Первый метод культивирования стволовых клеток, позволяющий получить полную модель ранних стадий развития центральной нервной системы человека, был разработан командой инженеров и биологов из Мичиганского университета, Научного института Вейцмана и Пенсильванского университета.
«Подобные модели откроют двери для фундаментальных исследований , чтобы понять раннее развитие центральной нервной системы человека и то, как она может пойти не так при различных заболеваниях», — сказал Цзяньпин Фу, профессор машиностроения Университета УМ и автор исследования в журнале Nature .
Система представляет собой пример трехмерного человеческого органоида — культуры стволовых клеток, которые отражают ключевые структурные и функциональные свойства систем органов человека, но являются частичными или иным образом несовершенными копиями.
«Мы пытаемся понять не только основную биологию развития человеческого мозга, но и болезни — почему у нас возникают заболевания, связанные с мозгом, их патологию и как мы можем придумать эффективные стратегии их лечения», — сказал Го-Ли Мин, который Вместе с Хунджуном Сонгом, профессорами нейробиологии в Университете Пенсильвании и соавторами исследования, они разработали протоколы выращивания и управления клетками и охарактеризовали структурные и клеточные характеристики модели.
Например, органоиды, разработанные с использованием стволовых клеток, полученных от пациента, могут использоваться для определения того, какие лекарства предлагают наиболее успешное лечение.
Органоиды головного и спинного мозга человека уже используются для изучения неврологических и психоневрологических заболеваний, но они часто имитируют одну часть центральной нервной системы и дезорганизованы. Новая модель, напротив, воспроизводит развитие всех трех отделов эмбрионального головного и спинного мозга одновременно, чего не было достигнуто в предыдущих моделях.
Кредит: Мичиганский университет.
«Сама по себе система действительно новаторская», — сказала Орли Райнер, профессор кафедры нейрохимии Берштейна-Мейсона в Вейцмане и соавтор исследования, разработавшего клеточные инструменты для идентификации типов нервных клеток в модели. «Модель, имитирующая эту структуру и организацию, ранее не создавалась, и она предлагает многочисленные возможности для изучения развития человеческого мозга и особенно заболеваний головного мозга, связанных с развитием».
Хотя модель верна многим аспектам раннего развития головного и спинного мозга, команда отмечает несколько важных отличий. Во-первых, формирование нервной трубки — самая первая стадия развития центральной нервной системы — сильно отличается. Модель нельзя использовать для моделирования заболеваний, возникающих из-за неправильного закрытия нервной трубки, таких как расщелина позвоночника.
Вместо этого модель началась с ряда стволовых клеток размером примерно с нервную трубку, обнаруженную у 4-недельного эмбриона — около 4 миллиметров в длину и 0,2 миллиметра в ширину. Команда прикрепила клетки к чипу с крошечными каналами, которые команда использовала для введения материалов, которые позволяли стволовым клеткам расти и направляли их к построению центральной нервной системы.
Затем команда добавила гель, который позволял клеткам расти в трех измерениях, и химические сигналы, которые подталкивали их к превращению в предшественников нервных клеток. В ответ клетки сформировали трубчатую структуру. Затем команда ввела химические сигналы, которые помогли клеткам определить, где они находятся внутри структуры, и перейти к более специализированным типам клеток.
В результате система организует себя так, чтобы имитировать передний, средний, задний и спинной мозг таким образом, что отражает эмбриональное развитие.
«Для инженера самой сложной задачей является изучение развития нейронов и биологии стволовых клеток», — сказал Сюфэн Сюэ, первый автор исследования и научный сотрудник в области машиностроения в UM. «Это была командная работа с замечательными сотрудниками из UPenn и Weizmann».
Команда выращивала клетки в течение 40 дней, моделируя развитие центральной нервной системы примерно через 11 недель после оплодотворения. За это время команде удалось продемонстрировать роль конкретных генов в развитии спинного мозга и узнать, как определенные типы клеток ранней нервной системы человека дифференцируются в разные клетки со специализированными функциями.
«Во многих случаях модели на животных просто не воспроизводят ни характеристики, ни степень тяжести заболеваний головного мозга человека, таких как микроцефалия», — сказал Сонг. «Даже приматы, кроме человека, не одинаковы. Поэтому в контексте биологии заболеваний и стратегий лечения модель клеток человека практически незаменима».
Команда планирует применить эту модель для изучения различных заболеваний головного мозга человека с использованием стволовых клеток, полученных от пациентов .
Сюэ надеется и дальше использовать эту модель для изучения взаимодействия между различными частями мозга в процессе развития. Он также заинтересован в изучении того, как мозг посылает инструкции по движению через спинной мозг . Это направление исследований, которое могло бы пролить новый свет на такие расстройства, как паралич, потребует от нейронов объединения в рабочие цепи, чего в этом исследовании не наблюдалось.
Инсу Хён, специалист по биоэтике из Музея науки в Бостоне, который не участвовал в исследовании, отмечает, что подобные эксперименты тщательно изучаются, прежде чем им будет разрешено двигаться дальше.
«Исследовательские группы должны четко понимать, на какой научный вопрос они пытаются ответить, и что степень развития, которую они допускают в модели, является минимальной для ответа на этот вопрос», — сказал он.
Модель не включает в себя периферические нервы или функционирующие нейронные схемы — функции, которые имеют решающее значение для способности человека воспринимать окружающую среду и обрабатывать этот опыт.
