Исследовательские группы из ведущих научных центров США, Европы и Японии представили новые разработки в области создания трехмерных моделей человеческого мозга.
В эссе, опубликованном в последнем номере журнала Nature, говорится о методах выращивания органоидов мозга – трехмерных клеточных структур, имитирующих различные отделы человеческого мозга.
Основой для создания моделей служат индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые под воздействием специально подобранных факторов дифференцируются в нейроны различных типов, а также в астроциты и олигодендроциты.
Ученые ввели в питательную среду новые ростовые факторы, включая модифицированные варианты BDNF – нейротрофического фактора мозга и NT-3-нейротрофина-3, а также оптимизировали концентрацию ретиноевой кислоты и различных белков. Эти изменения позволили увеличить срок жизни органоидов до 12 месяцев и добиться более точного воспроизведения слоистой структуры коры головного мозга. Диаметр отдельных органоидов составлял от 3 до 5 мм, что соответствует оптимальному соотношению между объемом ткани и возможностями ее питания за счет диффузии.
Ассемблоиды – сложные структуры, состоящие из соединенных между собой органоидов, моделирующих взаимодействие различных областей мозга. В работах описаны три основных типа соединений: корково-таламические, корково-спинальные и таламо-спинальные. Для каждого типа были разработаны протоколы соединения, учитывающие не только плотность клеток, но и временные параметры, а также точный состав питательной среды.
Ученые продемонстрировали несколько практических применений новых моделей. Во-первых, была детально изучена миграция ГАМК-эргических интернейронов из вентральной в дорсальную часть переднего мозга – процесс, нарушения которого связывают с развитием шизофрении и некоторых форм эпилепсии. Во-вторых, удалось смоделировать формирование синаптических связей между корковыми пирамидными нейронами и таламическими релейными нейронами. В-третьих, проведен комплексный анализ влияния мутаций гена SCN11A, кодирующего натриевый канал, на передачу болевых сигналов.
Количество клеток в сложных ассемблоидах достигает 500 тысяч, время формирования функциональных связей колеблется от 14 до 21 дня в зависимости от типа соединения, при этом электрическая активность сохраняет стабильность на протяжении до 3 месяцев непрерывного культивирования. Для анализа нейронной активности использовались следующие методы: многоканальная регистрация электрических сигналов с разрешением до 50 мкВ, двухфотонная микроскопия для визуализации отдельных синапсов, а также масс-спектрометрический анализ нейротрансмиттеров в межклеточной среде.
Система перфузии, разработанная специально для поддержания жизнеспособности крупных ассемблоидов, включает миниатюрные насосы, обеспечивающие циркуляцию питательной среды со скоростью 0,5-1 мл/мин, и систему газообмена, поддерживающую оптимальный уровень кислорода (20-25%) и углекислого газа — 5%.
Сейчас ведутся работы по адаптации методики для моделирования нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, а также для изучения механизмов нейропластичности. Открыта возможность создания персонализированных моделей на основе клеток конкретных пациентов, что может позволить разрабатывать индивидуальные подходы к лечению неврологических и психических заболеваний.
Текст: Полина Ложкина