Ученые вшили человеческую мозговую ткань в мозг крыс

Самоорганизующиеся комки ткани человеческого мозга, выращенные в лаборатории, были успешно пересажены в нервные системы новорожденных крыс, что стало шагом к поиску новых способов лечения нервно-психических расстройств.

3D органоиды, созданные из стволовых клеток и напоминающие упрощенную модель коры головного мозга человека, соединились и интегрировались с окружающими тканями в коре головного мозга каждой крысы, сформировав функциональную часть собственного мозга грызуна, демонстрируя активность, связанную с сенсорным восприятием.

Это, по мнению группы исследователей под руководством нейробиолога Серджиу Пашка из Стэнфордского университета, преодолевает ограничения органоидов, выращенных на блюде, и дает нам новую платформу для моделирования развития и заболеваний человеческого мозга в живой системе.

"Большая часть работы, которую проводит моя лаборатория, мотивирована этой миссией - попытаться понять психические расстройства на биологическом уровне, чтобы мы могли найти эффективные методы лечения", - объяснил Pașca на пресс-брифинге.

"Многие из этих психических расстройств, такие как аутизм и шизофрения, вероятно, являются уникально человеческими, или, по крайней мере, они связаны с уникальными особенностями человеческого мозга. И человеческий мозг, конечно, не был очень доступен, что препятствовало прогрессу, которого мы добились в понимании биологии этих заболеваний".

В 2008 году ученые совершили прорыв: клетки мозга были выращены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Зрелые клетки, взятые у взрослых людей, были подвергнуты обратной инженерии (или индуцированию), чтобы вернуть их в "пустое" состояние стволовых клеток - форму, которую клетки принимают перед тем, как вырасти в клетки со специализацией, такие как клетки кожи или сердечные клетки.

Затем эти стволовые клетки были направлены на развитие в клетки мозга, которые ученые культивировали для формирования сгустков мозгоподобной ткани, называемых органоидами. Эти модели ключевых областей анатомии мозга, таких как морщинистая внешняя кора, могут быть использованы для изучения функций и развития мозга вблизи.

При всей своей полезности органоиды коры головного мозга in vitro имеют свои ограничения. Поскольку они не связаны с живыми системами, их созревание не завершается, что лишает исследователей возможности наблюдать, как они интегрируются с другими основными частями мозга.

Кроме того, органоид мозга в чашке не может выявить поведенческие последствия любых дефектов, которые могут быть обнаружены учеными. Поскольку психические расстройства определяются поведением, это мешает выявить физиологические характеристики этих расстройств.

В предыдущих исследованиях ученые пытались преодолеть эти препятствия, имплантируя органоиды человеческого мозга в мозг взрослых крыс. Из-за несоответствия развития трансплантаты не приживались: развивающиеся нейроны в органоиде не могли сформировать прочную связь с полностью развитой сетью мозга взрослой крысы.

Поэтому Pașca и его коллеги попробовали другое: пересадить человеческую мозговую ткань в мозг новорожденных крыс, чей собственный мозг еще не развился и не созрел.

Органоиды коры головного мозга человека были выращены на блюде, а затем пересажены непосредственно в соматосенсорную кору (область мозга, отвечающая за прием и обработку сенсорной информации) крысят, которым было всего несколько дней от роду. Затем этих крысят оставили расти во взрослую особь еще на 140 дней (крысы становятся полностью половозрелыми в возрасте от 6 до 12 недель).

Затем ученые изучили крыс. Они генетически сконструировали органоиды так, чтобы они реагировали на имитацию синего света, активируя нейроны, когда на них светили синим светом. Эта стимуляция нейронов человека проводилась в то время, когда крыс обучали облизывать носик, чтобы получить воду. Позже, когда на органоиды светили синим светом, крысы автоматически облизывали их, демонстрируя реакцию, не наблюдавшуюся в контрольных группах.

Это свидетельствовало о том, что органоид не только функционировал как часть мозга крысы, но и мог управлять поведением, направленным на получение вознаграждения.

Другая группа нейронов в органоиде проявляла активность, когда ученый нажимал на усы крыс - свидетельство того, что нейроны могут реагировать на сенсорную стимуляцию.

Для некоторых органоидов также использовались клетки мозга, выращенные из трех человеческих пациентов с генетическим заболеванием, называемым синдромом Тимоти. Синдром Тимоти поражает сердце, цифры и нервную систему и обычно приводит к ранней смерти.

После проведения поведенческих тестов крыс подвергли эвтаназии, извлекли и препарировали их мозг, что позволило исследователям наблюдать за интеграцией органоидов на клеточном уровне. Они обнаружили, что нейроны органоидов выросли намного больше, чем любые нейроны, выращенные in vitro, распространились в мозг крыс и образовали сети с нейронами родных крыс.

Нейроны крыс с пересаженным синдромом Тимоти имели менее сложную форму и образовывали различные синаптические связи с окружающими тканями мозга по сравнению с контрольными группами. Это новое открытие, которое не могло быть обнаружено в органоиде мозга в блюде.

Хотя платформа все еще имеет некоторые ограничения, команда считает, что у нее есть потенциал стать новым мощным инструментом для понимания развития и заболеваний мозга.

"В целом, эта платформа in vivo представляет собой мощный ресурс, дополняющий исследования in vitro по развитию и заболеваниям человеческого мозга", - пишут авторы в своей статье.

"Мы ожидаем, что эта платформа позволит нам выявить новые фенотипы на уровне цепей в клетках, полученных от пациентов, которые до сих пор оставались неуловимыми, и проверить новые терапевтические стратегии".

Исследование было опубликовано в журнале Nature.