Создан мозговой органоид со сложной нейронной активностью

23 августа 2021

Группа ученых из Броудовского Центра регенеративной медицины и исследований стволовых клеток при Калифорнийском университете в Лос-Анжелесе (UCLA) занимается созданием и изучением органоидов мозга, – трехмерных органических структур, которые культивируются из человеческих стволовых клеток и обнаруживают организованную волновую активность, аналогичную таковой в живом мозге человека. Новое исследование проводилось в сопоставлении с органоидами, развивающимися из стволовых клеток пациентов с неврологическим синдромом Ретта (редкое наследственное заболевание, проявляющееся дефицитом психофизического развития, характерными гиперкинезами и, в абсолютном большинстве случаев, эпилептиформными судорогами. – Прим. Лахта Клиники). Использование таких искусственно выращенных моделей позволило наблюдать определенные паттерны электрической активности, напоминающие одно из ключевых проявлений синдрома Ретта, а именно судороги.

Отчет о ходе и результатах этого исследования, опубликованный 23 августа 2021 года в журнале Nature Neuroscience, вносит вклад в расширение перечня заболеваний ЦНС, поддающихся изучению с помощью органоидов. Подобные работы свидетельствуют о значительной ценности этих искусственных, но базирующихся на человеческих клетках лабораторных моделей, которые позволяют исследовать фундаментальные причины различных заболеваний и проводить испытания потенциальных методов их лечения.

«Эта работа демонстрирует нашу способность создавать такие органоиды, которые воспроизводят реальную ткань человеческого мозга, что в свою очередь дает возможность детально изучать определенные мозговые функции в норме и патологии».

Беннет Нович, старший автор публикации, сотрудник Броудовского Центра регенеративной медицины и исследований стволовых клеток

 

За последнее десятилетие медицинская наука нашла оптимальные способы отбора клеток из организма человека, – в частности, клеток кожи или крови, – с последующим помещением в благоприятные лабораторные условия для трансформации их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) и, затем, выращивания тканей любого типа, встречающихся в нашем организме, включая нейронную ткань. Сегодня возможно даже «конструирование» трехмерных форм-органоидов, более похожих на миниатюрные человеческие органы, чем на плоскую культуру клеток в чашке Петри. Этот методологический прорыв позволяет осуществлять самые разные исследования и эксперименты, которые по очевидным причинам невозможно проводить на людях, – например, сравнивать состояние тканей в норме и при различных поражениях, исследовать генетику развития почек, прослеживать динамику коронавирусной инфекции в живой легочной ткани и мн.др. Однако создание органоидов, хотя бы имитирующих сложнейшие нейронные структуры головного мозга, остается особой проблемой. Организация клеточного роста в более или менее естественной для мозга упорядоченности – это лишь часть сверхзадачи. Реальные клетки центральной нервной системы не только посылают, проводят и принимают электрохимические сигналы о различных стимулах, но и проявляют скоординированную общую активность, называемую нейронными колебаниями или мозговыми волнами. Известны отчетливые паттерны мозговых волн, которые устойчиво повторяются у разных людей при определенных состояниях, – например, во время сна или учебы, – и нарушения в этих паттернах волновой электрической активности мозга могут служить индикатором различных заболеваний. Именно поэтому столь важно создавать органоиды, способные имитировать не только нейронные структуры мозга, но и функционирование этих структур.

Дизайн исследования включал несколько уровней наблюдения и регистрации. В каждый органоид вводились чувствительные электроды, позволяющие измерять колебания нейронной активности; кроме того, осуществлялось микроскопическое наблюдение за мозговыми клетками в их действии. Часть получаемой информации была сродни тем данным, которые обеспечивает классическая для неврологии электроэнцефалография (ЭЭГ).

В отношении органоидов с синдромом Ретта было обнаружено, что их мозговые волны отличаются меньшим разнообразием по сравнению со здоровыми нейронными тканями; кроме того, наблюдалась быстрая дезорганизованная активность, – что, в целом, вполне согласуется с данными клинических наблюдений и ЭЭГ-исследований у пациентов с этой наследственной неврологической патологией. Была проведена также серия опытов с экспериментальным препаратом под названием пифитрин-альфа, и результаты свидетельствуют об определенном потенциале действующего вещества в плане нормализации нейронной волновой активности.

Безусловно, возможности использования органоидов для изучения расстройств и заболеваний ЦНС пока остаются ограниченными и не отражают всех аспектов функционирования реального головного мозга человека, – хотя бы потому, что в органоидах отсутствуют кровеносные сосуды, да и по строению эти модели напоминают скорее мозг на ранней стадии развития, чем мозг взрослого человека.

И все же новая публикация специалистов UCLA в очередной раз продемонстрировала перспективность подобного подхода. «Органоидная технология» уже сейчас позволяет глубоко исследовать нормальную и патологическую активность нейронных структур, – получая при этом важные научные данные, которые были бы недоступны даже при самом тщательном анализе отдельных клеток мозга в чашке Петри.

 

По материалам сайта Medical Xpress