Человеческие мозговые органоиды способны успешно развиваться в мозге мыши

16 апреля 2018



Мозг мыши может быть отличным домом для человеческих мозговых органоидов, сообщило издательство Nature Biotechnology 16 апреля 2018 года. Мозговые органоиды, также известные как мини-мозг, представляют собой крошечные комочки клеток мозга, выращенных из плюрипотентных стволовых клеток, которые исследователи используют для изучения нейронных основ аутизма и других неврологических расстройств. Но когда для выращивания используются пробирки, фрагменты мозга обычно развиваются несколько месяцев, а затем погибают, и этот факт значительно ограничивает их полезность в качестве моделей реального мозга. Новые исследования доказали, что пересадка трехмерных глыбок ткани человеческого мозга в мозг мышей позволяет органоидам продолжать развиваться, выращивать жизнеспособные кровеносные сосуды, а также создавать новые нейронные связи. Эта работа является значительным шагом на пути возможного использования мозговых органоидов для понимания сложностей развития человеческого мозга и болезней, которые невозможно достаточно полно изучить с помощью современных методов. Возможно, что однажды трансплантация органоидов головного мозга станет эффективным методом лечения черепно-мозговых травм или инсультов.

Кровь (красный цвет на рисунке) течет через вновь выращенные кровеносные сосуды в человеческом мозговом органоиде (зеленый цвет), имплантированном в живую мышь.

«Хотя органоиды сами по себе являются большим прогрессом в нейронауке, они не идеальны. Они теряют кровеносные сосуды, иммунные клетки и функциональные связи с другими областями нервной системы », - сообщает издательству The Scientist по электронной почте Юрген Кноблих, молекулярный биолог Института молекулярной биотехнологии в Вене, который не участвовал в исследовании. «Цель экспериментов по трансплантации — показать, что интеграция органоидов с другими тканями возможна».

Соавтор исследования Фред Расти Гейдж, невролог из Института биологических исследований им. Салка в Ла-Холле, Калифорния, и его коллеги впервые задумались о здоровье мозговых органоидов несколько лет назад, когда они начали работать с этими структурами. Многие клетки в центре трехмерного скопления ткани умрут, сообщает Гейдж The Scientist. «Эти клетки не получают кровь и питательные вещества, необходимые для выживания».

Размышления о данной проблеме напомнили Гейджу о работе, которую он проводил в Швеции с нейробиологами Ульфом Стеневи из Университета Гетеборга и Андерсом Бьёрклундом из Университета Лунда в 1970-х и 1980-х годах: тогда исследователи пересадили нервную ткань крысы в ​​полости, которые они сделали в мозгу другой крысы, чтобы увидеть, будет ли подсаженная ткань развиваться. И она развивалась. Гейдж предположил, что человеческий мозговой органоид может легко проскользнуть в крошечную полость, сделанную в мозгу мыши. И он оказался прав.

Команда Гейджа использовала человеческие плюрипотентные стволовые клетки для развития мозговых органоидов мозга, которые выращивались в культуре в течение 40-50 дней. Затем команда имплантировала органоиды в полости, выполненные в ретроспленарной коре головного мозга, — области, которая критически важна для движения и пространственного обучения. Мыши имели «гуманные» иммунные системы, говорит Гейдж, что означает, что их иммунные клетки были модифицированы так, чтобы не нападать на человеческие ткани. Примерно на пятый день после трансплантации кровеносные сосуды в органоидах можно было обнаружить с помощью флуоресцентного красителя, а на 14-й день обширная сеть сосудов глубоко вросла в подсаженный тканевый трансплантат. Уровни определенных маркеров в органоидах, таких как NeuN + и PSD95, также показали, что человеческие клетки нейронных предшественников созревают в нейроны и образуют синапсы для соединения друг с другом. Через 90 дней после имплантации ученые уже видели аксоны, простирающиеся от трансплантата глубоко в мозг мышей.

Имиджминг кальция (оптический метод биовизуализации нервных сетей) также показал, что нейроны в органоиде были не редко возбуждающимися и с изолированной активностью, как в культивируемых органоидах головного мозга, а такими же, как в синхронизированных структурах, что предполагает развитие активной сети нейронов. Кроме того, эксперименты по оптогенетике показали, что нейроны органоидов в мозгу мышей были интегрированы в синаптические цепи.

«Окончательный тест на функциональность органоида заключается в том, чтобы показать, что он может интегрироваться с мозгом хозяина», — пишет молекулярный генетик Ганс Клеверс из Института Губрехта в Утрехте (Нидерланды) в электронном письме в The Scientist. Клеверс, не участвовавший в исследовании, и многие другие ученые уже демонстрировали подобную ​​функциональность «относительно простых органоидов», таких как ткань эпителия кишечника, печени или поджелудочной железы. Но, по его словам, мини-мозги являются «самыми сложными структурами, которые выращены как органоиды». Гейдж и его коллеги «привели доказательства того, что привитый «мини-мозг » интегрируется с мозгом мыши посредством широкого развития связи между кровеносными сосудами и нейронами. Результат, отмечает он, подтверждает то, что он считает «самым удивительным феноменом органоидов — их почти непреодолимое стремление достичь все возрастающих уровней самоорганизации».

Такая организация и стала причиной столь пристального изучения органоидов, особенно церебральных, in vivo. «Функция мозга является результатом не только взаимодействия отдельных нейронов, но объединенной активности групп нейронов, расположенных в определенных структурах», — сообщает The Scientist по электронной почте нейрохирург Исаак Чен из Университета Пенсильвании, который не участвовал в исследовании. «В культуре клеток эта структура попросту не существует, и, следовательно, такой системе присущи ограничения того, какие типы экспериментов могут быть с ней выполнены, а также какие выводы можно сделать». Исследования мозга модельных организмов позволяют исследовать процесс возникновения мозговой активности в группе нейронов и понять, как разные группы нейронов взаимодействуют друг с другом. Но, по его словам, существенные различия в видах ограничивают обобщение результатов и перенос их на человеческий мозг. Имплантация органоидов позволит исследователям узнать больше о нормальном развитии человеческого мозга с течением времени, заверяет Чен. Кроме того, органоиды, полученные от пациентов с теми или иными заболеваниями, также могут быть использованы для создания более точных моделей этих заболеваний. И, наконец, наличие эффективного метода трансплантации может позволить ученым изучить преимущества и ограничения использования органоидов головного мозга в качестве варианта лечения для замены потерянной или поврежденной ткани при черепно-мозговой травме, инсульте и других неврологических состояниях.