Создание нейросетей, подобных человеческим, с помощью клеточного репрограммирования
Исследование, опубликованное в журнале Stem Cells Reports, показывает, что метод клеточного репрограммирования позволяет создавать нейронные сети, воспроизводящие уникальные характеристики человеческих клеток — отличные от полученных из клеток грызунов — с временной динамикой, схожей с развитием человеческого мозга.
Таким образом, клеточные модели на основе репрограммированных человеческих клеток могут ускорить разработку новых эффективных терапий для борьбы с нейропатиями и одновременно сократить использование экспериментов на животных в лаборатории.
Исследование возглавил Даниэль Тормеро Прието с факультета медицины и наук о здоровье, Института нейронаук UB (UBNeuro) и IDIBAPS. В нём также участвовали исследователи Жорди Сориано Фрадера и Эстефания Эстевес-Приего с факультета физики и Института сложных систем UB (UBICS), а также Заал Кокая из Лундского университета (Швеция).
Клеточное репрограммирование для преодоления ограничений животных моделей
Несмотря на общий геном с млекопитающими, «существуют значительные различия между нашими клетками и клетками других видов, таких как грызуны, которые используются как животные модели для большинства патологий», — отмечает Даниэль Тормеро.
Особенно значительные различия — в мозге, в плане организации и связности. Это объясняет, почему дефекты, ведущие к патологиям человеческого мозга, не воспроизводятся так же в мозге этих животных.
Ограничения исследований на животных моделях можно преодолеть с помощью технологии клеточного репрограммирования, основанной на индукции человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (hiPSCs), — метода, разработанного Синъей Яманакой в 2007 году. Эта методология позволяет генерировать культуры любого типа клеток из клеток взрослого человека относительно просто, эффективно и без серьёзных этических проблем, с большим потенциалом для клинического применения в клеточной терапии и регенеративной медицине.
Команда применила методику регистрации уровня внутриклеточного кальция, чтобы сравнить свойства нейронных культур, полученных из человеческих клеток методом репрограммирования, с культурами из мозга грызунов и человека. Эта техника даёт косвенную меру нейронной активности: во время нервного импульса, передающегося от одного нейрона к другому, уровень кальция повышается характерным образом и может быть записан сенсорами.
Эта система позволяет динамически отслеживать нейронную активность с высоким разрешением на протяжении жизни культуры. Экспериментальная стратегия дополнена использованием специальных планшетов, которые позволяют отслеживать одну и ту же группу клеток с помощью меток на поверхности культуры, что минимизирует переменные и даёт более надёжные результаты для изучения нейронных сетей.
Различия между разными нейронными цепями
Впервые команда смогла изучить и дифференцировать характеристики различных генерируемых нейронных цепей — биологических структур, которые на первый взгляд могут казаться идентичными.
Результаты показывают, что нейроны человеческого происхождения ведут себя иначе с функциональной точки зрения при генерации нейронных цепей. Эти характеристики могут частично объяснить проблемы, связанные с использованием животных моделей для изучения патологий человеческого мозга.
«Прежде всего, нас поражает временная шкала, определяющая генерацию и созревание нейронной сети. Культуры, полученные из человеческих клеток, демонстрируют богатую и постепенную динамику, так что процесс созревания сети чётко наблюдается с 20-го по 45-й день культуры», — говорит Даниэль Тормеро. За этот период, с помощью разработанных дескрипторов, удалось проанализировать, как нейросеть со временем наращивает сложность по мере того, как человеческие нейроны всё больше соединяются друг с другом.
Кроме того, человеческие нейроны способны создавать гораздо более длинные связи внутри культуры — свойство, определяемое их биологией, поскольку человеческий мозг намного больше мозга грызунов.
«Однако нейронные цепи, сгенерированные из клеток грызунов, демонстрируют монотонное поведение с самых ранних сроков, с небольшими изменениями в процессе эволюции», — отмечает Тормеро.
Безопасные протоколы и совместимые клеточные банки
Клеточные модели на основе репрограммированных человеческих клеток становятся важным промежуточным звеном между исследованиями на животных и клиническим применением. Генерация таких моделей для изучения болезней хорошо зарекомендовала себя в доклинических исследованиях — 2D-культуры или системы «орган-на-чипе» (OoCs), — а недавно и в создании 3D-систем на основе биоматериалов, органоидов или биопечати.
В регенеративной медицине применение этой технологии в стратегиях клеточной терапии показывает большой потенциал, и существует множество клинических испытаний при различных патологиях (диабет 1 типа, инфаркт миокарда, травма спинного мозга, дегенерация жёлтого пятна, болезнь Паркинсона и др.). Установление безопасных и надёжных протоколов и создание клеточных банков, совместимых с разными аллогенными группами в популяции, — одни из самых амбициозных задач в этой области.
«Эти новые подходы могут быть очень ценны для доклинической валидации различных терапий, особенно при изучении патологий, затрагивающих сложные процессы, основанные на организации нейронных цепей (болезни нейроразвития, расстройства аутистического спектра, нейродегенеративные патологии и т.д.)», — говорит Даниэль Тормеро.
«Кроме того, клеточное репрограммирование на основе индукции hiPSCs позволит создавать модели, специфичные для конкретного пациента, а с помощью инструментов редактирования генов (таких как технология CRISPR/Cas9) можно будет получить контрольные клетки, в которых исправлена мутация, вызывающая патологию», — заключает исследователь.