Мы используем cookie-файлы, чтобы получить статистику и обеспечивать вас лучшим контентом. Продолжая пользоваться нашим сайтом, вы соглашаетесь с использованием технологии cookie-файлов. Это совершенно безопасно!
Органоферма в лаборатории или как построить настоящий мозг

Органоферма в лаборатории или как построить настоящий мозг

Время прочтения:

В воображении писателей-фантастов нередко предстают самые настоящие хозяйства по выращиванию людей. Реальность не успевает за такими мечтами.

Сейчас мы не способны культивировать даже полноценные органы, что уж говорить про целые организмы. Но все начинается с малого, и ученые современности активно работают над формированием в лабораторных условиях тканей человеческого организма. Больше интересного – в адаптированном переводе информации из ресурса Sciencenews.

В течение многих десятилетий биологические исследования опираются на клеточные линии, выращенные в чашках Петри в один слой, но эти слои не имеют структурной сложности живых тканей. Поэтому действительно революционными в свое время стали работы, которые открыли перед учеными магию стволовых клеток, которые множились и росли в трехмерном формате, свободно плавая в жидкости. Частицы органоподобной ткани можно генерировать из стволовых клеток, которые получают или из эмбрионов, или отбирают из кожи и крови взрослого человека, химически побуждая их вернуться к состоянию, подобному зародышевого. Стволовые клетки встречаются во многих органах (включая головным мозгом), имеют способность самовосстанавливаться путем разделения, таким образом восстанавливая повреждения, а также могут дифференцироваться в достаточно большое количество специализированных типов клеток, хотя диапазон типов – ограничен.

В настоящее время распространенной стала научная тенденция, которая имеет целью заставить человеческие стволовые клетки самостоятельно собираться в «клубки» органоподобной ткани, что зовутся органоидами, размер которых, как правило, не больше горошины. Хотя сейчас ученые еще не могут культивировать достаточно большие органоиди, чтобы воспроизводить целые человеческие органы, эти мини-версии могут имитировать трехмерную клеточную инфраструктуру любой ткани человеческого организма – от кишечника до легких, а это открывает перед учеными невероятные возможности, ведь подобную клеточную структуру не получишь, исследуя грызунов, биология которых отличается от человеческой.

Модели мини-органов обещают огромные преимущества для понимания основных процессов биологии человека и процессов заболеваний, предлагая точное испытательное поле для поиска или проверки медикаментозной терапии; а создавая персонализированные органоиды из перепрограммированных клеток пациентов, ученые могли бы изучать болезни индивидуально или даже использовать органоидные структуры для замены определенных поврежденных тканей. Сегодня в лабораториях во всем мире культивируют крошечные кусочки человеческих желудков, печени, почек, легких и др.

«По сути, мы открываем возможности стволовых клеток. Мы немного подталкиваем [клетки], и они делают то, что хорошо умеют», – говорит Ханс Клеверс (Hans Clevers) из Университета в Утрехте, Нидерланды, который является президентом Международного общества исследований стволовых клеток. В 2009 году его лаборатория неожиданно создала миниатюрную версию кишечника, культивируя взрослые стволовые клетки, которые команда ученых обнаружила в ткани кишечника мыши. Выращенные в капле Матригеля (желатиноподобной матрицы белков), эти клетки объединились в маленькие шары с крошечными проекциями, которые напоминали ворсинки, поглощающие питательные вещества в кишечнике.

Лабораторная хитрость заключается в точном знании того, какие ингредиенты можно использовать для создания различных органов. Часто для определения таких факторов исследователи сначала экспериментируют со стволовыми клетками других организмов, к примеру, грызунов.

