Пересаженные органоиды головного мозга дают представление о неврологических расстройствах

Пересаженные органоиды головного мозга дают представление о неврологических расстройствах

Ученые Солка улучшают рост трехмерных моделей мозга, чтобы лучше понять аутизм, деменцию и шизофрению

ЛА-ХОЛЬЯ — Многие неврологические расстройства — болезнь Альцгеймера, шизофрения, аутизм и даже депрессия — отстают в новых методах лечения. Поскольку мозг настолько сложен, может быть трудно открывать новые лекарства, и даже если лекарство многообещающе на животных моделях, оно часто не работает для людей.

Ученые стремятся изменить это с помощью технологии стволовых клеток, беря клетки кожи пациента и превращая эти клетки в нейроны. Затем исследователи могут тестировать новые лекарства и изучать развитие заболеваний в этих выращенных в лаборатории нейронах и даже проверять возможность использования этих «персонализированных нейронов» для замены тканей посредством трансплантации для лечения поврежденной части мозга. Однако, хотя биологи уже добились успеха в выращивании крошечных мозгоподобных «органоидов» на основе стволовых клеток в чашках или пробирках для диагностических и терапевтических целей, этим модельным системам еще далеко до представления сложности мозга.

Ученые из Института Солка сообщают о новом подходе, который может разработать более сложные модели органоидов, обеспечив получение ими достаточного количества кислорода и других питательных веществ путем трансплантации грызунам. Произведение, опубликованное в Nature Biotechnology 16 апреля 2018 г. может дать представление о разработке лекарств от заболеваний головного мозга; ускорить тестирование лекарств; и даже проложить путь к тому, чтобы когда-нибудь пересадить здоровые популяции человеческих клеток в мозг людей, чтобы заменить поврежденные или дисфункциональные ткани.

«Мозговые органоиды — мощные инструменты для исследования развития и нарушений человеческого мозга», — говорит старший автор. Расти Гейдж, профессор Лаборатории генетики Солка. «Но в настоящее время они не полностью отражают родную физиологическую среду. Эта работа приближает нас на один шаг к более точному и функциональному представлению человеческого мозга и может помочь нам разработать лучшие методы лечения неврологических и психических заболеваний».

Органоиды мозга, выращенные в культуральных чашках или пробирках, структурно и функционально ограничены, потому что без системы кровеносных сосудов питательные вещества не могут попасть внутрь их трехмерной структуры. Это уменьшает время выживания и сложность органоидов, поскольку клетки не могут подвергаться такому количеству делений, чтобы увеличить их количество или разнообразить тип клеток. Хотя некоторые исследователи пытались устранить эти ограничения, одновременно пересаживая сосудистую ткань на органоиды, этот подход все еще не полностью имитирует клеточное микроокружение реального мозга.

Лаборатория Гейджа стремилась воспроизвести более благоприятную физиологическую среду, пересадив органоиды на основе стволовых клеток человека в область мозга мыши, богатую кровеносными сосудами. Привитые органоиды человека интегрировались в среду хозяина, образовывали как нейроны, так и поддерживающие клетки нейронов, называемые астроцитами, и исследовались иммунными клетками. Примечательно, что команда увидела не только родные кровеносные сосуды, но и сосуды с протекающей по ним кровью — впервые для органоидов.

«Это было большим достижением, — говорит Абед Аль-Фаттах Мансур, научный сотрудник Солка и первый автор статьи. «Мы увидели проникновение кровеносных сосудов в органоид и снабжение его кровью, что было захватывающим, потому что это, возможно, залог долговременного выживания органоидов».

В рамках исследования команда Солка разделила каждый органоид пополам перед трансплантацией и сохранила одну из половин в культуре, чтобы они могли напрямую сравнить преимущества обеих сред. Они обнаружили, что культивированные половинки были заполнены умирающими клетками через несколько месяцев, в то время как соответствующие возрасту органоиды у грызунов были здоровыми.

Чтобы выяснить, были ли пересаженные органоиды функциональными и здоровыми, команда провела тесты визуализации кальция, в которых нейроны производят краситель, когда они возбуждаются. И действительно, нейроны внутри органоидов срабатывали синхронно. Кроме того, команда использовала технику под названием оптогенетика (где клетки реагируют на свет), чтобы подтвердить, что привитые нейроны формируют связи друг с другом и с организмом-хозяином, что также является первым.

«Это указывает на то, что увеличение кровоснабжения не только помогло органоиду дольше оставаться здоровым, но и позволило ему достичь уровня неврологической сложности, который поможет нам лучше понять болезни мозга», — говорит Мансур.

Трансплантация человека животным десятилетиями использовалась в головном мозге и других тканях для повышения выживаемости и проверки зрелой функции.

«Эта работа основана на технике трансплантации, которую я помог разработать в 1984 году», — добавляет Гейдж, заведующий кафедрой Ви и Джона Адлеров по изучению возрастных нейродегенеративных заболеваний. «Отрадно видеть, что он так хорошо работает с органоидами мозга, которые обладают огромным потенциалом для выяснения функции мозга при психоневрологических заболеваниях».

Среди других авторов: Дж. Тиаго Гонсалвес, ранее работавший в Солке, а ныне работающий в Медицинском колледже Альберта Эйнштейна; и Купер В. Блойд, Хао Ли, Сара Фернандес, Дафна Куанг, Стивен Джонстон, Сара Л. Парилак и Синь Джин из Солка.

Работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения (U19 MH106434, U01 MH106882), Семейным фондом Пола Г. Аллена, Бобом и Мэри Джейн Энгман, грантом Благотворительного фонда Леоны М. и Гарри Б. Хелмсли (2012-PG-MED). ), Аннет С. Мерл-Смит, Фонд Дж. Гарольда и Лейлы И. Мазерс, Фонд JPB, Dolby Family Ventures и гранты NIH (R01NS083815, R01AG047669), программа стажировок CIRM Bridges to Stem Cell Research, долгосрочная постдокторская программа EMBO. срочная стипендия (ALTF 1214-2014/Европейская комиссия FP7-Marie Curie Actions, LTFCOFUND2013 и GA-2013-609409) и научная программа Human Frontiers (долгосрочная стипендия HFSP — LT001074/2015).