Органоиды: новая технология для создания мозга

Доктор биомедицины Пабло Барречегурен рассказывает о роли органоидов как одного из важнейших методов биомедицинских исследований.

Одно из главных препятствий, с которыми сталкивается нейронаука, — сложность получения информации о живом человеческом мозге in vivo.

Конечно, существуют методы, например функциональная магнитно-резонансная томография или внутричерепная имплантация электродов, позволяющие получать информацию об активности мозга…, но настоящая задача — на молекулярном уровне: анализировать развитие клеток и их взаимосвязи непосредственно в процессе. До сих пор возможности в основном ограничивались посмертными (post mortem) исследованиями или клеточными культурами, результаты которых часто нельзя перенести на поведение человеческого мозга в целом. Один из лучших вариантов решения этой проблемы — мозговые органоиды.

Мозговые органоиды

Что такое органоиды

Органоиды — это самоорганизующиеся клеточные агрегаты, образующиеся из стволовых клеток; их главная особенность в том, что они в определённой степени воспроизводят архитектуру и клеточный состав органа, который требуется получить.

Первоначально одним из направлений исследований было создание органоидов, воспроизводящих кишечный эпителий, но сегодня метод распространился и на другие органы, причём одна из самых интересных областей — мозговые органоиды.

Способы получения органоидов

Существует два основных способа их получения:

1. Ненаправленные методы: исходным материалом служат плюрипотентные стволовые клетки человека, которые культивируют in vitro с минимальным использованием внешних биохимических сигналов, направляющих рост. Это приводит к большой вариабельности, которая в некоторых случаях даёт органоиды с клеточным составом, довольно похожим на состав развивающегося человеческого мозга.
2. Направленные методы: исходный материал тот же, но развитие органоида в большей степени контролируется с помощью биомолекул. В результате можно получать гораздо более специфичные органоиды, клеточный состав которых имитирует отдельные части развивающегося человеческого мозга.

В целом эти органоиды в определённой степени воспроизводят клеточный и структурный состав человеческого мозга. Кроме того, данные анализа экспрессии генов этих органоидов в целом частично совпадают с данными развивающегося человеческого мозга.

Ограничения этих моделей

Однако не стоит забывать, что у этих моделей есть ряд очень важных ограничений, например:

• Органоиды очень малы: их размер около 4 мм, тогда как одна только кора человеческого мозга имеет диаметр около 15 см. Отсюда вытекают многие структурные различия между органоидом и человеческим мозгом.
• У них не развивается сосудистая система. Мозговые органоиды не имеют собственных кровеносных сосудов (per se), и даже при совместном культивировании с эпителиальными клетками создать функциональные капилляры внутри ткани не удалось. Отсутствие сосудов само по себе — большое структурное различие, но оно создаёт и дополнительную проблему: органоид может получать питательные вещества только через внешнюю поверхность, поэтому на определённом этапе роста клетки в глубоких частях органоида погибают (развивается некроз) из-за нехватки питания.
• Клетки органоида воспроизводят клеточное состояние развивающегося мозга, поэтому они дают мало информации о мозге взрослого или пожилого человека.

Важный метод биомедицинских исследований

Тем не менее, несмотря на все эти ограничения, органоиды считаются одним из важнейших методов биомедицинских исследований по трём причинам.

• Во-первых, нужно учитывать, что их получают из плюрипотентных стволовых клеток, а сегодня такие клетки можно получить напрямую или из взрослых клеток, которые затем перепрограммируют в лаборатории (например, из образца клеток крови, которые перепрограммируют в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки). Это позволило создать органоиды, воспроизводящие врождённые пороки развития, такие как микроцефалия, а органоиды вместе с вирусными культурами даже используются для изучения воздействия вируса Зика на нейроны.
• Во-вторых, эти модели позволяют изучать развитие мозга; уже исследуются такие клинические состояния, как шизофрения или расстройства аутистического спектра.
• И в-третьих, можно создавать мозговые органоиды других животных, что облегчает проведение эволюционных исследований с сравнением разных видов.

Сегодня мозговые органоиды — очень ценные инструменты исследований, и работы, сочетающие их с другими методами, имеют большой потенциал.

Однако, читая опубликованные работы в этой области, нельзя забывать, что это экспериментальная модель и, сколько бы их ни называли «мини-мозгом», у них много существенных отличий 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