Вырастить модель мозга человека in vitro — мечта нейрофизиологов. Большинство заболеваний человеческого мозга плохо поддается имитации на животных моделях — уж слишком сложен управляющий орган нашего организма. Теперь эта мечта стала реальностью: команда исследователей из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук в Вене, Университета Эдинбурга и Университета Святого Георгия в Лондоне вырастила такую модель — мини-мозг человека. Подробности эксперимента они описали в журнале Nature.
Мэйделин Ланкастер и ее коллеги взяли за основу индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), которые они по стандартной методике получили из фибробластов кожи человека. Но в своей работе ученые продемонстрировали, что ИПСК могут стать источником не только разнообразных клеток и тканей, но и целого органа, даже самого сложного.
Сначала исследователи превратили ИПСК в нейрональные клетки в чашке Петри, обработав их факторами роста, затем поместили группы этих клеток в специальный гель и, наконец, дорастили структуру в биореакторе.
А получился у них, ни много ни мало, зачаток человеческого мозга — мини-мозг размером с арахисовое зерно. Ученые называют его «мозговым органоидом».
Дойдя до 4 мм, он сохранялся в течение 10 месяцев в биореакторе со специальной питательной средой.
Удивительно, что органоид действительно повторяет развитие мозга человека в эмбрионе.
Он похож по форме на эмбриональный мозг, его внешний слой напоминает формирующуюся кору мозга, а внутреннее строение очень напоминает устройство человеческого мозга на ранних стадиях.
В органоиде появились заполненные жидкостью полости, напоминающие желудочки мозга. И на их поверхности возникло нечто напоминающее хороидное сплетение (сосудистое сплетение желудочков мозга, вырабатывающее церебростинальную жидкость).
Гистологический анализ показал, что органоид состоит из разных частей. И разные его части вырабатывали биохимические маркеры, характерные для структур мозга человека, пишут исследователи. Так, например, они наблюдали в органоиде зачаток гиппокампа. В мини-мозге сформировалась сложная клеточная архитектура, характерная для развивающейся коры, с выделением нескольких морфологически разных клеточных слоев.
Более того, на поверхности мозгового органоида образовалась даже ткань сетчатки глаза.
Ученые зарегистрировали, что клетки разных слоев взаимодействуют друг с другом, — то же самое происходит и при развитии мозга в эмбрионе. Некоторые клеточные популяции мигрируют на новое место жительства, в соответствии с ролью, которую им предстоит выполнять.
В основе создания модели лежит идея, что развитие нервных клеток из плюрипотентных стволовых клеток идет по той же программе, что и развитие мозга в эмбрионе. Эта идея обсуждается последние пять лет. Разным группам ученых удавалось показать, как нейрональные стволовые клетки в чашке Петри формируют соединения, характерные для архитектуры коры мозга человека.
«Ланкастер и его коллеги продвинули эти достижения на новый уровень. Они получили целый зачаток мозга и продемонстрировали, насколько точно самоорганизующиеся клетки повторяют черты развития мозга в эмбрионе», — пишет в журнале Nature Оливер Брюстл, нейрофизиолог из Боннского университета, Германия.
Такой мини-мозг — вовсе не игрушка для биологов.
Он может служить аутентичной моделью для изучения нарушений развития мозга человека и имитирования нейродегенеративных заболеваний.
Конечно, форма и строение его отдельных частей лишь напоминают разные области мозга. И поскольку органоид лишен кровоснабжения, метаболизм составляющих его клеток ограничен. Более того, в нем присутствуют «мертвые зоны», которым не хватает кислорода и питания.
Но даже при этих ограничениях такая модель мозга имеет огромный потенциал, пишет Оливер Брюстл. Она даст возможность изучать развитие человеческого мозга, меняя условия его выращивания, в зависимости от состава окружающей среды. Соответственно, можно будет смоделировать, какие условия приведут к тем или иным нарушениям развития коры и других структур мозга.
Авторы модели уже сделали важный практический шаг.
Они вырастили мозговой органоид из ИПСК, полученных от пациента с наследственной формой микроцефалии, и сравнили его с нормальным мини-мозгом.
В патологическом органоиде они нашли меньше клеток-предшественников и повышенное количество дифференцировавшихся нейронов. Парадоксально, но такое преждевременное созревание может быть механизмом, ведущим к микроцефалии, считают ученые.