Что бы вы ни делали, не называйте их «мини-мозгами», говорят ученые Университета здравоохранения Юты. Несмотря на это, органоиды размером с семя, выращенные в лаборатории из клеток человека, дают представление о мозге и выявляют различия, которые могут способствовать развитию аутизма у некоторых людей.

Раньше мы думали, что будет слишком сложно смоделировать организацию клеток в мозге. Но эти органоиды самоорганизуются. В течение нескольких месяцев мы видим слои клеток, напоминающие кору головного мозга в человеческом мозгу».

Алексей Щегловитов, к.м.н., доцент кафедры нейробиологии Университета здоровья

Исследование, описывающее органоиды и их потенциал для понимания нервных заболеваний, опубликовано в Nature Communications 6 октября с участием Щегловитова в качестве старшего автора и Юэци Вана, доктора философии, бывшего аспиранта в его лаборатории, в качестве ведущего автора. Они провели исследование с ученым-постдокторантом Симоной Чиолой, доктором философии, и другими сотрудниками из Университета Юты, Гарвардского университета, Миланского университета и Университета штата Монтана.

Исследование аутизма

Возможность таким образом моделировать аспекты мозга дает ученым возможность заглянуть во внутреннюю работу живого органа, доступ к которому другим путем почти невозможен. А поскольку органоиды растут в чашке, их можно проверить экспериментально способами, недоступными мозгу.

Команда Щегловитова использовала инновационный процесс для изучения последствий генетической аномалии, связанной с расстройством аутистического спектра, и развитием человеческого мозга. Они обнаружили, что органоиды, спроектированные так, чтобы иметь более низкие уровни гена, называемого SHANK3 , имели определенные особенности.

Несмотря на то, что модель органоидов аутизма выглядела нормальной, некоторые клетки не функционировали должным образом:

• Нейроны гиперактивны, чаще возбуждаются в ответ на раздражители.
• Другие признаки указывают на то, что нейроны могут неэффективно передавать сигналы другим нейронам.
• Были нарушены специфические молекулярные пути, которые заставляют клетки прилипать друг к другу.

Эти результаты помогают раскрыть клеточные и молекулярные причины симптомов, связанных с аутизмом, говорят авторы. Они также демонстрируют, что выращенные в лаборатории органоиды будут полезны для лучшего понимания мозга, того, как он развивается, и что идет не так во время болезни.

«Одна из целей — использовать органоиды мозга для тестирования лекарств или других вмешательств, направленных на устранение или лечение расстройств», — говорит Ян Кубанек, доктор философии, соавтор исследования и доцент биомедицинской инженерии в Университете США.

Создание лучшей модели мозга

Ученые долго искали подходящие модели человеческого мозга. Органоиды, выращенные в лаборатории, не новы, но предыдущие версии не развивались воспроизводимым образом, что затрудняло интерпретацию экспериментов.

Чтобы создать улучшенную модель, команда Щегловитова исходила из того, как обычно развивается мозг. Исследователи побудили человеческие стволовые клетки стать нейроэпителиальными клетками, особым типом стволовых клеток, которые образуют самоорганизующиеся структуры, называемые нервными розетками, в чашке. В течение нескольких месяцев эти структуры объединялись в сферы и увеличивались в размерах и сложности со скоростью, аналогичной развивающемуся мозгу растущего плода.

По словам Щегловитова, через пять месяцев в лаборатории органоиды напоминали «одну морщинку человеческого мозга» через 15–19 недель после зачатия. Структуры содержали множество нервных и других типов клеток, обнаруженных в коре головного мозга, самом внешнем слое мозга, участвующем в речи, эмоциях, рассуждениях и других психических процессах высокого уровня.

Подобно человеческому эмбриону, органоиды самоорганизовались предсказуемым образом, образуя нейронные сети, которые пульсировали колебательными электрическими ритмами и генерировали разнообразные электрические сигналы, характерные для различных типов зрелых клеток мозга.

«У этих органоидов были модели электрофизиологической активности, которые напоминали реальную активность в мозгу. Я этого не ожидал», — говорит Кубанек. «Этот новый подход моделирует большинство основных типов клеток и функционально значимым образом».

Щегловитов поясняет, что эти органоиды, более достоверно отражающие сложные структуры коры, позволят ученым изучить, как возникают определенные типы клеток в мозге и работают вместе для выполнения более сложных функций.

«Мы начинаем понимать, как сложные нервные структуры в человеческом мозгу возникают из простых предшественников», — говорит Ван. «И мы можем измерять фенотипы, связанные с заболеванием, используя трехмерные органоиды, полученные из стволовых клеток, содержащих генетические мутации».

Он добавляет, что с помощью органоидов исследователи смогут лучше исследовать, что происходит на самых ранних стадиях неврологических состояний, до того, как появятся симптомы.