Некоторые ученые мечтают об использовании органоидных методов выращивания полноразмерных почек или печени в лаборатории для трансплантации. Более достижимой целью может быть регенеративная трансплантация тканей, например, замещение клеток печени, которые отмирают, у человека на ранней стадии заболеваний этого органа на здоровые стволовые клетки из персонализированного органоида печени, или имплантация кусочков органоидной кишки пациентам, которым удалили часть кишечника. В Нидерландах, на основании исследований, представленных в 2016 году, Клеверс с коллегами уже используют персонализированные органоиды кишечника, полученные с помощью ректальной биопсии, для проверки того, получают ли больные на кистозный фиброз пользу от применяемых лекарств.

Целься выше или равнение на мозг

Начиная с середины 2000-х годов, команда Йошики Сасаи (Yoshiki Sasai) из Центра развития биологии RIKEN в Кобе, Япония, демонстрировала, как выращивать мозговые структуры с использованием эмбриональных стволовых клеток, сначала мышей, а потом и людей. В своем новаторском исследовании в 2013 году исследователи использовали химические сигналы для направления человеческих эмбриональных стволовых клеток, чтобы сформировать специфический регион коры головного мозга. За несколько месяцев до публикации этой работы Мадлен Ланкастер (Madeline Lancaster) и Юрген Ноблих (Juergen Knoblich) из Института молекулярной биотехнологии в Вене, Австрия, и коллегами из Великобритании продемонстрировали свой подход к развитию органоидов головного мозга. С помощью их метода человеческие плюрипотентные стволовые клетки могут спонтанно собраться в крошечную структуру, напоминающую мозг, образуя любые структуры мозга «на усмотрение» самих стволовых клеток. С тех пор исследователи с нетерпением развивают другие методы создания этих миниатюрных моделей мозга, подобно шеф-поварам, которые совершенствуют свои любимые рецепты.

«Процесс подобен выпечки торта: существует множество способов достичь конечной цели», – разъясняет биолог и невролог Беннетт Нович (Bennett Novitch), руководитель лаборатории в Калифорнийском Университете, который предпочитает использовать японский метод, но с некоторыми особенностями. Человеческий мозг гораздо сложнее, чем любой другой орган, и вряд ли ученым удастся построить полную его копию. Но уже созданы крошечные варианты нескольких участков мозга, начиная от гипоталамуса, который регулирует температуру тела, жажду и голод, до базальных ганглиев, которые контролируют движение. В любом случае органоиды открывают новые научные горизонты.

«Органоиды предоставляют беспрецедентный уровень доступа к внутренним процессам человеческого мозга», – объясняет Нович, отмечая, что наш мозг в значительной мере выходит за рамки доступных нам исследований.

Если ученым удастся изучить точные модели рабочих нервных схем в мозговых кусочках, то исследователи, наконец, смогут начать работать с уникальными человеческими неврологическими состояниями, например, такими расстройствами, как эпилепсия, шизофрения или аутизм. Именно органоидные эксперименты помогли подтвердить достигнутые в ходе других исследований предположения, что вирус Зика нацеливается и убивает так называемые ORG-клетки – наружные радиальные глиальные клетки, что являются нейронными стволовыми клетками, которые являются ключевыми для построения чрезвычайно крупной коры (эти клетки являются типичными для человеческого организма и почти не встречаются у грызунов), и другие клетки-нейроны, а это способствует уменьшению размера мозга у зараженных вирусом младенцев. В исследовании 2016 года ученые из Университета Джонса Хопкинса Го-ли Мин (Guo-li Ming) и Гон-юн Сон (Hongjun Song) представили свои собственные методы создания частиц мозга, которые имеют четко определенную зону ORG-клеток. После заражения этих органоидов вирусом Зика исследователи наблюдали коллапс кортикальной ткани, которая частично объясняет разрастание головного мозга.

