Расшифрована нейронная сеть в нейромышечных органоидах

Лаборатория Гути из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка разработала функциональные нейромышечные органоиды (NMO), которые самоорганизуются в нейроны спинного мозга и мышечную ткань. Вместе два типа клеток формируют сложную нейронную сеть, которая заставляет мышечную ткань сокращаться. Нейромышечные органоиды, описанные в журнале Cell Stem Cell, представляют собой прорыв в изучении развития и заболеваний человеческой нейромышечной системы.

Изучение заболеваний, поражающих эту систему, было затруднено из-за ограниченной доступности надежных моделей культур человеческих клеток.

Эти органоиды — привлекательная модель благодаря нескольким уникальным особенностям:

• Функциональные нейромышечные синапсы, передающие сигналы, необходимые для движения.
• Совместное развитие из одних и тех же клеток-предшественников спинномозговых нейронов, скелетных мышц и шванновских клеток.
• Формирование сложной сети, имитирующей генераторы центрального паттерна (CPG), которые производят осциллирующие ритмические сигналы, критически важные для дыхания и ходьбы.

«Нашей первоначальной целью было разработать функциональные нейромышечные соединения, но результаты превзошли ожидания, поскольку дополнительное развитие сетей, подобных CPG, было захватывающим, но неожиданным открытием», — сказала доктор Мина Гути. «Ранее это не было показано на человеческой in vitro модели, и это открывает совершенно новые возможности».

Преодоление «двойной» задачи

Ранее для изучения нейромышечных соединений нейроны и мышцы выращивали отдельно, а затем объединяли. В таком подходе соединения формировались, но имели ограниченную функциональность, отчасти из-за отсутствия важных шванновских клеток.

«Очень ограничительно, если у вас есть только обогащенная система для нейронов или мышц, а затем вы их объединяете», — сказал Хорхе-Мигель Фаустино Мартинс, первый автор исследования. «Это не совсем имитирует то, что происходит в эмбрионе, где обе системы развиваются одновременно».

Ключ — правильный тип клеток-предшественников

Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали свою более раннюю методику преобразования человеческих плюрипотентных стволовых клеток в аксиальные стволовые клетки (также называемые нейромезодермальными клетками-предшественниками), которые в норме дают начало и спинному мозгу, и скелетным мышцам во время эмбрионального развития.

Помещенные в 3D-культуру, эти клетки дифференцировались и самоорганизовались в сложные структуры, содержащие нейроны спинного мозга и скелетную мышечную ткань. Это привело к:

• Развитию функциональных нейромышечных синапсов со шванновскими клетками.
• Формированию сложных спинальных нейронных сетей, подобных CPG.
• Началу спонтанных сокращений мышц через 40 дней в культуре.

«Поразительно, что две разные ткани могут самоорганизовываться в 3D и развивать продвинутые функциональные сети», — сказала Гути. «Мы смогли показать, что фармакологическая блокада ацетилхолиновых рецепторов была достаточной для прекращения мышечного сокращения».

Органоиды вырастают в среднем до 6 миллиметров в диаметре и могут сохраняться в культуре несколько месяцев (самые старые — 1,5 года). Метод работает с разными линиями человеческих плюрипотентных стволовых клеток, что делает его широко применимым, особенно для изучения заболеваний с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) пациентов.

Модель для нейромышечных заболеваний

Чтобы оценить потенциал NMO, команда смоделировала миастению гравис — аутоиммунное заболевание, поражающее нейромышечные синапсы. Сыворотка крови двух пациентов с этим заболеванием, добавленная к органоидам на 72 часа, привела к уменьшению мышечных сокращений, что отражает мышечную слабость у пациентов.

«Эти данные воспроизводят ключевые аспекты патологии заболевания, что позволяет предположить, что нейромышечные органоиды могут надежно моделировать нейромышечные расстройства», — сказала доктор Симона Шпулер, соавтор статьи.

«Получение NMO с использованием iPSC пациентов позволит нам исследовать точное происхождение и прогрессирование таких заболеваний, как спинальная мышечная атрофия и боковой амиотрофический склероз», — пояснила Гути. В будущем органоиды будут использоваться для оценки эффективности различных лекарств и подходов персонализированной медицины.