Ученые разработали метод исследования, который позволяет гораздо более детально изучить мозговые процессы, участвующие в некоторых неврологических и психических расстройствах. Это достигается путем выращивания корковых органоидов человека в культуре и введения их в развивающийся мозг грызунов, чтобы увидеть, как они интегрируются и функционируют с течением времени. Исследование, финансируемое Национальным институтом психического здоровья (NIMH), входящим в состав Национального института здоровья, опубликовано в журнале Nature .
«Эта работа обеспечивает значительный прогресс в способности ученых изучать клеточные и электрические цепи, лежащие в основе сложных нарушений человеческого мозга. Петри», — сказал Дэвид Панчисион, доктор философии, руководитель отдела исследований в области развития и геномной неврологии в Отделе неврологии и фундаментальной поведенческой науки в NIMH.
Исследователь Серджиу Паска, доктор медицинских наук, и его коллеги из Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния, продемонстрировали, что кортикальный органоид, выращенный из стволовых клеток человека, можно трансплантировать и интегрировать в развивающийся мозг крысы для изучения определенных онтогенетических и функциональных процессов. Полученные данные свидетельствуют о том, что трансплантированные органоиды могут стать мощным инструментом для исследования процессов, связанных с развитием заболевания.
Исследователи иногда используют корковые органоиды — трехмерные культуры человеческих стволовых клеток, которые могут отражать некоторые процессы развития, наблюдаемые в типичном мозге, — в качестве модели для изучения того, как развиваются и функционируют некоторые аспекты человеческого мозга. Однако кортикальные органоиды лишены связи, характерной для типичного человеческого мозга, что ограничивает их полезность для понимания сложных мозговых процессов. Исследователи пытались преодолеть некоторые из этих ограничений, пересаживая отдельные человеческие нейроны в мозг взрослых грызунов. Хотя эти трансплантированные нейроны соединяются с клетками мозга грызунов, они не становятся полностью интегрированными из-за ограничений развития мозга взрослых крыс.
В этом исследовании группа исследователей усовершенствовала использование органоидов головного мозга для исследований, пересадив интактный органоид коры головного мозга человека в развивающийся мозг крысы. Этот метод создает единицу человеческой ткани, которую можно исследовать и манипулировать. Исследователи использовали методы, впервые примененные в лаборатории Паски, для создания кортикальных органоидов с использованием индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток — клеток, полученных из клеток кожи взрослых, которые были перепрограммированы в состояние, подобное незрелым стволовым клеткам. Затем они имплантировали эти органоиды в первичную соматосенсорную кору крысы, часть мозга, участвующую в обработке ощущений.
Исследователи не обнаружили каких-либо аномалий моторики или памяти, а также аномалий мозговой активности у крыс, которым пересадили органоид. Кровеносные сосуды из мозга крысы успешно поддерживали имплантированную ткань, которая со временем росла.
Чтобы понять, в какой степени органоиды могут интегрироваться в соматосенсорную кору крысы, исследователи заразили корковый органоид вирусным индикатором, который распространяется по клеткам мозга в качестве индикатора функциональных связей. После трансплантации маркированного органоида в первичную соматосенсорную кору крысы исследователи обнаружили вирусный индикатор в нескольких областях мозга, таких как вентробазальное ядро и соматосенсорная кора. Кроме того, исследователи наблюдали новые связи между таламусом и пересаженной областью. Эти связи были активированы с помощью электрической стимуляции и стимуляции усов крысы, что указывало на то, что они получали значимую сенсорную информацию. Кроме того, исследователи смогли активировать человеческие нейроны в трансплантированном органоиде, чтобы модулировать крысиный мозг. s поведение, направленное на получение вознаграждения. Полученные данные предполагают функциональную интеграцию трансплантированного органоида в определенные проводящие пути мозга.
Структурно и функционально после семи-восьми месяцев роста трансплантированный органоид головного мозга больше напоминал нейроны из ткани головного мозга человека, чем органоиды человека, сохраняемые в клеточной культуре. Тот факт, что трансплантированные органоиды отражают структурные и функциональные особенности нейронов коры головного мозга человека, заставил исследователей задуматься, могут ли они использовать трансплантированные органоиды для изучения аспектов болезненных процессов человека.
«Перспектива этой платформы заключается не только в том, чтобы определить, какие молекулярные процессы лежат в основе продвинутого созревания нейронов человека в живых цепях, и использовать их для улучшения традиционных моделей in vitro , но и в предоставлении поведенческих данных для нейронов человека», — сказал доктор Паска.
Чтобы изучить это, исследователи создали корковые органоиды с клетками трех участников с редким генетическим заболеванием, связанным с аутизмом и эпилепсией, называемым синдромом Тимоти, и трех участников без каких-либо известных заболеваний, и имплантировали их в мозг крысы. Оба типа органоидов интегрировались в соматосенсорную кору крысы, но органоиды, полученные от пациентов с синдромом Тимоти, демонстрировали структурные различия. Эти структурные различия не проявлялись в органоидах, созданных из клеток пациентов с синдромом Тимоти и поддерживаемых в клеточной культуре.
«Эти эксперименты показывают, что этот новый подход может зафиксировать процессы, которые выходят за рамки того, что мы можем обнаружить с помощью современных моделей in vitro », — сказал доктор Паска. «Это важно, потому что многие изменения, вызывающие психическое заболевание, вероятно, являются тонкими различиями на уровне схемы».