Действующая модель ткани мозга

Биоинженеры из университета Тафтса, работающие под руководством профессора Дэвида Каплана (David Kaplan), создали трехмерную модель, по структуре и выполняемым функциям схожую с тканью коры головного мозга крысы. В лабораторных условиях она может сохранять жизнеспособность в течение более чем двух месяцев.

В настоящее время для изучения поведения нейронов в контролируемых условиях используют двухмерные клеточные культуры. Однако этот подход не позволяет воспроизводить сложную структуру головного мозга, состоящую из изолированных регионов белого и серого вещества. Серое вещество преимущественно состоит из тел нейронов, тогда как белое вещество – из пучков аксонов, длинных отростков, с помощью которых нейроны обмениваются электрическими импульсами. Травмы и заболевания мозга часто по-разному влияют на эти регионы, поэтому модели для изучения этих процессов должны адекватно воспроизводить структуру ткани мозга.

Более ранние попытки выращивать трехмерные нейронные структуры в гелеобразной среде не увенчались успехом. Такие модели быстро погибали и не позволяли воспроизводить функции нервной ткани. Оказалось, что предоставления нейронам возможности расти в трехмерной матрице недостаточно для создания полноценной модели ткани мозга, внеклеточный матрикс которой имеет сложную структуру, в которой локальные сигналы формируют зоны, благоприятные для роста и функционирования разных клеток.

Авторы решили эту проблему с помощью нового композитного биоматериала, состоящего из двух компонентов с разными физическими свойствами: губчатого каркаса из протеина шелка и более мягкого коллагенового геля. Каркас позволяет нейронам закрепиться, а гель обеспечивает возможность роста аксонов.

Нейроны формируют функциональные сети внутри пор каркаса (темные зоны).

Для получения двухфазной модели (серого и белого вещества) исследователи придали губчатому каркасу форму бублика и заселили его крысиными нейронами. В середину структуры внесли коллагеновый гель, впоследствии заполнивший пустоты губчатого каркаса. В течение нескольких дней нейроны формировали функциональные структуры внутри пор каркаса, а их аксоны прорастали в глубину заполненной гелем сердцевины и образовывали синапсы с аксонами нейронов противоположной стороны «бублика». В результате в сердцевине каркаса сформировалась зона белого вещества, окруженная зоной серого вещества.

Схема модели, демонстрирующая компартментализацию серого и белого вещества.
Нейроны крыс прикрепляются к каркасу («бублику»),
а их аксоны проникают в заполненный гелем центр
(помечены зеленым флуоресцирующим красителем).

В течение нескольких последующих недель исследователи провели ряд экспериментов, результаты которых показали, что, по сравнению с двухмерными моделями, культивируемые на новом каркасе клетки отличаются более высокой экспрессией генов, вовлеченных в рост и функционирование нейронов. Они также демонстрируют стабильную метаболическую активность в течение 5 недель, тогда как при выращивании нейронов в гелевом матриксе этот показатель начинает ухудшаться уже в течение первых 24 часов. Для нейронов новой модели также характерны уровни электрической активности и восприимчивости к электрическим сигналам, аналогичные демонстрируемым клетками интактного мозга.

Для симуляции травматического повреждения мозга на модель с разной высоты сбрасывали тяжелый предмет. Регистрируемые после этого изменения электрической и химической активности нейронов соответствовали изменениям, наблюдаемым в соответствующих животных моделях.

Изображение пористого каркаса из протеина шелка, полученное с помощью электронного микроскопа.

В настоящее время авторы работают над усовершенствованием своей модели. Они уже продемонстрировали возможность создания каркаса, состоящего из шести концентрических колец, каждое из которых может быть заселено разными типами нейронов. Это позволит воспроизвести шесть слоев коры головного мозга человека.

Исследователи считают, что предложенная ими модель оптимальна для изучения как нормального функционирования ткани мозга, так и процессов, протекающих в ней при различных заболеваниях и травматических повреждениях. А полученные при ее использовании результаты помогут в разработке новых методов лечения нарушений работы мозга.

Статья Min D. Tang-Schomer et al. Bioengineered functional brain-like cortical tissue опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам National Institute
of Biomedical Imaging and Bioengineering: Bioengineers Create Functional 3D Brain-like Tissue. 

19.08.2014