Ученым из Института молекулярной генетики Общества Макса Планка (MPIMG) удалось вырастить органоиды, напоминающие кору головного мозга человека. Стволовые клетки позволили получить клетки внешней радиальной глии (oRG), играющие важную роль в развитии полушарий мозга приматов. Результаты исследования опубликованы в Nature Cell Biology.
Credit: Sneha Arora, MPIMG
Органоиды — это модифицированные клеточные структуры, позволяющие создавать миниатюрные версии органов и тканей, таких как печень, кишечник, мозг или некоторые виды опухолей. Такие модели позволяют проводить крупномасштабные исследования в области развития, болезней и будущих методов лечения без необходимости полагаться на целостный организм.
В своем исследовании группа ученых из Института молекулярной генетики Общества Макса Планка (MPIMG) смогла создать нейронные органоиды, напоминающие кору головного мозга человека. Среди различных слоев, образовавшихся в ходе развития мини-мозга, исследователи обнаружили клетки внешней радиальной глии (oRG) – специализированные стволовые клетки, которые необходимы для характерного расширения полушарий мозга у людей и обезьян.
Нейронные органоиды можно выращивать из образцов разных типов тканей: эмбриональных стволовых клеток, индуцированных плюрипотентных стволовых клеток или зрелых клеток организма, которые были запрограммированы на обратное превращение в стадию эмбриональных стволовых клеток. Однако одна из главных проблем состояла в том, что нейронные культуры органоидов оказываются очень разнородными, а стволовые клетки, из которых строятся эти органоиды, со временем меняют свою конфигурацию. Поэтому основной задачей ученых стало создание очень чистой культуры стволовых клеток нервной системы, которые способны создавать многослойные нейронные органоиды с правильными типами клеток в нужных местах мини-мозга.
Как и другие исследовательские группы ранее, исследователи использовали ингибиторы – химические препараты, которые сообщают развивающейся клетке «во что не превращаться», чтобы она в конечном итоге выбрала правильный путь. Они обнаружили, что необходимо заблокировать три разных сигнальных пути, чтобы стволовые клетки превращались в клетки коры через несколько недель.
«Ключевым моментом было сочетание двойного ингибирования SMAD и WNT, оба из которых ранее использовались в основном по отдельности», — говорит Снеха Арора (Sneha Arora), одна из ведущих авторов статьи. По ее словам, время и дозировка лекарств имеют решающее значение.
По итогу исследователям удалось последовательно генерировать кортикальные органоиды с высоким процентом точности. Ученые смогли воспроизвести клеточное многообразие в каждом органоиде. Также они подтвердили, что каждый органоид способен сохранять множество различных типов клеток, при этом имея минимальное количество различий между собой, с помощью окрашивания тканей и секвенирования РНК отдельных клеток.
Помимо этого авторы смоделировали различные заболевания, связанные с развитием нервной системы – например, микроцефалию. Для этого они нарушали строго регулируемый процесс развития коры головного мозга. Ранние нейронные клетки-предшественники должны найти баланс между достаточной степенью обновления и способностью к дифференцировке.
Таким образом, полученные результаты обеспечивают платформу для дальнейшего применения в фундаментальных исследованиях, фармакологических испытаниях или в клинике. Ученые считают, что создание органоидных моделей заболеваний значительно продвинет исследования.
Текст: Денис Бурляй
Enhanced cortical neural stem cell identity through short SMAD and WNT inhibition in human cerebral organoids facilitates emergence of outer radial glial cells by Daniel Rosebrock et.al. in Nature Cell Biology. Published June 2022. https://doi.org/10.1038/s41556-022-00929-5
