Исследователи разработали первый метод культивирования стволовых клеток, который точно моделирует ранние стадии развития центральной нервной системы (ЦНС) человека, что знаменует собой значительный прорыв в нейробиологии. Эта трехмерная органоидная система человека имитирует развитие головного и спинного мозга, предлагая новые возможности для изучения развития мозга и болезней человека.
Используя стволовые клетки, полученные от пациента, эта модель потенциально поможет разработать персонализированные стратегии лечения неврологических и психоневрологических расстройств. Это нововведение открывает новые двери для понимания тонкостей ЦНС человека и ее нарушений, превосходя возможности предыдущих моделей.
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 (University of Michigan), Научного института им. Вейцмана (Weizmann Institute of Science) и Пенсильванского университета (University of Pennsylvania).
«Подобные модели откроют двери для фундаментальных исследований, чтобы понять раннее развитие центральной нервной системы человека и то, как она может себя повести при различных заболеваниях», — комментирует Цзяньпин Фу (Jianping Fu), профессор машиностроения Университета штата Массачусетс и автор исследования, опубликованного в научном 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 основы биологии развития человеческого мозга, но и болезни — почему у нас возникают заболевания, связанные с мозгом, и как мы можем разработать эффективные стратегии их лечения», — добавляет Го-Ли Мин (Guo-Li Ming), который вместе с Хунджуном Сонгом (Hongjun Song), профессором в области нейробиологии в Университете Пенсильвании, и соавторами исследования разработали протоколы выращивания и управления клетками, а также охарактеризовали структурные и клеточные характеристики модели.
Новая модель, напротив, повторяет развитие всех трех отделов эмбрионального головного и спинного мозга одновременно, чего не было достигнуто в предыдущих моделях.
«Сама по себе система действительно новаторская», — объясняет Орли Райнер (Orly Reiner), профессор кафедры нейрохимии Берштейна-Мейсона в Вейцмане и соавтор исследования, которая разработала 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 ученых 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. Ученые прикрепили клетки к чипу с крошечными каналами, которые они использовали для введения материалов, позволяющим стволовым клеткам расти и направляющим их к построению центральной нервной системы.
Затем они добавили 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.
Далее команда ученых ввела химические сигналы, которые помогли клеткам определить, где они находятся внутри структуры, и перейти к более специализированным типам клеток. В результате система организовалась 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», — объясняет Сюфэн Сюэ (Xufeng Xue), первый автор исследования. «Это была командная работа с замечательными сотрудниками из Пенсильванского университета и Научного института им. Вейцмана».
Исследователи выращивали клетки в течение 40 дней, моделируя развитие центральной нервной системы примерно через 11 недель после оплодотворения. За это время им 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», — объясняет Сонг. «Даже нечеловекообразные приматы не одинаковы, поэтому в контексте биологии заболеваний и стратегий лечения модель клеток человека практически незаменима».
Команда ученых 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. Ученые также заинтересованы в изучении того, как мозг посылает инструкции о движении 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 (Insoo Hyun), 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», — добавляет 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.
Авторы другого исследования утверждают, что разработали в лаборатории модель человеческого эмбриона из стволовых клеток
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
