Чуть больше года назад в научных журналах появились работы, сообщающие о получении искусственных «мини-мозгов» в лабораторных условиях. Исследователям удалось на основе стволовых клеток получить миниатюрные «мини-мозги», по строению близкие к коре головного мозга млекопитающих (подкорковые структуры в искусственно выращенных органоидах отсутствовали). Казалось бы, идеальная модель для изучения процессов в коре головного мозга на молекулярном уровне наконец получена. Но оказалось, что не все так просто: как показало недавнее исследование, опубликованное в Nature, клетки искусственно выращенных «мини-мозгов» по паттернам экспрессии генов существенно отличаются от клеток реального мозга.
Credit: MADELINE ANDREWS/ARNOLD KRIEGSTEIN LAB/UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN FRANCISCO
Мини-мозги, выращенные из стволовых клеток буквально в чашке Петри, произвели фурор среди нейробиологов. Оказалось, что по своему строению искусственно полученный органоид очень близок к коре головного мозга млекопитающих и, следовательно, может служить удобной моделью для изучения разнообразных процессов в коре головного мозга на уровне отдельных молекул и заболеваний центральной нервной системы. У них даже успели зарегистрировать активность нейронов, похожую на активность мозга младенцев.
Недавно опубликованное исследование, впрочем, продемонстрировало, что искусственные «мини-мозги» все же существенно отличаются от настоящего мозга на уровне экспрессии генов в отдельных нейронах. Ученые из Университета Калифорнии устанавливали, какие гены активны в отдельных нейронах, взятых из мозгов человеческих эмбрионов от 6 до 22 недели развития. Полученные профили экспрессии генов сравнивались с таковым для нейронов искусственно выращенных органоидов.
Если рассматривать широкие категории клеток мозга, а именно нейроны и глиальные клетки без деления на подтипы, то паттерны экспрессии генов в реальном мозге и органоиде примерно совпадают. Но если подойти к вопросу внимательнее и начать сравнивать профили экспрессии генов в подтипах клеток головного мозга, например, клетках внешней радиальной глии, то между реальным мозгом и искусственным «мини-мозгом» обнаруживаются существенные различия.
Оказалось, что клетки органоидов еще не достаточно специализированы и не синтезируют белки-маркеры отдельных типов клеток мозга. Поскольку головной мозг состоит из клеток множества типов и подтипов, отсутствие существенных различий между группами клеток органоидов сильно ограничивает их применение как модели человеческого мозга.
С чем же может быть связана «незрелость» клеток органоидов, из-за которой они не экспрессируют молекулярные маркеры отдельных типов и подтипов клеток мозга? Исследователи предполагают, что одной из причин может стать стресс, связанный с выращиванием органоидов в чашке Петри: все-таки в черепной коробке мозгу гораздо уютнее, чем на пластиковой подложке. Действительно, в клетках органоидов, растущих в чашке Петри, выявляются маркеры метаболического стресса, которые исчезают при пересадке в мышиный мозг. Кстати, пересадка в более «привычные» условия решает и проблему незрелости клеток органоидов: после пересадки они наконец завершают свою дифференцировку в клетки определенного типа.
Вероятно, исследователям стоит еще поработать над составом питательной среды, применяющейся для выращивания «мини-мозгов», чтобы сделать окружающие их условия максимально приближенными к естественным. В частности, многие ученые выращивают органоиды в среде с повышенным содержанием глюкозы, что соответствует скорее мозгу диабетика, чем мозгу развивающегося эмбриона.
Кроме того, в лабораторных условиях клетки органоидов сталкиваются с слишком высоким уровнем кислорода. Впрочем, эту проблему довольно просто решить, если оснастить инкубатор, в котором выращиваются органоиды, устройством, контролирующим уровень кислорода. Так что будем надеяться, что дальнейшее усовершенствование методики выращивания органоидов поможет сделать их ближе к настоящему мозгу.
Текст: Елизавета Минина
Bhaduri, A., Andrews, M.G., Mancia Leon, W. et al. Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification. Nature 578, 142–148 (2020).
Этот прекрасный флуоресцентный «астероид» представляет собой мини-брейн, органоид корковой ткани головного мозга человека из тех, что авторы статьи в последнем номере Sciencе использовали для выяснения…
Ученые из калифорнийского Института Солка имплантировали органоиды человеческого мозга в кору головного мозга живых мышей. «Мини-брейн» полностью функционален и питается от кровеносной системы мозга грызуна-носителя….
В рубрике «Картинка дня» мы уже показали вам фотографию аксона, растущего строго к северному полюсу приложенного магнита. Статья, опубликованная в журнале Американского химического общества Nano…
Перед вами — очередной мини-мозг, органоид клеток нервной системы, выращенных из нейрональных стволовых клеток. При этом выращенный не просто так. 15 дней он выращивался в…
Как пишут авторы этой фотографии, «Одно дело обнаружить участки в геноме, связанные с психическими расстройствами; совсем другое — обнаружить биологические механизмы, с помощью которых эти…
Нейросферы или мини-брейны используются в экспериментах уже достаточно давно. Ведутся даже дискуссии об этичности этих экспериментов, а недавно удалось установить, что мини-брейны проявляют электрическую активность,…
Перед вами — фотография мини-мозга. Или, как принято называть это в научных публикациях, мини-брейна или органоида мозга. Этот «орган из пробирки», конечно, не мыслит, выращенную…
Относительно недавно ученые смогли не просто выращивать однослойные культуры клеток – теперь им доступно выращивание «3D-культур», которые могут даже быть устроены внутри почти как реальные…
Мы продолжаем серию блиц-интервью, которые мы взяли у участников форума Baikal Neuroscience Meeting, который состоялся в июне 2019 года в поселке Большие Коты на берегу…
Мы cовместно с порталом Indicator.Ru продолжаем рассказ о новостях нейронаук с конференции Society for Neuroscience 2019. Сегодняшнее исследование стоит на стыке новых технологий изучения мозга и…
