Модели органа, сделанные из клеток человека, прижились и развились в мозге крыс
17:16 14.10.22 г.
Полина Гребенкина
Ученые из США придумали, как улучшить создание моделей человеческого мозга. В исследовании, опубликованном в Nature, утверждается, что пересадка мозгового органоида новорожденным крысам позволяет добиться того, что не получалось раньше: искусственный мини-мозг приживается и взаимодействует с другими клетками в организме крысы, в том числе реагирует на внешние раздражители - например, на прикосновение к усам
Omer Revah et al. / Nature, 2022
Поскольку изучать головной мозг и его патологии на человеке сложно, ученые вынуждены использовать для этой цели лабораторных животных - грызунов или даже собак. Проблема в том, что такие модели не отражают все характеристики человеческого мозга и процессы в нем. Поэтому ученые стараются сделать мини-модели головного мозга из стволовых клеток человека - мозговые органоиды.
Чтобы сделать структуру, похожую на человеческий мозг, ученые выращивают стволовые клетки в окружении, которое заставляет их становиться клетками мозга. После этого органоид переносят животным, чтобы проверить, как он работает. И вот тут начинаются проблемы. Из-за своего искусственного происхождения мини-мозги не могут нормально развиваться в организме, а значит и функционировать должным образом, взаимодействуя с другими частями мозга грызунов. Ученые стараются решить проблему, создавая новые подходы к созданию и пересадке органоидов.
Команда исследователей из Стэнфордского университета под руководством Серджиу Пашка (Sergiu P. Pașca) продвинулась в этом деле. Они перенесли мозговой органоид новорожденным крысам, а не взрослым, как делали их коллеги. В этот период мозг еще не завершил свое развитие, что позволило органоиду прижиться и встроиться в его структуру. Кроме того, у крыс не было тимуса, а значит их адаптивный иммунитет не смог атаковать трансплантат.
Человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки культивировали в таких условиях, чтобы вызвать дифференцировку в клетки коры больших полушарий мозга, которые собираются в сфероиды (hCO). Затем эти конструкции трансплантировали в область первичной соматосенсорной коры (S1) головного мозга мышам, с иммунодефицитом, где hCO успешно приживались.
Omer Revah et al. / Nature, 2022
Мозговые органоиды не только прижились в мозгу крыс: ученые отметили девятикратное увеличение объема трансплантата через три месяца после операции. Более того, внутри него появились сосуды и клетки микроглии - макрофаги нервной системы.
Слева - МРТ-изображения и реконструкции мозгового органоида в динамике за три месяца наблюдений. Справа - органоид в коре головного мозга крысы.
Omer Revah et al. / Nature, 2022
Клетки мозгового органоида, который встроили в организм грызунов, стали отличаться от тех, что выращивали in vitro. Они больше и экспрессируют гены, связанные с созреванием нейронов, а значит - ученые добились развития органоида в живом организме.
Одни органоиды выращивали в пробирке (hCO), другие - в теле крыс (t-hCO). На реконструкции видно разницу во внешнем виде нейронов: те, что были трансплантированы, стали больше.
Omer Revah et al. / Nature, 2022
Кроме того, ученые выяснили, что с помощью мозгового органоида можно влиять на поведение крыс, для чего использовали методы оптогенетики. Сначала исследователи сделали органоид, который экспрессировал светочувствительный канал. Это белок, который открывается под действием света и меняет активность клеток. Затем мозговой органоид перенесли крысам, а через три месяца в трансплантат добавили оптическое волокно, которое генерировало красный или синий свет. Животные получали награду, если пили во время действия синего света. Через пятнадцать дней те крысы, которым вживили мозговой органоид со светочувствительным белком, поняли этот принцип. Ученые сделали вывод, что клетки органоида интегрировались в мозг и стали активировать нейроны, чтобы получать награду. Еще одно доказательство интеграции трансплантата смогли обнаружить, потрогав крыс за усы. В ответ на такой внешний стимул ученые заметили активацию части клеток в мозговом органоиде.
С помощью пересадки органоида новорожденным крысам с иммунодефицитом, ученые смогли решить сразу несколько проблем: их мини-мозг прижился, начал развиваться внутри живого организма и активно с ним взаимодействовать.
Исследователи предлагают использовать свою модель не только для изучения нормы. Им удалось сделать мозговые органоиды из клеток людей с синдромом Тимоти. Это генетическое заболевание, при котором нарушается работа сердца. Нейроны в таком органоиде отличались от тех, которые были сделаны из клеток здоровых людей, а значит модель воспроизводит особенности патологических состояний и может быть полезна при изучении патологий и тестировании лекарств.
"a" - схема эксперимента: брали клетки у здоровых людей (control) и у больных синдромом Тимоти (TS), а потом из них сделали мозговые органоиды (hCO), которые вживили в мозг крысам. Реконструкции нейронов в мозговых органоидах (b) показывают, что при синдроме Тимоти изменяется морфология клеток.Omer Revah et al. / Nature, 2022
Ученые давно пытаются воспроизвести органы человека в лабораторных условиях. Кроме мозга, они создают мини-желудки, кожу и даже сердце. Исследовательский интерес - не единственное, что движет исследователями. В будущем, такие органоиды можно будет использовать для пересадки людям, в случае необходимости.
via