingga janin dan akhirnya menjadi bayi, neuron membentuk jaringan komunikasi yang kompleks antara otak dan sumsum tulang belakang. Sinyal-sinyal ini berjalan melalui akson, serabut saraf panjang yang memungkinkan neuron mengirim pesan dan mengontrol pergerakan otot.
Namun, seiring waktu, sistem saraf pusat kehilangan kemampuannya untuk menumbuhkan kembali akson yang rusak. Akibatnya, cedera pada otak atau sumsum tulang belakang sering kali menjadi permanen dan menyebabkan cacat serius seperti kelumpuhan atau kehilangan kemampuan bergerak. Hilangnya kapasitas regeneratif juga dikaitkan dengan penyakit neurologis, termasuk penyakit neuron motorik dan multiple sclerosis.
Model otak manusia mini dan sumsum tulang belakang
Pada tahun 2021, Dr. András Lakatos dan rekannya di Universitas Cambridge mengembangkan model miniatur otak manusia dari sel induk yang diambil dari pasien. “Organoid otak” seukuran kacang polong ini menyerupai bagian korteks serebral dan memungkinkan para peneliti mempelajari perubahan molekuler yang terkait dengan penyakit neuron motorik dan mencari cara untuk mencegahnya.
Sekarang, dalam sebuah penelitian baru yang diterbitkan di Laporan SelPara peneliti memperluas pekerjaan ini dengan membangun versi miniatur dari sistem otak manusia dan sumsum tulang belakang yang terhubung.
Karena otak dan sumsum tulang belakang adalah struktur yang berbeda tetapi terhubung di dalam tubuh, tim memisahkan organel secara fisik di laboratorium. Mereka kemudian mengamati bahwa akson dari jaringan otak tumbuh melalui celah tersebut dan terhubung ke jaringan sumsum tulang belakang. Sirkuit saraf yang dihasilkan cukup fungsional untuk memicu kontraksi pada kelompok kecil sel otot.
Pertumbuhan kembali saraf menurun selama perkembangan
Para ilmuwan menyimpan sistem miniatur ini di laboratorium selama lebih dari satu tahun. Mereka menemukan bahwa hingga sekitar hari ke 150 perkembangan, kira-kira sama dengan tahap pertengahan kehamilan, akson yang rusak masih dapat tumbuh kembali. Setelah titik ini, neuron menunjukkan penurunan kemampuan regenerasi yang signifikan.
George Gibbons dari Departemen Ilmu Saraf Klinis di Universitas Cambridge dan penulis pertama studi tersebut mengatakan: “Neuron yang diambil dari organoid yang kurang matang menumbuhkan kembali serat panjang setelah cedera, namun neuron dari organoid yang lebih matang menunjukkan penurunan tajam dalam kemampuan mereka untuk tumbuh kembali. Dengan kata lain, regenerasi yang buruk terjadi pada neuron manusia saat mereka matang di sistem saraf pusat.
Tim menganalisis aktivitas gen di neuron yang menghubungkan otak dan sumsum tulang belakang. Penelitian mereka mengungkap jaringan gen yang bertindak seperti saklar biologis, membatasi pertumbuhan akson saat neuron matang dan membentuk sinapsis.
Hebatnya, ketika para peneliti memblokir pengatur utama jaringan ini, neuron mendapatkan kembali kemampuan untuk menumbuhkan akson lagi.
Pertumbuhan saraf dirangsang oleh obat-obatan yang ada
Para peneliti juga mencari database senyawa obat untuk mengidentifikasi obat yang mempengaruhi jaringan genetik yang baru diidentifikasi ini. Salah satu kandidat yang menjanjikan adalah lynestrenol, obat hormonal yang saat ini disetujui untuk gangguan menstruasi tertentu dan penggunaan kontrasepsi.
Ketika obat tersebut diuji pada neuron yang rusak, obat tersebut secara signifikan meningkatkan pertumbuhan kembali akson.
Para ilmuwan telah mencatat bahwa jaringan parut dan peradangan juga dapat mengganggu perbaikan saraf setelah cedera. Namun, memahami mekanisme biologis spesifik neuron yang membatasi regenerasi tetap menjadi hal yang sangat penting. Bukti sebelumnya menunjukkan bahwa neuron yang lebih muda dapat tumbuh di lingkungan yang biasanya menghalangi perbaikan di lokasi cedera.
Penulis utama Dr András Lakatos, yang memimpin penelitian di Departemen Ilmu Saraf Klinis, mengatakan: “Ketika otak dan sumsum tulang belakang rusak, serabut saraf yang membawa sinyal pergerakan dari otak ke sumsum tulang belakang jarang tumbuh kembali. Inilah sebabnya mengapa kelumpuhan biasanya bersifat permanen.
“Lynestrenol sendiri mungkin bukan jawaban untuk perbaikan sumsum tulang belakang, namun hal ini menunjukkan kepada kita bahwa pada prinsipnya Lynestrenol dapat secara langsung menargetkan neuron manusia dan meregenerasi aksonnya. Meskipun kami belum menunjukkan bahwa strategi ini juga akan membantu memulihkan koneksi yang tepat antara sel-sel otak dan sumsum tulang belakang, hal ini memberi kita harapan bahwa suatu hari kita akan mampu mengobati kondisi yang sebelumnya dianggap tidak dapat disembuhkan.”
Mengapa organoid manusia itu penting
Teknologi organoid menjadi semakin berharga untuk mempelajari biologi dan penyakit manusia. Meskipun model hewan seperti tikus tetap berguna dalam penelitian, perbedaan biologis yang penting membatasi keakuratan model tersebut dalam mencerminkan fungsi sistem saraf manusia.
Organoid yang berasal dari sel induk manusia dapat lebih meniru biologi manusia, membantu menjembatani kesenjangan antara eksperimen pada hewan dan hasil pasien di dunia nyata.
Dr. Lakatos menambahkan: “Sebagian besar pengetahuan kita tentang regenerasi saraf berasal dari hewan pengerat, yang neuronnya berperilaku berbeda dari neuron manusia. Model organoid canggih kami membantu menjembatani kesenjangan pengetahuan antara model hewan dan apa yang kami amati pada pasien. Mereka juga merupakan kontribusi penting terhadap upaya mengurangi penggunaan hewan dalam penelitian.
Para peneliti di Universitas Cambridge telah menggunakan organoid untuk berbagai penelitian medis, termasuk memperbaiki hati yang rusak, mempelajari penyakit Crohn pada anak-anak, dan mempelajari tahap awal kehamilan.
Penelitian ini didanai oleh Dewan Penelitian Medis dan Inovasi Penelitian Inggris dan Penelitian Tulang Belakang.
