Кора мозга в пробирке
Исследователи из Института молекулярной генетики Макса Планка вырастили органоиды коры головного мозга человека с беспрецедентной точностью и качеством. Для этого они обработали стволовые клетки коктейлем из трех молекул на короткое время на ранней стадии их развития. Клетки в течение следующих недель образовывали клеточные агрегаты, анатомически имитирующие архитектуру коры головного мозга человека, включая радиальные глиальные клетки (oRG) – специализированные стволовые клетки, которые необходимы для формирования полушарий головного мозга у людей и обезьян. Это первый случай, когда клетки oRG были успешно выращены в системе культивирования клеток.
Инструктаж строителей мозга
Проблема создания органоидов мозга заключается в том, чтобы вырастить чистую культуру стволовых клеток нервной системы и заставить их создавать многослойные структуры с правильными типами клеток.
Органоиды мозга могут быть выращены из образцов тканей, эмбриональных стволовых клеток или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток – зрелых клеток, которые были репрограммированы для превращения в стадию стволовых клеток. Но результаты были очень противоречивыми с точки зрения методики, исходного материала и разнородности полученных органоидов.
Стволовые клетки, которые строят органоиды, должны получать точные инструкции для создания сложной многослойной структуры мозга. Поиск правильных инструкций для «строителей» мозга является сложной задачей, разные лаборатории испытали множество протоколов и процедур с разными результатами.
Чтобы узнать, какой метод является правильным, необходимо было стандартизировать существующие методы и разработать новый протокол для создания органоидов, которые наилучшим образом имитируют кору головного мозга человека.
Как и другие группы ранее, исследователи использовали ингибиторы – химические препараты, которые «говорят» развивающейся клетке, во что не превращаться, чтобы она в конечном итоге выбрала правильный путь. Они обнаружили, что необходимо заблокировать сигнальные пути SMAD и WNT тремя молекулами, чтобы заставить превратиться в кортикальные клетки. Через несколько недель органоид собирается сам, без дополнительных вмешательств.
Срез органоида с видимыми характерными слоями коры головного мозга. Окрашивание в синий цвет свидетельствует о наличии радиальных глиальных клеток.
Новый протокол
Исследователи использовали различные клеточные линии и сравнили подход параллельно, генерируя органоиды коры с беспрецедентной точностью. Одним из важных достижений является то, что они смогли воспроизвести клеточное разнообразие: в то время как каждый органоид содержал множество различных типов клеток, между отдельными органоидами было мало различий. Исследователи подтвердили это с помощью окрашивания тканей и секвенирования РНК отдельных клеток. Выращенные по новому протоколу органоиды демонстрировали как самый высокий, так и наиболее устойчивый уровень кортикальной идентичности.
Некоторые заболевания, связанные с развитием нервной системы, такие как микроцефалия, также были смоделированы в органоидах. Для этого клетки-предшественники должны удержать баланс между достаточной степенью самообновления, с одной стороны, и способностью к дифференцировке, с другой.
Прорыв в области культивирования клеток
Ученые продемонстрировали, что их органоиды развивают oRG-клетки, которые, как известно, играют решающую роль в развитии мозга – они отвечают за формирование полушарий головного мозга у приматов. Через 50 дней роста органоиды значительно обогащаются этим типом стволовых клеток.
Полученные результаты обеспечивают платформу для дальнейшего применения в фундаментальных исследованиях, фармакологических испытаниях и в клинике. Статья D.Rosebrock et al. Enhanced cortical neural stem cell identity through short SMAD and WNT inhibition in human cerebral organoids facilitates emergence of outer radial glial cells опубликована в журнале Nature Cell Biology.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru.