Вчені виростили «правильні» міні-мізки в біореакторі

Американські нейробіологи розповіли в статті про новий протокол для вирощування декількох типів просунутих мозкових органоїдів з індукованих стовбурових клітин людини. Як показав масштабний аналіз експресії генів в окремих клітинах міні-мізків, протягом шести місяців у складі таких органоїдів відтворювано формується клітинне розмаїття кори головного мозку людини.

Щоб вивчати мозок поза тілом людини, дослідники намагаються відтворити «в пробірці» процес ембріонального нейрогенезу, результатом якого став би орган, що імітує всю складність будови справжнього мозку. Кілька років тому нейробіологи навчилися вирощувати органоїди, що містять частини, що нагадують по структурі і патернам експресії генів різні відділи головного мозку, в тому числі кору. Однак такі міні-мізки формувалися досить хаотично, і через обмежений час зростання не встигали сформувати всі типи клітин.

Дослідники з Гарварду та інституту Броуда (США) під керівництвом Паоли Арлотти (Paola Arlotta) навчилися вирощувати органоїди протягом шести місяців, а не трьох, як раніше. Це стало можливим завдяки використанню біореактора зі складним ростовим середовищем, постійне перемішування якої дозволило уникнути гіпоксії.

Автори протоколу запропонували кілька модифікацій для вирощування органоїдів, що імітують цілий мозок з різними відділами, передній мозок (кору) і два варіанти 3D-культур для дорсального та вентрального відділів. Всі моделі пропонується вирощувати з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (iPSC), тобто клітин, які штучно повернули з «дорослого» стану (наприклад, клітин шкіри) в ембріональний.

Дослідники спочатку за допомогою різнокомпонентного ростового середовища виростили чотири згаданих модифікації з однієї і тієї ж клітинної лінії iPSC. Потім результат відтворили на п'яти різних лініях, тим самим показавши, що процес формування органоїда не залежить від генетичних відмінностей клітин.

Щоб показати, що протягом шести місяців у «міні-мозку» встигає сформуватися вся різноманітність типів нейронів і допоміжних клітин, автори роботи «розбили» отримані органоїди і провели масштабний аналіз експресії генів за допомогою секвенування РНК окремих клітин. У сумі вчені отримали дані для 160 тисяч транскриптомів окремих клітин з 21 зразка. Отримані патерни експресії, по-перше, виявилися ідентичні один одному для різних зразків, що говорить про відтворюваність формування «органів» в біореакторі, чого раніше досягти не вдавалося. По-друге, порівняння з патернами експресії генів у справжніх мізках дозволило зробити висновок про повноцінний клітинний склад органоїдів.

Нові моделі органоїдів, які можна вирощувати навіть з клітин конкретного пацієнта, дозволять вивчити відмінності в роботі мозку людей з різними захворюваннями, зокрема, аутизмом, коментують дослідження автори. Початок подібним експериментам вже покладено - так, автори експерименту з вирощування «повноцінного» мозкового органоїду досліджували зміни, що призводять до розвитку мікроцефалії. Також ми розповідали, як внесення в геном єдиної мутації, характерної для неандертальців, змінило структуру нейронних зв'язків у складі органоїда, що імітує кору.

Про те, якими ще способами вчені досліджують мозок, і як оцінюють етичність подібних експериментів, можна прочитати в нашому матеріалі «З голови геть».