Выращиванием нервных тканей в биореакторах ученые занимаются уже несколько лет, это удобная и перспективная модель для тестирования новых препаратов, изучения механизмов развития мозга и процессов, происходящих во время инфекции нервной ткани, например, вирусом Зика. Однако многие детали формирования церебральных органоидов остаются неясным: какие типы клеток в них формируются, насколько работа их генов соответствует той, что идет в нормальном мозге, могут ли в искусственных органоидах формироваться и функционировать зрелые нейронные сети и т.д. Прояснить эти вопросы решили две независимые группы ученых из Стенфордского и Гарвардского университетов.

Гарвардские ученые решили проверить состав и функциональность органоида в процессе его длительного развития — на протяжении девяти месяцев. Для этого билоги вырасти 31 образец органоидов, извлекли из каждого набор отдельных нейронов и прочитали транскриптом (совокупность всех работающих, т.е. транскрибирующихся генов) каждой из этих клеток. Всего было прочитано около 80 тысяч индивидуальных транскриптомов — всего несколько лет назад такой масштаб исследования был бы невозможен. 

Оказалось, что нейроны в органоиде экспрессируют примерно те же гены, что и нейроны нормального мозга. Причем временнóе изменение профиля транскрипции тоже примерно соответсвует созреванию нормального мозга у эмбриона: спустя несколько месяцев активность «ранних» генов сменяется активностью «поздних». Микроскопия показала, что нейроны при этом еще и образуют синапсы, которые начинают участвовать в передаче сигналов.

Экспрессия генов органоида в возрасте от одного до девяти месяцев. Giorgia Quadrato et al., Nature, 2017

Церебральные органоиды выращивают из плюрипотентных стволовых клеток в трехмерной среде: биореактор позволяет тканям расти в трех измерениях, имитируя развитие in vivo. Однако получить их можно как минимум двумя способами: либо предоставить органоид самому себе и следить за его развитием, как поступила первая группа биологов, либо использовать сигнальные молекулы, которые управляют процессом. Эти молекулы могут влиять на структуру нейроэпителия и, таким образом, прицельно формировать нужные регионы «искусственного мозга».

Эту стратегию использовали Стенфордские ученые: они сначала получили трехмерные структуры, называемые сфероидами, которые напоминали регионы переднего мозга — вентральный и дорсальный передний мозг. Далее эти сфероиды должны были соединиться, после чего начинался естественный процесс миграции интернейронов из одного сфероида в другой. Именно за этим процессом прежде всего и наблюдали ученые.

Слияние сфероидов и последующая миграция интронейронов. Fikri Birey et al., Nature, 2017

Оказалось, что миграция интернейронов в органоидах действительно повторяет нормальный процесс развития человеческого мозга, и ученые воспользовались этим, чтобы изучить синдром Тимоти — неврологическое расстройство, связанное с мутацией белка, нарушающей такую миграцию. Ученые создали аналогичные сфероиды, но из стволовых клеток пациентов с синдромом Тимоти и сравнили эффективность миграции интернейронов пациента с группой контроля.

Оказалось, что низкая эффективность миграции при синдроме Тимоти воспроизводится и в искусственном мозге, причем она связана с дефектом самих интернейронов, а не той среды, куда они попадают. Когда среду заменяли на нервную ткань из контрольной группы, эффективность миграции интернейронов оставалась низкой.

Что касается самого способа воспроизводства органоидов при помощи сфероидов, то с его помощью, вероятно, можно повысить воспроизводимость результата, а это важное условие для проведения экспериментов, в которых экспериментальные образцы необходимо сравнить с группой контроля. Трудность же состоит в том, что для выращивания каждого субрегиона мозга необходимо будет определить свой сигнал.

Подробнее о том, как выращивают ткани человеческого мозга, и как это помогает в лечении аутизма и рака, можно узнать в репортаже CNN. Об анализе экспрессии генов в отдельных клетках, мы писали ранее.

Автор: Анна Зинина