Американские нейробиологи рассказали в статье в Nature о новом протоколе для выращивания нескольких типов продвинутых мозговых органоидов из индуцированных стволовых клеток человека. Как показал масштабный анализ экспрессии генов в отдельных клетках мини-мозгов, в течение шести месяцев в составе таких органоидов воспроизводимо формируется клеточное разнообразие коры головного мозга человека.
Чтобы изучать мозг in vitro, вне тела человека, исследователи пытаются воспроизвести «в пробирке» процесс эмбрионального нейрогенеза, результатом которого стал бы орган, имитирующий всю сложность строения настоящего мозга. Несколько лет назад нейробиологи научились выращивать органоиды, содержащие части, напоминающие по структуре и паттернам экспрессии генов разные отделы головного мозга, в том числе кору. Однако такие мини-мозги формировались довольно хаотично, и из-за ограниченного времени роста не успевали сформировать все типы клеток.
Исследователи из Гарварда и института Броуда (США) под руководством Паолы Арлотты (Paola Arlotta) научились выращивать органоиды в течение шести месяцев, а не трех, как раньше. Это стало возможным благодаря использованию биореактора со сложной ростовой средой, постоянное перемешивание которой позволило избежать гипоксии.
Авторы протокола предложили несколько модификаций для выращивания органоидов, имитирующих целый мозг с разными отделами, передний мозг (кору) и два варианта 3D-культур для дорсального и вентрального отделов. Все модели предлагается выращивать из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), то есть клеток, которые искусственно возвратили из «взрослого» состояния (например, клеток кожи) в эмбриональное.
Четыре типа трехмерных моделей, выращенных в биореакторе из клеток линии PGP1, возрастом 6 месяцев
Silvia Velasco et al / Nature 2019
Исследователи сначала при помощи разнокомпонентной ростовой среды вырастили четыре упомянутых модификации из одной и той же клеточной линии iPSC. Затем результат воспроизвели на пяти разных линиях, тем самым показав, что процесс формирования органоида не зависит от генетических отличий клеток.
Чтобы показать, что в течение шести месяцев в «мини-мозге» успевает сформироваться все разнообразие типов нейронов и вспомогательных клеток, авторы работы «разбили» полученные органоиды и провели масштабный анализ экспрессии генов при помощи секвенирования РНК отдельных клеток. В сумме ученые получили данные для 160 тысяч транскриптомов отдельных клеток из 21 образца. Полученные паттерны экспрессии, во-первых, оказались идентичны друг другу для разных образцов, что говорит о воспроизводимости формирования «органов» в биореакторе, чего раньше достичь не удавалось. Во-вторых, сравнение с паттернами экспрессии генов в настоящих мозгах позволило сделать вывод о полноценном клеточном составе органоидов.
Новые модели органоидов, которые можно выращивать даже из клеток конкретного пациента, позволят изучить отличия в работе мозга людей с различными заболеваниями, в частности, аутизмом, комментируют исследование авторы. Начало подобным экспериментам уже положено — так, авторы эксперимента по выращиванию «полноценного» мозгового органоида исследовали изменения, приводящие к развитию микроцефалии. Также мы рассказывали, как внесение в геном единственной мутации, характерной для неандертальцев, изменило структуру нейронных связей в составе органоида, имитирующего кору.
