Выращенные в лаборатории мини-мозги проливают свет на природу детской эпилепсии

Исследование Парижского института мозга

Иллюстрация от автора исследования, нейробиолога Марины Малети?с: органоид головного мозга.

Французские исследователи выращивали органоиды головного мозга.

Напомним. За последние годы биологи создали большое число органоидов - миниатюрных подобий органов (в т.ч. и мозга), выращенных из культур перепрограммированных стволовых клеток. В наши дни такие клеточные структуры используют как для испытания лекарств, так и для изучения работы различных тканей тела и связанных с ними участков ДНК.

Процитируем биолога Кирилла Стасевича, статью которого ранее мы публиковали: "Если речь идёт о мозге, то тут органоид представляет собой микрофрагмент коры – ансамбль клеток....Органоиды чрезвычайно полезны: клетки в них формируются в трёхмерной обстановке, их со всех сторон окружают другие клетки, с которыми они обмениваются сигналами, – и это более естественная ситуация, чем когда клетки растут слоем на какой-нибудь поверхности и просто болтаются в неупорядоченной взвеси. Объёмность органоида очень сильно приближает его к настоящему органу, и во многих отношениях он и ведёт себя как настоящий орган."

( см. vk.com/wall-198541633_9206 ).

Перейдём к публикации Парижского института мозга.

Почему одна и та же генетическая мутация вызывает тяжелую аномалию развития головного мозга у одних пациентов, а у других — нет? Исследователи из группы MOSAIC в Парижском институте мозга создали мозаичные кортикальные органоиды человека с мутациями в гене DEPDC5, чтобы смоделировать очаговую кортикальную дисплазию — аномалию развития головного мозга, вызывающую лекарственно-устойчивую эпилепсию у детей.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Brain, показано, что для воспроизведения признаков очаговой кортикальной дисплазии необходима биаллельная инактивация этого гена [инактивация обоих аллелей гена], а также определены ключевые механизмы этого процесса.

Marina Maletic et al, Mosaic human cortical organoids model mTOR-related focal cortical dysplasia through DEPDC5 deletion, Brain (2026). DOI: 10. 1093/ brain/ awag086.

Во Франции около 700 000 человек страдают эпилепсией. Почти половине из них меньше 20 лет, и каждому третьему доступные лекарства не помогают. В некоторых случаях приступы вызваны структурной аномалией головного мозга: фокальной кортикальной дисплазией II типа ( FCDII) — пороком развития, нарушающим организацию нервных клеток в коре головного мозга. Для таких пациентов единственным вариантом лечения часто является хирургическое вмешательство — удаление очага, вызывающего приступы, — с переменными результатами и значительными рисками.

FCDII относится к группе заболеваний, известных как «mTOR-патологии», вызванных мутациями в генах, которые регулируют рост и дифференцировку клеток посредством сигнального пути mTOR. Эти мутации могут затрагивать различные типы клеток развивающегося мозга — нейроны, астроциты или олигодендроциты, — приводя к мозаичному паттерну: в одних клетках мутация присутствует, в других — нет.

Новая экспериментальная модель: мозаичные мини-мозги

Чтобы раскрыть механизмы, лежащие в основе FCDII, команда Mosaic из Парижского института мозга разработала новый экспериментальный подход. Исследователи взяли клетки крови у молодого пациента с мутацией в гене DEPDC5 — одном из основных генов, связанных с FCDII, — и у его здорового брата, который выступил в качестве контрольной группы.

Эти клетки были перепрограммированы в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), а затем были превращены в клетки, составившие органоиды коры головного мозга человека — крошечные трехмерные структуры диаметром в несколько миллиметров, которые воспроизводят ключевые этапы развития человеческого мозга.

«Мышиные модели этого состояния существовали, но они не в полной мере отражали все сложности, с которыми сталкиваются пациенты. В развитии коры головного мозга человека есть особенности, которых просто нет у мышей», — объясняет Марина Малетис, ведущий автор исследования, работавшая над этим проектом в рамках своей докторской диссертации.

«Итак, мы создали мозаичные органоиды человека, смешав клетки с двумя мутировавшими копиями гена DEPDC5 с клетками, у которых была только одна мутировавшая копия. Это позволяет нам воссоздать генетическую ситуацию, наблюдаемую в мозге пациентов».

