Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 243: крысам пересадили человеческий «мини-мозг», который прижился

Уже сегодня из стволовых клеток ученые «выращивают» сосуды и кожу, идут разработки по созданию тканей сердца и желудка, костей, почек и легких. Даже образцы ушной раковины на спине крысы, выращенного глаза и простаты существуют в недрах лабораторий. А возможно ли вырастить «в пробирке» жизнеспособный мозг? Ученые из Стэнфордского Университета США вживили новорожденным крысятам нейронный органоид, полученный из стволовых клеток человека. МРТ показала, что трансплантат прижился, вырос и стал подавать сенсорные сигналы, которые контролировали поведение грызунов. Новое исследование опубликовано в журнале Nature.

Изображение органоида в коре головного мозга крысы спустя 8 месяцев после трансплантации. Credit: Omer Revah et al / Nature 2022

Перед учеными всегда стояла глобальная проблема, состоящая в отсутствии доступа к мозговой ткани, особенно в контексте различного рода заболеваний. Поэтому был изобретен «мини-мозг» или органоид, который представляет собой небольшой кусочек вещества, выращенный из стволовых клеток в чашке Петри. Размер такого органоида –  обычно не больше горошины или булавочной головки и имитирует определенную область мозга. Более подробно об органоидах мы писали ранее.

Credit: Dr Adam O’Neill

Трансплантация подобного органоида позволила бы наблюдать за процессами изнутри, так как в органоидах клетки не формируют сложных нейронных цепей, а при вживлении они способны взаимодействовать с другими клетками организма. Профессор Серджиу Паска (Sergiu P. Pașca) и его коллеги пересадили новорожденным крысятам мозговые органоиды в первые недели жизни. Подобные исследования делались и ранее, но те эксперименты проводились со взрослыми особями, что не раскрывало полной картины.

Дизайн эксперимента. hCO (нейронный органоид), полученный из hiPS cell (стволовых клеток человека), трансплантирован новорожденным крысятам в область первичной соматосенсорной коры (S1) головного мозга. Credit: Omer Revah et al / Nature 2022

Через три месяца трансплантат увеличился в девять раз. А спустя 8 месяцев после начала эксперимента он прижился полностью, вырос, встроился в структуру головного мозга (появились сосуды и клетки микроглии), и возросло число нейронных связей с мозгом крысы. 

Также ученые показали, что связи во вживленном органоиде (t-hCO) оказались более крепкими, чем в органоиде «из пробирки» (hCO). В трансплантируемом органоиде происходило усиление регуляции наборов генов, связанных с созреванием нейронов, например, для синаптической передачи сигналов. Дендриты были более ярко выражены, имели большую плотность, а по длине превосходили образцы «в пробирке» в шесть раз. Инъекции тока вызывали более высокие скорости возбуждения в нейронах t-hCO по сравнению с нейронами hCO.

Нейрон органоида «из пробирки» (hCO) и трансплантированного органоида (t-hCO) через 8 месяцев после вживления Credit: Omer Revah et al / Nature 2022

Крысам вживляли электроды (крысы пили при генерации синего цвета) и даже стимулировали усы с помощьюдвижения воздуха. И всегда этот участок мозга давал обратную реакцию.

Способность t-hCO воспроизводить продвинутые морфологические и функциональные особенности в нейронах коры головного мозга человека побудило ученых проверить, можно ли использовать t-hCO для выявления фенотипов заболеваний. Были выращены органоиды из стволовых клеток больного с синдромом Тимоти — генетическим заболеванием, связанным с поражением сердечно-сосудистой системы. И эти органоиды отличались от органоидов, выращенных из стволовых клеток здорового человека.

Все это поможет в дальнейшем изучать патологии, связанные с психическими расстройствами, находить пути лечения и производить лекарства для борьбы со многими заболеваниями.

Текст: Александра Безродная

Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids Sergiu P. Pașca, Omer Revah, et al. in Nature. Published October 2022.

DOI: 10.1038/s41586-022-05277-w