Ограничения

Одно из многочисленных ограничений лабораторных методов заключается в том, что органоиды образуются медленно, более-менее следуя той же шкале развития, что и человеческий мозг во время беременности. Но без кровоснабжения частицы мозга достигают лишь нескольких миллиметров в размере. Это означает, что органоидным моделям часто не хватает клеток из поздних этапов развития, клеток, которые называются астроцитами. Эти клетки в форме звезды имеют решающее значение для создания связей между нейронами и управления ими, а также участвуют в формировании воспоминаний. Астроциты не созревают в мозгу ребенка до его непосредственного рождения. Но специалист по нейрологии Стэнфордского университета Серджиу Пашка (Sergiu Paşka) создал способ изготовления и поддержания 4-миллиметровых шариков ткани коры головного мозга человека (он называет их сфероидами) в течение длительного времени. В августе прошлого года его команда описала органоиды, которые жили более 20 месяцев, достаточно долго для того, как подтвердили анализы, чтобы астроциты созрели и могли функционировать таким образом, что имитирует их аналоги в реальном мозге. Пашка тоже начал собирать различные типы мини-моделей мозга, как конструктор: поместив их в благоприятные условия в процессе термоядерного синтеза, исследователи сняли видео длинных, подобных спагетти клеток, которые называются интернейронами, что мигрируют со сфероида одного типа на сфероид другого типа.

«Они не ползут друг к другу, а прыгают, как будто точно знают, куда им надо», – объясняет автор исследования.

Отсутствие встроенного кровоснабжения также является причиной проблемы поглощения достаточного количества кислорода и питательных веществ из жидкости, в которой растут мини-органы. С этой целью в некоторых лабораториях жидкость циркулирует вокруг тканей, в других – клетки делят пополам.

Исследования все еще находятся на ранней стадии. Несмотря на завораживающую динамику исследования иногда преувеличивают степень, в котором органоиды человеческого мозга воспроизводят особенности ткани развивающегося мозга, считает биолог стволовых клеток Арнольд Кригштейн (Arnold Kriegstein) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Мини-моделям все еще не хватает многих основных компонентов. Другой весомый недостаток заключается в том, что разные партии мозговых органоидов даже в пределах одной лаборатории могут сильно отличаться. «Важно сосредоточить внимание на воспроизводимости и возможности получить подход, который будет гарантировать одинаковый результат каждый раз», – говорит Кригштейн.

Методы изготовления кусочков мозговой ткани основываются на врожденной тенденции человеческих плюрипотентных стволовых клеток к образованию нервной ткани. Вот краткое описание одного из возможных лабораторных процессов:

День 0: около 9 000 стволовых клеток переносятся в V-образные контейнеры и опускаются в специальную химическую смесь – своеобразный коктейль из витаминов, аминокислот и (в течение первых шести дней) Y-27632, химического вещества, которое препятствует самоубийству стволовых клеток. В течение нескольких дней клетки множатся и сами собой агрегируются в крошечные шарики нервной ткани. Раствор обновляется каждые два-три дня.

День 18: нервные скопления, которые продолжают расти, переносят в чашки Петри с другой жидкостью, которая содержит CDLC, дополнения, что обеспечивает поступление жиров. Высокие уровни кислорода (40% кислорода, 5% двуокиси углерода) помогают ткани поглощать достаточно кислорода. На 4-5 неделю четко очерченные кластеры или розетки показывают ранние слои различных типов нервных клеток, что развиваются.

День 35: органоиды мозговой ткани, ширина которых достигла 2-3 мм, разрезают пополам, чтобы дать клеткам больше доступа питательных веществ и кислорода. Часть клеток умирает в результате такого вмешательства, другая же продолжает расти и развиваться. Скопление ткани выращивают в новом растворе, наполненном стимуляторами роста: желатиноподобной матрицей белков под названием Матригель, витаминной добавкой B27, гепарином и генератором роста LIF.

День 56: у органоидов появляются темные скопления нейронных «розеткоподобных структур», которые напоминают архитектуру человеческого мозга плода на 14 неделе беременности. Органоиды снова делят пополам и переносят в новые чашки Петри, сделанные с кислородно-проницаемого пластика, для оптимизации доступа к кислороду для здорового роста. С этого момента органоиды делят пополам примерно каждые 2 недели. Обычно они выживают до 150 дней.

комментировать
наверх