Ученые вырастили функциональную нейронную сеть человека из стволовых клеток

Рабочая трехмерная модель ткани мозга человека, выращенная из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, дала больше возможностей для исследования взаимодействий между здоровыми и аномальными клетками мозга. 

В ходе исследования под руководством нейробиологов из Университета Тафтса в Массачусетсе ученые вырастили маленькие мозги вне человеческого тела на основе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Статья о работе опубликована в журнале ACS Biomaterials Science & Engineering.

«Мы нашли подходящие условия для того, чтобы ИПСК дифференцировались в разные нейронные подтипы, а также астроциты, поддерживающие рост нейронных сетей», — рассказывает инженер-биомедик Дэвид Каплан.

Применение стволовых клеток для выращивания органоидов нервной ткани само по себе не ново. Уже какое-то время эта технология использовалась для создания моделей человеческого мозга, что позволило изучать его не только в стеклянном сосуде, но и в животных моделях.
 

 
Тем не менее с этим процессом связано немало сложностей в развитии таких сгустков ткани. Часто они вырастают в плотные кластеры, не позволяя кислороду циркулировать и не давая выбрать отдельные клетки, при этом сохраняя аутентичную, трехмерную структуру.

Выращивание нервных тканей в точное подобие сети из клеток мозга, которую можно изучить, требует идеального «рифа», на котором будут крепиться клетки, а также правильного окружения, которое бы способствовало их дифференцированию в правильные типы клеток.

Некоторые ученые используют для этого тканеподобные гидрогели, тогда как другие прибегают к пористым полистирольным каркасам. У каждого из подходов есть свои преимущества, но оба довольно дорогостоящие.

Новый метод смешивает все подходы, создавая паутинообразную матрицу из фиброина для распределения клеток, а затем погружает ее в коллагеновый гидрогель для достижения аутентичной несущей конструкции.

«Шелково-коллагеновые каркасы представляют собой правильную среду для производства клеток с генетическими сигнатурами и электрическими сигналами, присутствующими в естественных нейронных тканях», — объясняет Каплан.

Такая сбалансированная архитектурная конструкция — отличное жилище для стволовых клеток, где они могут обосноваться и развиться в разнообразные клетки, присутствующие в мозге взрослого человека.  

За счет придания формы «пончика» структуре матрицы исследователи использовали центральное окно для наблюдения за ростом тканей в реальном времени. В будущем разные структуры могут помочь наблюдать за ростом и другими способами.

Учитывая сложности и этические проблемы в изучении роста и развития как здоровых, так и больных человеческих нейронных сетей, для исследования крайне важны способы анализа роста клеток мозга в естественной среде. Эти органоиды стали многообещающим шагом в нужном направлении.

«Рост нейронных сетей поддерживается и очень последователен в трехмерных моделях тканей, вне зависимости от того, используем мы клетки здоровых людей либо клетки больных Альцгеймером или Паркинсоном, — объясняет исследователь из Университета Тафтса Уильям Кэнтли. — Это предоставляет нам надежную платформу для изучения разных болезней и способность дольше наблюдать за тем, что происходит с клетками».