» » «Карманная» модель мозга

«Карманная» модель мозга


«Карманная» модель мозга

«Карманная» модель мозга

На этой микрофотографии вы видите срез кортикального (от лат. cortex — «кора») органоида — крохотной модели эмбрионального мозга, выращенной в лаборатории из плюрипотентных стволовых клеток. Препарат окрашен флуоресцентными красителями: красным светятся стволовые клетки, зеленым — уже созревшие нейроны, ядра всех клеток окрашены синим. Небольшие полости имитируют желудочки мозга, яркие скопления удлиненных клеток вокруг них — радиальная глия; остальные участки заполнены уже дифференцированными нейронами. Фотография сделана в лаборатории Флоры Ваккарино (Flora Vaccarino) для исследований консорциума PsychENCODE — масштабного проекта по изучению активности генов мозга и ее влияния на ряд психических заболеваний: шизофрению, биполярное расстройство и расстройства аутистического спектра.

Этот миниатюрный мозг из пробирки размером в несколько миллиметров хорошо подходит для исследования развития человеческой нервной системы и некоторых ее заболеваний в режиме реального времени. Человек и его органы, в особенности мозг, плохо подходят для изучения in vivo, поскольку на них сложно поставить эксперимент с соблюдением правил этики. Так что ученые смотрят в основном на данные, полученные от уже мертвых людей, либо же проверяют свои идеи на модельных животных. Кроме этого, исследованиям мозга мешают сложность его строения и большой размер, низкая просвечиваемость для микроскопии, а также принципиальная разница между мозгом человека и других животных. Поэтому появление удобной «карманной» модели пришлось как нельзя кстати — настолько, что журнал Nature Methods объявил органоиды (так назвали искусственно выращенные мини-органы) методом 2017 года.

В основе этой группы методов лежит способность стволовых клеток к управляемой дифференцировке, когда под воздействием факторов роста они дают начало определенной ткани или органу. Для создания органоидов используют индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые получают при перепрограммировании обычных соматических клеток (подробно про этот метод, принесший авторам Нобелевскую премию, см.: Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2012, «Элементы», 10.10.2012). Дальше эти клетки заставляют снова дифференцироваться в определенный тип взрослых клеток (в данном случае — в нейроны) и расти в чашках Петри.


«Карманная» модель мозга

Схема, иллюстрирующая применение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), полученных из разных источников (гепатоцитов — клеток печени, кератиноцитов — клеток эпидермиса, фибробластов дермы, клеток крови). Стволовые клетки дифференцируются в нейроны, формируя органоид, который можно использовать для моделирования заболеваний, исследования лекарств, клеточной терапии. Рисунок из статьи J. El Hokayem et al., 2016. Blood Derived Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs): Benefits, Challenges and the Road Ahead


Используя разные вещества и варианты методик, можно добиться как однородного клеточного потомства, так и сложносоставных образований с разными типами клеток. Например, недавно у ученых получилось создать органоиды кожи: как и настоящий эпителий, они состоят из нескольких слоев и даже имеют волосяные фолликулы. Бывают также органоиды для желудка, кишечника, печени и даже для такого непростого для воспроизведения органа как почки.

Первопроходцами в создании органоидов мозга стали японские ученые, показавшие в 2008 году, что из эмбриональных стволовых клеток самопроизвольно могут формироваться слоистые шарики из нейронов, где каждый слой клеток будет соответствовать слою клеток человеческой коры головного мозга. Кроме того, они научились управлять развитием таких органоидов, добавляя в питательную среду разные факторы роста. В дальнейшем исследователи научились выращивать не только кору, но и весь мозг целиком. Органоид, имитирующий кору больших полушарий, называют кортикальным, имитирующий целый мозг — церебральным (лат. cerebrum — «мозг»).


«Карманная» модель мозга

a — одна из методик для выращивания церебральных органоидов, описанная Маделин Ланкастер (Madeline Lancaster) и ее коллегами. Для начала плюрипотентные клетки высаживают в конические пробирки и культивируют несколько дней. За это время они формируют так называемые эмбриональные тела, которые при пересадке на специальную среду в чашку Петри начинают дифференцироваться в нервную ткань. Для продолжения дифференцировки их пересаживают еще раз в каплю матригеля (желатинообразную белковую смесь, см. Matrigel) и затем помещают на постоянное место жительства в биореактор. Есть и альтернативные способы культивации «микромозга» — например, без использования биореактора или с другими веществами-факторами дифференцировки. Такие органоиды могут вырасти размером до нескольких миллиметров и прожить от начала развития три-четыре месяца. b — фото ткани для каждой стадии; длина масштабных отрезков 200 нм. c — срез церебрального органоида. Внешне он не очень похож на эмбриональный мозг, но при помощи специфических антител там можно обнаружить аналоги заднего, среднего и двух долей переднего мозга (окраска флуоресцентными красителями как на заглавном фото). Рисунок из статьи M. Lancaster et al., 2013. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, фото сделано в той же лаборатории и взято с сайта nature.com