В течение шести месяцев команда исследователей сравнивала три типа органоидов: контрольные (здоровые) органоиды, гетерозиготные органоиды (с одной копией мутировавшего гена) и так называемые мозаичные органоиды. Такое продольное сравнение позволило ученым определить, какие аномалии требуют полной инактивации гена.

Аргументы в пользу механизма «двух ударов»

Полученные данные созвучны хорошо известной в генетике теоретической концепции — модели «двух ударов», предложенной американским генетиком Альфредом Г. Кнудсоном в 1971 году, — которая применима и к очаговой кортикальной дисплазии. Согласно этой модели, для развития заболевания необходимы два последовательных «удара» по ДНК.

«Одной унаследованной мутации в гене DEPDC5 недостаточно для развития FCDII. Патологический процесс запускается в результате второй спонтанной мутации — в конкретной клетке в определенный момент развития мозга», — объясняет Стефани Болак, руководитель группы Mosaic.

Действительно, только мозаичные органоиды воспроизводили характерные признаки заболевания: аномально крупные нейроны, скопление нейрофиламентов и гиперактивацию сигнального пути mTOR.

«Полная потеря гена DEPDC5 в части нервных клеток является необходимым и достаточным условием для развития заболевания. Степень поражения зависит от мозаичности — другими словами, от того, сколько клеток подверглось второму удару», — резюмирует Малетис.

Развитие мозга нарушено с самых ранних этапов

Чтобы понять, как мутация влияет на развитие мозга, исследователи изучили клеточное состояние органоидов в три ключевых периода развития — через месяц, три месяца и шесть месяцев — с помощью метода секвенирования РНК отдельных клеток.

Такой подход позволяет определить, какие гены активны в каждой отдельной клетке в конкретный момент времени, и таким образом выявить нарушения, которые в противном случае остались бы незамеченными.

Кора головного мозга человека формируется в соответствии с четким графиком: одни типы нейронов появляются раньше, другие — позже. Исследователи обнаружили, что этот график нарушался с самого первого месяца, даже в органоидах, содержащих всего одну мутировавшую копию гена: нейроны в верхних слоях коры появлялись раньше времени.

За этим ускорением стоит потеря DEPDC5, которая приводит к аномальной активации генов, регулирующих темпы созревания нервных клеток, в частности тех, которые участвуют в двух основных путях клеточной коммуникации, Notch и Wnt, регулирующих баланс между пролиферацией стволовых клеток и их дифференцировкой в ??зрелые нейроны.

Измеримая гиперактивность нейронов

Наконец, с помощью многоэлектродной матрицы была зафиксирована спонтанная электрическая активность шестимесячных органоидов. Мозаичные органоиды демонстрировали поразительную гиперактивность: их нейроны возбуждались чаще и охватывали более обширную область, чем нейроны органоидов контрольной группы или гетерозиготных органоидов, что указывает на патологическую повышенную возбудимость нейронной сети.

«На самом деле нельзя говорить об эпилепсии в контексте органоида. Это всего лишь модель, а не реальный пациент! Но мы считаем, что эта аномальная электрическая активность является аналогом эпилептических припадков у людей. Это дополняет наше описание патологического процесса», — добавляет Малетис.

Новые возможности для исследований и лечения

Учёные предполагают, что выявленные в этом исследовании гены, связанные с эпилепсией и имеющие нарушенную регуляцию, могут представлять собой новые терапевтические мишени, а не только дать свой вклад в понимание FCDII.

В более широком смысле мозаичные органоиды открывают возможности для моделирования других мозаичных пороков развития головного мозга, изучению которых долгое время мешала недоступность для исследования тканей человеческого мозга.

«Это отличная модель, которая в конечном итоге позволит внедрить прецизионную медицину. Выращивая в лаборатории мини-мозги из собственных клеток пациента, мы сможем протестировать различные лечебные методы и определить, какой из них лучше всего подходит конкретному человеку, не используя его мозг для исследования», — заключает она.

[Прецизионная медицина — это направление медицины, в котором используют клинические, молекулярные, геномные и другие данные, связанные со здоровьем, для принятия решений в области профилактики, диагностики и лечения с учётом индивидуальных особенностей пациента. Цель — предоставить пациентам персонализированные медицинские вмешательства, которые лучше всего подходят для них. ].

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: