Продвинутые «мини-мозги» в чашке: органоиды, имитирующие развитие и болезни коры человеческого мозга

Исследователям из Института молекулярной генетики Общества Макса Планка (MPIMG) в Берлине удалось создать органоиды мозга, обогащенные стволовыми клетками типа внешних радиальных глиальных клеток (oRG), которые критически важны для развития коры головного мозга человека, но ранее их было сложно получить в лаборатории. Ученые усовершенствовали и стандартизировали протоколы выращивания этих мини-органов.

В статье, опубликованной в Nature Cell Biology, сообщается, что ученые смогли вырастить органоиды, напоминающие кору головного мозга человека, с беспрецедентной последовательностью и качеством. На очень ранней стадии развития стволовые клетки обрабатывали коктейлем из трех химических ингибиторов. Это «инструктировало» клетки сформировать в последующие недели клеточные агрегаты, анатомически имитирующие слоистость коры человека. Среди этих слоев развивались oRG-клетки — специализированные стволовые клетки, необходимые для характерного расширения больших полушарий мозга у людей и приматов. Это первый случай успешного получения, обогащения и характеристики этих клеток в системе клеточной культуры.

Инструкция для «строителей» мозга

«Вызов состоит в том, чтобы создать очень чистую культуру нервных стволовых клеток в начале и убедить эти клетки построить многослойные нейронные органоиды с правильными типами клеток в нужных местах», — говорит руководитель исследования Иехиэль Элкабец.

Ранее результаты выращивания нейронных органоидов были очень неоднородными. Исследовательская группа стандартизировала существующие техники, чтобы разработать наиболее продвинутый протокол. Они использовали ингибиторы, которые блокируют три различных сигнальных пути, чтобы направить развитие стволовых клеток по пути формирования корковых клеток.

«Ключевым моментом было сочетание ингибирования Dual-SMAD и WNT, которые ранее использовались в основном по отдельности», — объясняет Снеха Арора, один из ведущих авторов. — «В течение очень ранней фазы, всего за восемь дней, мы создали очень однородную стартовую популяцию клеток. Они оказались лучшими начальными строительными блоками для всего органоида».

Унифицирующий протокол

Начиная с панели различных клеточных линий и методических подходов, исследователи в итоге смогли последовательно генерировать корковые органоиды с беспрецедентной точностью.

«Одним из важных достижений нашего исследования является то, что нам удалось воспроизвести клеточное разнообразие в каждом отдельном органоиде», — говорит Даниэль Розеброк, ведущий автор работы. — «В то время как каждый органоид сохранял множество различных типов клеток, между отдельными органоидами было мало различий».

Это подтверждено окрашиванием тканей и секвенированием РНК отдельных клеток. «Органоиды, созданные по нашему новому протоколу, продемонстрировали как самые высокие, так и наиболее последовательные уровни корковой идентичности», — отмечает Розеброк. Это имеет значение и для моделей заболеваний: «Мы узнали, что метод получения определяет, является ли фенотип заболевания в модели органоида вообще значимым».

Прорыв в клеточной культуре

Ученые продемонстрировали, что в их органоидах развиваются oRG-клетки. Через 50 дней роста органоиды команды были значительно обогащены этим типом стволовых клеток.

«Мы разработали метод для надежного и последовательного получения и обогащения oRG-клеток в чашке, который ранее не описывался», — говорит Элкабец. — «Это довольно существенное достижение. Мы, наконец, сможем создавать более значимые модели заболеваний, таких как микроцефалия, которые ближе к реальному органу».

Полученные результаты создают основу для будущих применений в фундаментальных исследованиях, фармакологических тестах или клинике. «Мы предоставляем прочную основу для генерации нервных стволовых клеток, способных формировать богатое клеточное разнообразие, которое является отличительной чертой коры. Мы считаем, что это приведет к моделям заболеваний на основе органоидов, которые значительно продвинут исследования».