Выращенные в лаборатории органоиды мозга демонстрируют признаки развития

Фото из открытых источников

Учёным удалось поддерживать жизнеспособность и созревание органоидов человеческого мозга в лабораторных условиях более пяти лет, причём некоторые из них достигли семилетнего возраста, установив новый рекорд долголетия и показав, что эти крошечные скопления клеток отслеживают течение времени подобно развивающемуся человеческому мозгу. Прорыв, информация о котором опубликована в журнале Nature, был сделан группой исследователей под руководством Паолы Арлотты из Гарвардского университета и Института Броуда. Он открывает новые возможности для изучения более поздних стадий развития мозга, которые ранее были недоступны в лабораторных условиях.

Органоиды головного мозга — это трехмерные модели, выращенные из плюрипотентных стволовых клеток человека. Примерно размером с горошину перца, они содержат более миллиона клеток и спонтанно организуются в структуры, напоминающие кору головного мозга. До сих пор большинство органоидов выживали всего несколько месяцев и в основном отражали ранние пренатальные стадии развития. Оптимизировав условия культивирования с помощью среды, способствующей активности нейронов, исследователи значительно продлили жизнь возбуждающих нейронов, превысив прежние пределы.

За годы культивирования органоиды продолжали изменяться. Секвенирование РНК более чем 424 000 клеток из 110 органоидов выявило клеточно-специфическое созревание, параллельное развитию человеческого мозга: ранние органоиды соответствовали экспрессии генов первого триместра беременности, более поздние — паттернам второго триместра, а затем и постнатального периода. Через год они демонстрировали признаки, схожие с мозгом новорожденного; к пяти годам они стали напоминать некоторые аспекты коры головного мозга маленького ребенка.

Эпигенетические часы, основанные на метилировании ДНК, подтвердили, что биологический возраст органоидов с поразительной точностью соответствует времени, проведенному в условиях in vitro. Профилирование метилирования всего генома показало прогрессивные изменения, которые отслеживали продолжительность культивирования и отражали старение в живом человеческом мозге.

«Проанализировав органоиды, мы поняли, что они не просто выживают в течение пяти лет, а продолжают меняться, развиваться и созревать с течением времени», — говорит Арлотта.

В поразительном химерном эксперименте исследователи смешали нейронные предшественники из более старых органоидов с предшественниками из гораздо более молодых. Более старые клетки быстро продуцировали нейроны поздних стадий развития, пропуская более ранние этапы. Это продемонстрировало, что предшественники сохраняют клеточную «память» о времени, уже проведенном в процессе созревания. Прошлое запечатлевается на молекулярном уровне, позволяя клеткам перескакивать вперед, а не перезапускать программу развития.

Органоиды также развивали глиальные клетки, формировали синапсы и шипики, а также генерировали скоординированную электрическую активность в течение как минимум двух лет. Миелинизация появлялась со временем, что еще раз подтверждает постнатальное созревание мозга. Важно отметить, что исследователи подчеркивают отсутствие у этих структур сенсорного ввода, сложной архитектуры и связей, необходимых для сознания или высших когнитивных функций. Они остаются упрощенными моделями, а не миниатюрными мозгами.

Развитие человеческого мозга длится почти два десятилетия — гораздо дольше, чем у других видов, — что затрудняет изучение поздних стадий. Модели на животных не могут в полной мере воспроизвести специфические для человека процессы. Долгоживущие органоиды теперь позволяют ученым наблюдать за созреванием, подобным постнатальному, в лабораторных условиях и исследовать такие расстройства, как аутизм, шизофрения, эпилепсия и нейродегенеративные заболевания, которые развиваются в течение многих лет.

«Мозг может продолжать развиваться вне контекста человеческого организма в течение беспрецедентно длительного времени», — отмечает Арлотта. Команда уже начала использовать эти модели для изучения механизмов заболеваний и скрининга потенциальных методов лечения. Поскольку органоиды могут быть созданы из собственных клеток пациента, этот подход также поддерживает персонализированные исследования.

Предыдущие рекорды долговечности органоидов составляли менее двух лет. Новая работа демонстрирует, что при улучшенных питательных средах и тщательном культивировании эти системы могут оставаться жизнеспособными и информативными в течение многих лет. Полный набор данных — транскрипционный, эпигенетический и функциональный — предоставляется исследовательскому сообществу, чтобы другие могли развивать полученные результаты, не повторяя долгосрочные исследования.

Хотя остаются вопросы относительно конечной продолжительности жизни органоидов и того, насколько точно они могут моделировать мозг взрослого человека, исследование доказывает, что ткани человеческого мозга могут продолжать свою программу развития вне тела гораздо дольше, чем кто-либо ожидал. Результаты знаменуют собой значительный прогресс в моделировании стволовых клеток и приближают исследователей к пониманию длительного, уникального для человека процесса созревания мозга.