Ученые срастили ткани человеческого мозга с мозгом крысы

Самоорганизующиеся куски ткани человеческого мозга, выращенные в лаборатории, успешно пересадили в нервную систему новорожденных крыс, что является шагом на пути к поиску новых способов лечения нервно-психических расстройств.

Фото из открытых источников

Трехмерные органоиды, разработанные из стволовых клеток, напоминающие упрощенную модель коры головного мозга человека, соединены и интегрированы с окружающей тканью в коре головного мозга каждой крысы, образуя функциональную часть собственного мозга грызуна.

По мнению команды исследователей во главе с нейробиологом Серджиу Пашкой из Стэнфордского университета, это преодолевает ограничения выращенных на тарелке органоидов и дает нам новую платформу для моделирования развития человеческого мозга и заболеваний в живой системе.

Фото из открытых источников

«Большая часть работы, которую проводила моя лаборатория пыталась понять психические расстройства на биологическом уровне, чтобы мы могли действительно найти эффективные методы лечения», - объяснил Паша.

«Многие из этих психических состояний, таких как аутизм и шизофрения, вероятно, присущи исключительно человеку, или, по крайней мере, они связаны с уникальными особенностями человеческого мозга. И человеческий мозг, конечно, был не очень доступен, что препятствовало прогрессу, которого мы достигли в понимании биологии этих состояний».

В 2008 году ученые совершили прорыв: клетки мозга выросли из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Зрелые клетки, полученные от взрослых людей, подверглись обратной инженерии, чтобы вернуть их в «пустое» состояние стволовых клеток – форму, которую клетки принимают перед тем, как они вырастут в клетки со специализацией, такие как клетки кожи или сердечные клетки.

Затем эти стволовые клетки были направлены на развитие в клетки мозга, которые ученые культивировали для формирования комков мозгоподобной ткани, называемых органоидами. Эти модели ключевых областей анатомии мозга, таких как морщинистая внешняя кора, могут быть использованы для изучения функций и развития мозга вблизи.
Паша и его коллеги попробовали пересадить человеческую мозговую ткань в мозг новорожденных крыс, чей собственный мозг еще не развился и не созрел.

Человеческие кортикальные органоиды культивировали в чашке, а затем трансплантировали непосредственно в соматосенсорную кору (область мозга, ответственную за получение и обработку сенсорной информации) молодых крыс, которым было всего несколько дней. Затем этих грызунов оставили расти во взрослых особях еще на 140 дней (крысы полностью достигают половой зрелости между 6 и 12 неделями).

Затем ученые изучили крыс. Они генетически сконструировали органоиды так, чтобы они реагировали на имитацию синего света, активируя нейроны, когда на них попадает синий свет. Эта стимуляция человеческих нейронов проводилась, когда крыс обучали лизать носик, чтобы получить воду. Позже, когда на органоиды падал синий свет, крысы автоматически облизывались, демонстрируя реакцию, не наблюдаемую в контрольных группах.

Это указывало на то, что органоид не только функционировал как часть мозга крысы, но и мог способствовать поведению, требующему вознаграждения.

Другая группа нейронов в органоиде проявляла активность, когда ученый нажимал на усы крыс – свидетельство того, что нейроны могут реагировать на сенсорную стимуляцию.

Клетки мозга, выращенные у трех пациентов-людей с генетическим заболеванием, называемым синдромом Тимоти, также использовались для некоторых органоидов. Синдром Тимоти поражает сердце, пальцы и нервную систему и обычно приводит к ранней смерти.

После поведенческих тестов крыс подвергли эвтаназии, а их мозг извлекли и препарировали, что позволило исследователям наблюдать интеграцию органоидов на клеточном уровне. Они обнаружили, что органоидные нейроны выросли намного больше, чем любые нейроны, выращенные в пробирке, проникая в мозг крыс и образуя сети с родными нейронами крыс.

Нейроны у крыс с трансплантацией синдрома Тимоти имели менее сложную форму и образовывали другие синаптические связи с окружающей мозговой тканью по сравнению с контрольными группами. Это новое открытие, и оно не могло быть обнаружено в органоиде мозга в чашке.

Хотя платформа все еще имеет некоторые ограничения, команда считает, что у нее есть потенциал стать новым мощным инструментом для понимания развития мозга и болезней.

«В целом, эта платформа in vivo представляет собой мощный ресурс, дополняющий исследования развития и заболеваний человеческого мозга in vitro», - пишут авторы в своей статье.

«Мы ожидаем, что эта платформа позволит нам выявить новые фенотипы на уровне цепи в клетках, полученных от пациента, которые в противном случае были бы неуловимы, и протестировать новые терапевтические стратегии».

Исследование опубликовано в Nature.