Модель коры головного мозга в виде крошечных сфер

Исследователи медицинской школы Стэнфордского университета, работающие под руководством доктора Серджи Паска (Sergiu Pasca), предложили метод создания сфер из нейрональных клеток, схожих по функциям с корой головного мозга. Эта разработка впервые позволит использовать функциональную модель ткани головного мозга для изучения психоневрологических заболеваний, таких как аутизм и шизофрения.

На поперечном срезе сфероидов, являющихся моделью коры головного мозга человека,
видны нервные клетки-предшественники (зеленого цвета) на фоне неделящихся нервных клеток (красного цвета).

Головной мозг человека представляет собой высокоорганизованную трехмерную массу клеток, ответственных за все движения, мысли и эмоции своего хозяина. Плотно упакованный внутри черепа, он является очень трудным для изучения объектом.

Авторам удалось немного облегчить эту задачу путем создания сферических свободно плавающих в среде сфер из клеток мозга человека, структура которых аналогична структуре коры – внешнего слоя головного мозга, ответственного за то, как мы воспринимаем окружающий мир и взаимодействуем с другими людьми. В структуре таких сфер представлены функциональные нейроны, функционирующие синапсы и даже астроциты – вспомогательные клетки, необходимые для поддержания функциональности нервной ткани. При этом профили экспрессии генов в клетках сфер соответствуют уровню развития эмбрионального человеческого мозга примерно в середине беременности.

Более ранние попытки создания специфичной для пациента нервной ткани в исследовательских целях либо приводили к появлению двумерных колоний незрелых нейронов, не способных формировать функциональные синапсы, либо требовали использования внешней матрицы для выращивания клеток в несколько трудоемких и технически сложных этапов.

Расстроенные отсутствием хорошей модельной системы для изучения развития и функционирования головного мозга человека, исследователи захотели самостоятельно решить эту проблему. Для этого они сначала создали несколько партий индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) из клеток кожи пяти человек. При культивировании в определенных условиях иПСК обладают способностью превращаться практически во все типы клеток организма.

Авторы вырастили из этих клеток плоские многоклеточные колонии, которые впоследствии аккуратно сняли с культивационной поверхности и перенесли в специальные лабораторные чашки, поверхность которых предотвращает клеточную адгезию. В течение нескольких часов колонии начали самостоятельно сворачиваться и формировать сферы. Под действием комбинации факторов роста и малых молекул примерно через 7 недель 80% входящих в состав сфер клеток экспрессировали белок-маркер нервной ткани. Более того, примерно 7% клеток экспрессировали другой белок, синтезирующийся исключительно астроцитами – имеющими звездчатую структуру вспомогательными клетками, формирующими оболочку вокруг межнейронных контактов или синапсов.

Авторы отмечают, что передача нервных импульсов невозможна в отсутствие астроцитов. Однако ранее никому не удавалось получать нейроны и астроциты одновременно. До сих пор исследователи пытались выращивать нейроны на поверхности слоя астроцитов, выделенных из человеческой или мышиной эмбриональной ткани.

Диаметр выращенных учеными сфероидов может достигать примерно 5 мм. Их можно поддерживать в лабораторных условиях в течение, по крайней мере, девяти месяцев. При этом они демонстрируют сложную активность нейронной сети и могут изучаться с помощью методик, отработанных на животных моделях.

Функциональное тестирование срезов сфероидов продемонстрировало, что до 80% входящих в их состав нейронов обладали способностью испускать нервные импульсы в ответ на стимуляцию. Более того, 86% нейронов демонстрировали спонтанную активность и были вовлечены в общую активность нейронной системы. Другими словами, срезы сфероидов вели себя аналогично срезам ткани головного мозга.

Исследователи надеются, что наблюдение за развитием и созреванием сфероидной модели коры головного мозга, а также за взаимодействием входящих в их состав клеток позволит пролить свет на развитие головного мозга человека и молекулярные причины психоневрологических заболеваний, таких как аутизм и шизофрения.

Статья Anca M Paşca et al. Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture опубликована в журнале Nature Methods.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Stanford University Medical Center:
Tiny spheres of human cells mimic the brain, researchers say.

26.05.2015