Миниатюрный головной мозг, созданный из клеток кожи пациента, помог в изучении аутизма

Изучение таких заболеваний, как аутизм и шизофрения, затрагивающих головной мозг, всегда было сложной задачей, как из-за комплексности самих заболеваний, так и из-за трудности изучения процесса развития человеческих тканей. Ученые нашли способ преодолеть эти проблемы, создав миниатюрный головной мозг из стволовых клеток, полученных из клеток кожи пациентов с аутизмом. Такая модель позволила обнаружить новые механизмы развития заболевания. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell.

Большинство исследований, посвященных аутизму, основывались на подходе, одновременно изучающем геном пациентов на предмет выявления мутаций, лежащих в основе развития заболевания, и исследовании моделей заболевания на животных или клеточных культурах, с помощью которых ученые пытались установить возможную роль обнаруженных мутаций в развитии головного мозга. Хотя вышеописанный подход помог обнаружить несколько генов, обусловливающих развитие редких заболеваний, ограничения использования этих моделей и сложность заболевания не позволили исследователям достигнуть их цели, оставив более 80% случаев аутизма необъясненными, то есть не выявив четкую генетическую причину заболевания. Новое исследование полностью меняет традиционный подход к изучению аутизма.

По словам Флоры Ваккарино (Flora Vaccarino), профессора детской психиатрии и профессора нейробиологии из Йельской Медицинской Школы (Yale School of Medicine, США), ученые начали свое исследование не с изучения генетики, а с изучения биологии заболевания, чтобы потом найти ответы в геноме человека.

Клинические характеристики аутизма очень сложны и разнообразны, что затрудняет поиск общих факторов, лежащих в основе развития заболевания. Чтобы получить желаемый результат, исследователи сосредоточились на изучении приблизительно одной пятой пациентов с аутизмом, которые обладали общей клинической чертой – размер их увеличенного головного мозга коррелировал с тяжестью заболевания. После получения клеток кожи у этих пациентов и у их здоровых отцов исследователи превратили полученные клетки кожи в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), которые затем были использованы для создания в лабораторных условиях миниатюрного головного мозга.

Полученные органоиды были всего несколько миллиметров в диаметре, но они имитировали ранние стадии развития человеческого мозга, что можно приравнять к состоянию головного мозга в первые месяцы беременности. Когда исследователи проанализировали органоиды, полученные от пациента с аутизмом, они обнаружили нарушение экспрессии группы генов, контролирующих развитие нейронов. В органоидах пациентов с аутизмом было повышено образование тормозных нейронов, подавляющих нейронную активность, в то время как возбуждающие нейроны не были затронуты, что привело к дисбалансу между типами нейронов. Важно, что, подавляя экспрессию одного гена, чья экспрессия была увеличена в органоидах, полученных от пациента, ученые смогли исправить это изменение. Полученные данные позволяют предположить, что однажды можно будет клинически вмешаться в существующий дисбаланс нейронов и восстановить нейронный баланс.

С учетом развития современных технологий, органоиды головного мозга человека могут повторить только ранние стадии развития. Однако, несколько научных групп ведут исследования, направленные на то, чтобы способствовать росту этих органоидов до более поздних стадий развития головного мозга, что позволит получить более полное представление о механизмах развития заболевания. Сейчас ученые используют полученные данные для обнаружения мутаций и эпигенетических изменений, ответственных за изменение экспрессии генов и нейронный дисбаланс.

По мнению Ваккарино, исследование демонстрирует важность использования человеческих клеток и их применения при анализе, который поможет понять патофизиологию аутизма и, возможно, разработать более эффективные методы терапии. Успех примененного подхода также говорит о том, что подобные методы можно использовать для получения важной информации о других болезнях развития, которые до этого момента было трудно исследовать.

Органоид головного мозга человека имеет сложную внутреннюю организацию, состоящую из незрелых пролиферирующих клеток (изображены красным цветом) и окружающего их слоя созревающих нейронов (изображены зеленым цветом). (фото: Jessica Mariani)

По материалам Cell Press

Оригинальная статья:
Jessica Mariani, Gianfilippo Coppola, Ping Zhang, Alexej Abyzov, Lauren Provini, Livia Tomasini, Mariangela Amenduni, Anna Szekely, Dean Palejev, Michael Wilson, Mark Gerstein, Elena L. Grigorenko, Katarzyna Chawarska, Kevin A. Pelphrey, James R. Howe, Flora M. Vaccarino. FOXG1-Dependent Dysregulation of GABA/Glutamate Neuron Differentiation in Autism Spectrum Disorders. Cell, 2015; 162 (2): 375 DOI: 10.1016/j.cell.2015.06.034