Ученые впервые вырастили «мини-мозги» из ткани головного мозга человеческого плода

Впервые ученые вырастили церебральные органоиды — трехмерные, выращенные в лаборатории «мини-мозги» — из ткани головного мозга человеческого плода. Новые органоиды выросли до размеров рисового зерна и содержали множество типов клеток, которые самоорганизовывались в сложные трехмерные структуры. Исследователи также спровоцировали рост опухолей головного мозга в мини-мозге и проверили реакцию опухолей на существующие лекарства от рака. 

Мини-мозги имитируют ключевые аспекты развития и функционирования полноценного человеческого мозга. Ранее их выращивали из стволовых клеток человека, но никогда непосредственно из уже сформированной ткани мозга, поэтому новые органоиды открывают захватывающие возможности, говорится в заявлении авторов нового исследования, опубликованного в журнале Cell.

«До сих пор нам удавалось получать органоиды из большинства человеческих органов, но не из мозга. Очень здорово, что теперь мы смогли преодолеть и это препятствие», — сказал соавтор исследования профессор Ханс Клеверс из Утрехтского университета в Нидерландах.

По словам исследователей, мини-мозг может дополнить существующие органоиды, полученные из стволовых клеток, и облегчить новые, уникальные способы изучения здоровья и болезней мозга. В то время как стволовые клетки необходимо заставить напоминать различные части мозга, ткань, взятая прямо из мозга, может точно захватывать его ткани на определенных стадиях развития, пишут авторы в отчете. И хотя стволовым клеткам часто приходится предоставлять «подмостки» для роста, ткани мозга могут создавать свои собственные, добавили они.

Таким образом, «эти новые органоиды, полученные из тканей плода, могут предложить новое понимание того, как формируются различные области мозга и что создает клеточное разнообразие», — говорит автор исследования Далила Хендрикс из Центра детской онкологии принцессы Максимы в США. 

Ранее ученые создавали мини-мозг, используя плюрипотентные стволовые клетки — примитивные клетки, которые могут стать клетками любого типа, если их снабдить определенным коктейлем химических веществ. Эти мини-мозги полезны для изучения развития и связанных с ним нарушений. Однако мини-мозг, полученный непосредственно из ткани мозга, может дать новое представление о поведении и характеристиках клеток, специфичных для мозга, пишут авторы исследования в статье. 

Чтобы создать новый мини-мозг, исследователи взяли образцы мозговой ткани умерших плодов на сроке беременности от 12 до 15 недель, предоставленные анонимными донорами. Они отдельно выращивали небольшие образцы каждой ткани на небольших пластинах, используя определенные питательные вещества и факторы роста. Каждый образец постоянно встряхивали по мере его роста, чтобы гарантировать, что все клетки внутри него подвергаются воздействию этих химикатов, и им не предоставляли никаких физических каркасов для роста.

Примерно через четыре-восемь дней исследователи заметили образование «множественных организованных трехмерных структур», которые позже превратились в органоиды с «тканевым внешним видом». 

Получившийся мини-мозг содержал множество типов клеток, включая нервные стволовые клетки, известные как внешняя радиальная глия. Ткани плода также производят свои собственные белки внеклеточного матрикса, которые действуют как каркас и поддерживают их трехмерную организацию. Это может позволить ученым продолжить изучение того, как окружающая среда клеток влияет на их развитие. 

Крупный план одного из мини-мозгов, выращенных авторами нового исследования.  Нервные клетки можно увидеть в виде более агрегированных полукругов, имеющих цветовую маркировку от желтого до фиолетового в зависимости от их глубины относительно внешней части минимозга.  Вокруг него можно увидеть более светлый ореол, состоящий в основном из стволовых клеток, в голубом цвете.

Минимозги, выращенные из определенных тканей головного мозга, таких как передний мозг, сохранили структурные характеристики, специфичные для этой части органа, и реагировали на определенные сигнальные молекулы, которые участвуют в развитии мозга. 

В этом первоначальном эксперименте мини-мозг выращивали в течение шести месяцев. Примечательно, что исследователям удалось вырастить несколько мини-мозгов из одного образца ткани. Органоиды появляются как новый способ проверки безопасности и эффективности лекарств, поэтому эта способность производить множество органоидов из одного образца может когда-нибудь оказаться полезной для проведения повторных экспериментов по новым методам лечения заболеваний. 

В дальнейшем авторы хотят создать более сложные версии мини-мозга и потенциально развивать их из тканей плода на разных стадиях развития, а также из больных тканей, которые могли бы улавливать дефекты мозга, связанные с детской смертностью. 

Как и другие модели человеческого мозга, необходимы «специальные этические рамки» и «активные обсуждения с донорами и научным сообществом», прежде чем проводить какие-либо дальнейшие эксперименты с использованием этих органоидов, пишут авторы в статье. Например, исследователи должны тщательно рассмотреть этику трансплантации ткани человеческого мозга другим видам, например, грызунам, как это было сделано с органоидами, полученными из стволовых клеток.