Такие органоиды в целом неплохо имитируют эмбриональные стадии развития мозга и могут быть использованы в ряде исследований. Например, на церебральных органоидах можно изучать микроцефалию. Это заболевание проявляется на ранних этапах развития мозга и ведет к уменьшению его размеров и другим последствиям. Оно может иметь генетическую природу или провоцироваться вирусом Зика (см. картинку дня Вирус Зика). Интересно, что органоиды, выращенные из перепрограммированных фибробластов пациента с генетической формой микроцефалии получились меньшего размера, чем выращенные из фибробластов здорового человека.


«Карманная» модель мозга

«Карманная» модель мозга

Строение кортикальных органоидов. Развитие органоидов из клеток-предшественников во многом повторяет развитие настоящего эмбрионального мозга. Сперва появляются розетковидные структуры (слева вверху), аналогичные зачатку нервной трубки. Впоследствии клетки незрелого органоида разделяются по слоям, соответствующим слоям эмбрионального мозга (справа вверху): вентрикулярному (VZ), непосредственно прилегающему к полости желудочка (лат. ventriculum) и субвентрикулярному (SVZ). Эти слои состоят из внутренних (vRG) и внешних(oRG) клеток радиальной глии, которые могут дифференцироваться дальше и мигрировать во внешние слои нейронов коры, формирующие аксоны и взаимодействующие между собой. В субвентрикулярном слое можно заметить два подслоя (собственно SVZ и внешний слой OSVZ) — эта особенность характерна для человеческого мозга, у мышей, например, такого разделения нет. Внизу показано, как розетки могут выглядеть под микроскопом при окрашивании разными флуоресцентными красителями; длина масштабного отрезка 10 нм. Рисунок из статьи E. Di Lullo, A. R. Kregstein, 2017. The use of brain organoids to investigate neural development and disease, левое фото с сайта лаборатории Флоры Ваккарино medicine.yale.edu, правое — из статьи J. Mariani et al., 2015. FOXG1-Dependent Dysregulation of GABA/Glutamate Neuron Differentiation in Autism Spectrum Disorders


Помимо исследования заболеваний органоиды подходят для наблюдения за эмбриональным развитием. Ученые из консорциума PsychENCODE сравнили уровни активности множества генов в органоидах, имитирующих кору головного мозга, и в образцах мозга погибших эмбрионов и выяснили, что лучше всего органоиды подходят для изучения коры мозга на 5–16 неделях после зачатия — паттерны экспрессии генов на этих стадиях точно повторялись во время роста органоидов. Еще один вариант применения органоидов — тестирование лекарств на максимально приближенной к реальности модели.

Конечно, при помощи органоидов вряд ли получится вырастить полноразмерный мозг: неизбежно возникнут проблемы со снабжением ткани кислородом, да и работа его отдельно от тела наверняка будет не очень показательна. Кроме того, такие выращенные в лабораториях структуры не годятся для трансплантации. Среди преимуществ органоидов перед другими моделями можно назвать их сложную организацию, с высокой точностью имитирующую настоящий человеческий мозг, удобство культивации и «индивидуальный подход»: они позволяют сделать модель мозга конкретного человека с конкретными генетическими особенностями, не залезая внутрь его черепа. Помимо этого, органоиды позволяют наблюдать за развитием мозга на протяжении времени.

Фото © Vaccarino Lab, Yale University с сайта sciencenews.org. На сайте лаборатории Флоры Ваккарино можно посмотреть на другие, не менее прекрасные фотографии органоидов.

Вера Мухина

10 август 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

ДНК-кометы

Перед вами — необычные «кометы»: каждая комета — это ДНК отдельной клетки, и чем больше повреждений в этой ДНК, тем больше у кометы хвост...

Основные данные по "китайскому вирусу"

Мутация вирусовДля описания мутации вирусов необходимо ограничить круг описываемых явлений. В данной работе речь идет о мутации двух известных на данный момент расе Людей вирусов, так называемого

Красота человеческого мозга от Грага Данна

Фотохудожник-нейрохирург Граг Данн воспевает в своих работах красоту человеческого мозга. Не зря этот орган называют самой сложной структурой во Вселенной, глядя на эстетику и величественную красоту

Изображения мозга, полученные учеными Эдинбургского университета

Удивительные яркие изображения наглядно показывают нам красоту и сложность мозга. Фотографии демонстрируют ведущие исследования ученых Эдинбургского университета, которые стремится улучшить наше
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладNASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераЧто происходит с океанами Земли?