Мозг человека в голове мыши
Лечения большинства психоневрологических расстройств, включая аутизм, шизофрению, болезнь Альцгеймера и другие формы слабоумия, до сих пор не существует. Человеческий мозг имеет сложную организацию. Даже если экспериментальный препарат показывает хорошие результаты на животных моделях, в исследованиях с участием людей он часто оказывается малоэффективным.
Одним из перспективных направлений является использование плюрипотентных стволовых клеток. С помощью специальной технологии исследователи превращают клетки кожи человека в нейроны и испытывают на них новые препараты, а также оценивают изменения с течением заболевания. Кроме того, эти клетки можно трансплантировать на место пораженных тканей. Биологи уже добились успеха в выращивании некоторых органоидов из стволовых клеток in vitro, но эти модельные системы все еще недостаточно имитируют сложные структуры мозга.
Исследователи из Института Солка (Salk Institute) в Сан-Диего, США, разработали новый подход, позволяющий создать более сложные модели органоидов. Для поддержания жизнедеятельности и обеспечения питания и дыхания их трансплантировали грызунам. Этот метод поможет исследователям в разработке новых препаратов для лечения заболеваний головного мозга, он сократит время испытаний экспериментальных лекарств, а в далекой перспективе, возможно, станет основой для трансплантации выращенных в лабораторных условиях нейронов на место пораженных тканей мозга человека.
Трансплантат органоидов человека (зеленый) в мозге мыши.
Нейроны помечены красным цветом. Источник: Salk Institute.
Органоиды человеческого мозга, выращенные в лабораторных условиях, функционально ограничены, так как не имеют сети кровеносных сосудов, обеспечивающих питание клеток и снабжение их кислородом. Это не позволяет добиться более сложного строения – ограниченное время жизни делает невозможным прохождение органоидами достаточного количества циклов. Выращивание сети кровеносных сосудов в пробирке частично решает эту проблему, но все еще не воссоздает микроокружение, характерное для ткани мозга.
Авторы исследования трансплантировали искусственные органоиды из плюрипотентных стволовых клеток человека в кору головного мозга мыши, богатую кровеносными сосудами. Привитые органоиды после интеграции в естественную среду, образовывали нейроны и вспомогательные клетки (астроциты). Примечательно, что питание осуществлялось не только из кровеносных сосудов организма-хозяина. Через две недели появились собственные сосуды, пронизывающие трехмерную структуру органоидов. Через 90 дней от трансплантированной ткани отходили аксоны в разные участки мозга мышей.
В одном из экспериментов исследователи разделили органоиды на две части. Одну из них трансплантировали мышам, а вторую оставили в культуре. Это позволило оценить преимущества и недостатки обеих сред. Они обнаружили, что уже через несколько месяцев клеточная культура была полна умерших клеток, в то время как трансплантированные органоиды продолжали жить.
Исследователи также оценили функциональное состояние трансплантата с помощью тестов кальциевой визуализации, при которой нейроны в возбужденном состоянии окрашиваются, и оптогенетических методов. Органоиды функционировали полноценно и взаимодействовали с клетками хозяина. Это доказывает, что обеспечение кровоснабжения позволило органоидам достичь достаточной сложности строения.
Результаты исследования имеют огромный потенциал для изучения механизмов повреждения мозга при неврологических расстройствах, а также для разработки методов их лечения.
Статья A. A. Mansour et al. An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids опубликована в журнале Nature Biotechnology.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Salk News: Grafted brain organoids provide insight into neurological disorders.