Ученые вырастили в пробирке миниатюрный головной мозг человека

Австрийским ученым впервые удалось искусственно вырастить «миниатюрный головной мозг» человека. Метод, используемый учеными, позволил из плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека получить церебральные органоиды, представляющие собой изолированные области головного мозга. Результаты исследования были опубликованы в новом номере журнала Nature.

Развитие головного мозга человека остается одним из самых сложных процессов для исследования. До настоящего момента ни одна научная команда не смогла создать трехмерную культуральную модель развития головного мозга. Исследовательской группе под руководством доктора Юргена Кноблиха (Jürgen Knoblich) из Института Молекулярной Биотехнологии (Institute of Molecular Biotechnology, IMBA, Австрия) при Австрийской Академии Наук (Austrian Academy of Sciences, OeAW) впервые удалось получить структуры, представляющие собой миниатюру головного мозга человека.

Для направленной дифференцировки стволовых клеток в нейрональные ученые не стали использовать факторы роста. Вместо этого они четко подобрали условия роста стволовых клеток и обеспечили благоприятные условия для их культивирования. В результате внутренние сигналы, подаваемые стволовыми клетками, направили развитие клеток в сторону формирования взаимосвязанных отделов головного мозга. Используя «миниатюрный головной мозг», ученые также смогли воспроизвести развитие неврологического заболевания человека и установить причину его возникновения. Это открывает возможность использования полученных в лаборатории структур в качестве долго ожидаемой специалистами модели головного мозга человека.

Сначала исследовательская группа определила условия, помогающие стандартным линиям эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) и индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (ИПСК) дифференцироваться в несколько разновидностей нервной ткани головного мозга. Ученые использовали среду, индуцирующую развитие клеток в нейрональном направлении и их последующую дифференцировку в нейрональные клетки.

«Мы модифицировали разработанный подход, направленный на получение так называемой нейроэктодермы, клеточного слоя, из которого развивается нервная система. Фрагменты нейроэктодермы затем были сохранены в трехмерной культуре и погружены в капли специфического геля, который стал подложкой при культивировании сложной ткани. Чтобы усилить абсорбцию питательных веществ, мы перенесли капли во вращающийся биореактор. В течение трех или четырех недель сформировались характерные области головного мозга», – говорит доктор Кноблих.

Через 15-20 дней культивирования произошло формирование так называемых «церебральных органоидов», состоящих из ткани с одинаковой плотностью (нейроэпителия), в которой находились наполненные жидкостью полости, напоминающие желудочки головного мозга. Спустя 20-30 дней в органоидах возникли характерные области человеческого головного мозга, включая, кору, сетчатку, мозговые оболочки, а также сосудистое сплетение. Через два месяца культивирования во вращающемся биореакторе миниатюрный головной мозг достиг своих максимальных размеров, в таком состоянии он сохраняется долгое время (в настоящее время – уже более 10 месяцев). Миниатюрный мозг перестал расти, вероятно, из-за отсутствия системы циркуляции и, следовательно, недостатка питательных веществ и кислорода в его центральной части.

Моделирование микроцефалии с помощью миниатюрного головного мозга

Разработка австрийских ученых обладает большим потенциалом в качестве метода моделирования различных заболеваний головного мозга человека. Подобные модели необходимы специалистам, поскольку модели заболеваний головного мозга на животных не достаточно сложны и часто не совсем адекватно воспроизводят заболевания человека.

Исследовательская команда под руководством Кноблиха использовала миниатюрный головной мозг в качестве модели для исследования ранних этапов развития микроцефалии, генетического заболевания человека, при котором размеры его головного мозга значительно уменьшены. После получения ИПСК из кожи пациента с микроцефалией ученые смогли вырастить из этих клеток миниатюрный головной мозг с признаками наличия заболевания. Как и предполагали ученые, органоиды, полученные из тканей пациента с микроцефалией, были меньшего размера, чем органоиды, выращенные из тканей здоровых людей.

Несмотря на то, что размеры нейроэпителиальной ткани, выращенной из клеток пациента с микроцефалией, были меньше, чем в миниатюрном головном мозге, полученном из клеток здорового пациента, в ней можно было наблюдать повышенный нейрональный рост. На основании этих данных ученые построили гипотезу, что во время развития головного мозга пациента с микроцефалией происходит преждевременная нейральная дифференцировка столовых клеток и клеток-предшественниц, которые в норме должны способствовать увеличению размеров мозга. Результаты дальнейших экспериментов показали, что причиной развития этого заболевания может быть изменение направления деления стволовых клеток.

«В дополнение к возможности по-новому взглянуть на развитие заболеваний головного мозга миниатюрный головной мозг может представлять большой интерес для фармакологической индустрии и химической промышленности. Его можно использовать при тестировании методов лечения пациентов с повреждениями головного мозга и неврологическими заболеваниями. Кроме того, он поможет анализировать эффекты воздействия специфических химических соединений на развитие головного мозга», – говорит один из исследователей доктор Мэдлин А. Ланкастер (Dr. Madeline A. Lancaster).

Поперечные срезы целых органоидов, показывающие развитие различных областей головного мозга. Обычные клетки окрашены синим цветом, нейральные стволовые клетки – красным цветом, нейроны – зеленым. (фото: Copyright IMBA/ Madeline A. Lancaster)

По материалам Institute of Molecular Biotechnology

Оригинальная статья:
Madeline A. Lancaster, Magdalena Renner, Carol-Anne Martin, Daniel Wenzel, Louise S. Bicknell, Matthew E. Hurles, Tessa Homfray, Josef M. Penninger, Andrew P. Jackson, Juergen A. Knoblich. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12517