Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 166: чем нейроны искусственного «мини-мозга» отличаются от нейронов настоящего мозга?

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).

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1962-0

Источник: neuronovosti.ru

Комментарии: