Органоиды: новая технология для создания мозга

Доктор биомедицины Пабло Барречегурен объясняет нам роль органоидов как одной из важнейших методик биомедицинских исследований.

Одним из крупнейших препятствий, с которыми сталкивается нейронаука, является сложность получения информации in vivo от человеческого мозга.

И действительно существуют методы, такие как функциональная магнитно-резонансная томография или имплантация внутричерепных электродов, которые позволяют получить информацию о мозговой активности…, но настоящая проблема лежит на молекулярном уровне: возможность анализировать развитие и межклеточные взаимодействия в процессе их возникновения, поскольку до сих пор возможности в основном сводятся к посмертным исследованиям или клеточным культурам, результаты которых во многих случаях нельзя экстраполировать на поведение человеческого мозга в целом. Чтобы решить эту проблему, одним из лучших вариантов являются мозговые органоиды.

Мозговые органоиды

Что такое органоиды

Органоиды — это самоорганизующиеся клеточные агрегаты, формирующиеся из стволовых клеток, и их главная особенность заключается в том, что в определенной степени они воспроизводят архитектуру и клеточный состав органа, который стремятся получить.

Изначально одной из областей исследований было создание органоидов, воспроизводящих эпителий кишечника, но в настоящее время методика распространилась на другие органы, и одной из наиболее интересных областей являются мозговые органоиды.

Способы изготовления органоидов

Существует два основных способа их изготовления:

1. Ненаправленные техники: исходят от плюрипотентных человеческих стволовых клеток, которые культивируют in vitro , максимально ограничивая использование внешних биохимических сигналов, направляющих рост. Это приводит к большой вариабельности, которая в некоторых случаях приводит к формированию органоидов с клеточным составом, довольно схожим с развивающимся человеческим мозгом.
2. Направляемые техники: исходят из той же основы, но в развитии органоида присутствует более активное вмешательство посредством использования биомолекул. В результате можно получить гораздо более специфические органоиды, клетки которых имитируют состав конкретных частей развивающегося человеческого мозга.

В целом эти органоиды в той или иной степени воспроизводят клеточный и структурный состав человеческого мозга. Кроме того, данные анализа экспрессии генов в целом по этим органоидам частично совпадают с данными развивающегося человеческого мозга.

Ограничения этих моделей

Тем не менее не следует забывать, что эти модели имеют несколько очень важных ограничений, например:

• Органоиды имеют очень небольшой размер. Их диаметр примерно 4 мм, тогда как только кора человеческого мозга имеет около 15 см в диаметре. Из этой ситуации вытекают многие структурные различия, которые отделяют органоид от человеческого мозга.
• Они не развивают никакой васкуляризации. Мозговые органоиды не имеют кровеносных сосудов per se, и даже при культивировании вместе с эпителиальными клетками не удалось создать функциональные капилляры внутри ткани. Сам по себе недостаток сосудов является существенным структурным отличием, но он также создает дополнительную проблему: органоид может получать питательные вещества только с внешней стороны, что приводит к тому, что при достижении определенного размера клетки в наиболее глубоких частях органоида развивают некроз из-за недостатка питания.
• Клетки органоида воспроизводят клеточное состояние развивающегося мозга, поэтому информация, которую они могут дать о мозге взрослого или даже пожилого человека, ограничена.

Важная методика в биомедицинских исследованиях

Однако, несмотря на все эти ограничения, органоиды рассматриваются как одна из важнейших методик биомедицинских исследований по трем причинам.

• Во-первых, следует учитывать, что их создают из плюрипотентных стволовых клеток, и что в настоящее время этот тип клеток можно получить непосредственно или из зрелых клеток, которые затем перепрограммируют в лаборатории (например, используя образец кровяных клеток, которые впоследствии перепрограммируют, чтобы получить так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки). Это позволило создавать органоиды, воспроизводящие врожденные аномалии, такие как микроцефалия, а также использовать органоиды совместно с вирусными культурами для исследования нейрональных эффектов вируса Зика.
• Во-вторых, эти модели служат для изучения развития мозга, и существуют клинические состояния, такие как шизофрения или расстройства аутистического спектра, которые уже изучаются с помощью них.
• И, в-третьих, можно создавать мозговые органоиды других животных, что облегчает проведение эволюционных исследований путем сравнения различных видов.

В настоящее время мозговые органоиды являются очень ценным исследовательским инструментом, и работы, совмещающие их с другими методиками, обладают большим потенциалом.

Однако при чтении опубликованных работ по этой области никогда не следует забывать, что они являются моделью для экспериментов, и, несмотря на то что их называют «мозгами в миниатюре», они также имеют многие существенные отличия от мозга взрослого человека.

Библиография

• Elizabeth Di Lullo and Arnold R. Kriegstein. The use of brain organoids to investigate neural development and disease. Nat Rev Neurosci. 2017 October; 18(10): 573–584
• Harpreet Setia, Alysson R. Muotri. Brain organoids as a model system for human neurodevelopment and disease. Seminars in Cell and Developmental Biology (2019)
• Xuyu Qian, Hongjun Song and Guo-li Ming. Brain organoids: advances, applications and challenges. Development (2019) 146, dev166074

«Эта статья была переведена. Ссылка на оригинальную статью на испанском:»
Organoides: la nueva técnica para fabricar un cerebro