Если поместить плюрипотентные стволовые клетки человека в чашку Петри с соответствующими питательными веществами, то из них можно вырастить миниатюрную модель мозга или мозговой органоид — полуорганизованное скопление клеток. Недавно исследователи из Калифорнийского университета предложили новую методику создания крошечных органоидов мозга из стволовых клеток. Диаметр таких высококачественных органоидов не превышает одного — пяти миллиметров. Данный эксперимент поможет ученым лучше понять неврологические расстройства у людей.

Срезы органоидов мини-мозга с нейральными стволовыми клетками (красный) и нейронами коры (зеленый). Eurekalert.org

Проблема с органоидами используемыми сегодня

Человеческий мозг — очень чувствительный орган. Исследовать его, не причинив вреда, чрезвычайно сложно. Для того чтобы решить эту проблему, необходимы стволовые клетки, которые позволяют выращивать органоиды мозга в лабораторных условиях. Поскольку такие органоиды по своей структуре подобны реальному мозгу, их изучение можно проводить без участия живых пациентов.

Исследователи выращивают мозговые органоиды уже несколько лет, но не все из них получаются одинаковыми. В разных лабораториях (и даже в разных партиях) они могут отличаться друг от друга, а значит, результаты, полученные при исследовании одного органоида, могут не подтвердиться при исследовании другого.

«Сейчас это похоже на Дикий Запад, потому что не существует стандартного метода получения органоидов мини-мозга», — говорит Беннетт Нович, сотрудник Центра регенеративной медицины и исследований стволовых клеток имени Эли и Эдит Броуд при Калифорнийском университете и старший автор новой работы на эту тему.

Создание оптимальных органоидов

В данном исследовании ученые предложили новые рекомендации по созданию органоидов, которые будут иметь постоянную структуру и однородность.

Для создания мини-мозгов ученые брали клетки кожи или крови человека и перепрограммировали их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) — клетки, которые могут перерождаться в любой тип клеток организма.

Затем они использовали такие iPSC для создания нейральных стволовых клеток, которые могут производить большинство типов клеток, встречающихся в мозге. По мере формирования нейральных стволовых клеток их можно заставить соединиться в трехмерные органоиды. Вроде все элементарно. Но почему тогда некоторые органоиды больше похожи на человеческий мозг, чем другие?

Исследователи обнаружили, что зрелость стволовых клеток влияет на их качество. Лучший способ сохранить стволовые клетки человека в состоянии раннего развития — поместить их в чашку с клетками кожи мыши, известными как фибробласты. Такие питательные слои обеспечивают необходимые химические сигналы и обеспечивают структурную поддержку, которая помогает стволовым клеткам разрастаться и в течение долгого времени оставаться «молодыми».

Однако, было обнаружено, что использование клеток мыши делает органоиды непригодными для проведения клеточной терапии с целью замены больных или поврежденных нервных тканей. Кроме того, подобные способы с использованием питательных материалов являются более трудоемкими, чем методы выращивания стволовых клеток, обычно практикуемые во многих лабораториях.

Для того чтобы выявить генетические различия между «хорошими» и «плохими» органоидами из стволовых клеток, исследователи обратились секвенированию РНК и вычислительному анализу. Благодаря этим методам они выделили четыре молекулы, которые отвечают за поддержание стволовых клеток в «молодом» состоянии. Эти молекулы принадлежат к суперсемейству трансформирующего фактора роста бета — группе белков, которые регулируют многие клеточные процессы.

Добавив эти молекулы в чашки к стволовым клеткам, удалось сохранить их в незрелом состоянии и создать из них высококачественные, хорошо структурированные органоиды.

Органоиды, точно и последовательно воссоздающие структуру и клеточный состав определенных участков мозга, позволят исследователям изучать такие неврологические расстройства, как шизофрения и аутизм. При подобных расстройствах мозг пациентов часто выглядит идентичным по структуре мозгу нейротипичных людей, но при этом демонстрирует заметные различия по функционалу.