Проблема мини-мозгов

Выращивание органоидов из плюрипотентных стволовых клеток (ПСК) – развивающаяся и весьма перспективная технология в нейронауке. Органоиды обычно используются для того, чтобы изучать развитие нервной системы и влияние на нее различных неврологических заболеваний. Однако технология их выращивания имеет некоторые недостатки, связанные с проблемой качества получаемых структур, что, в свою очередь, влияет на достоверность результатов дальнейших исследований. Удачное, по мнению американских ученых, решение предлагается в новой работе, опубликованной в Stem Cell Reports. 

Credit: Watanabe M. et al. Stem Cell Reports

Мини-мозги (мини-брейны) – органоиды, копирующие строение головного мозга. Они представляют собой трехмерные структуры со схожей с реальным мозгом пространственной организацией, разнообразными популяциями нейронов и глиальных клеток. Такие структуры лучше демонстрируют характеристики развивающегося человеческого мозга in vivo, чем двумерные культуры, выращиваемые in vitro.

Органоиды, или сфероиды, обычно используются для моделирования различных неврологических расстройств, которые влияют на рост мозга, а также более сложных заболеваний, которые главным образом влияют на формирование и функционирование нервной цепи. Этот метод также помогает в подборе оптимальных методовтерапии этих расстройств. Преимущества данной технологии перед другими методами, использующимися для этих целей, мы отмечали ранее. 

Однако технология выращивания органоидов не лишена некоторых недостатков. Основная проблема состоит в том, что методика не стандартизована, то есть даже соседние лаборатории, находящиеся в одном здании, могут вырастить совершенно разные органоиды, используя, казалось бы, одинаковый способ. Это, в свою очередь, порождает вопросы о достоверности результатов экспериментов, получаемых при работе с органоидами.

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) в своей работе предлагают важное замечание к выращиванию органоидов, основываясь на проведенном ими исследовании. Результат их работы в перспективе поможет избавиться от двух главных недостатков технологии, мешающих использовать ее в полную силу: выращивание разных по форме и структуре сфероидов при использовании одной и той же методики. 

Выращивание мини-брейна начинается с того, что исследователи путем молекулярно-генетических манипуляций превращают клетки кожи или крови человека в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (induced pluripotent stem cells, iPCS). Из этого же типа клеток в процессе эмбрионального развития формируются все остальные типы клеток человеческого организма. Затем полученные iPCS снова программируют на развитие из них нервных стволовых клеток (НСК). По мере формирования эти клетки, в свою очередь, можно заставить агрегировать в трехмерные органоиды. 

Однако исследователи обнаружили, что зрелость НСК будет сильно влиять на качество выращенного органоида: находящиеся на ранней стадии развития НСК продуцируют органоиды лучше всего. Таким образом, для получения качественного органоида необходимо сохранять молодость, незрелость органоида. 

Лучший способ сохранить молодость НСК – это их выращивание в чашке с клетками кожи мыши – питательными фибробластами. Но использование этих клеток может сделать органоиды менее подходящими для разработки клеточной терапии по замене больных или поврежденных нервных тканей. 

В поисках альтернативы авторы исследования обратились к методам секвенирования РНК и компьютерному анализу, пытаясь определить генетические различия между стволовыми клетками, производящими качественные и некачественные органоиды. В результате исследователи идентифицировали четыре молекулы, принадлежащие к суперсемейству TGFβ – трансформирующий фактор роста бета. Добавление в среду именно этих молекул удерживает НСК в незрелой форме и позволяет производить высококачественные, хорошо структурированные органоиды. 

Таким образом, авторы смогли удалить клетки мышей из среды, сохранив некоторые из преимуществ для формирования органоидов, что добавляет эффективности в изучение и разработку методов лечения сложных неврологических заболеваний.

Текст: Анна Удоратина

TGFβ superfamily signaling regulates the state of human stem cell pluripotency and capacity to create well-structured telencephalic organoids by Watanabe M. et al. Stem Cell Reports. Published September 2022.

DOI: 10.1016/j.stemcr.2022.08.013