Доктор биомедицины Пабло Барречегурен объясняет роль органоидов как одной из важнейших методик биомедицинских исследований.
Одним из главных препятствий, с которыми сталкивается нейронаука, является сложность получения информации in vivo из человеческого мозга.
Конечно, существуют такие методы, как функциональная магнитно-резонансная томография или внутричерепная имплантация электродов, которые позволяют получать информацию о мозговой активности, однако настоящий вызов лежит на молекулярном уровне: возможность анализировать клеточное развитие и межклеточные связи в процессе их формирования, так как до сих пор исследования были в основном ограничены образцами post mortem или клеточными культурами, результаты которых зачастую нельзя экстраполировать на поведение целого человеческого мозга. Для решения этой проблемы одним из лучших подходов являются мозговые органоиды.
Мозговые органоиды
Что такое органоиды
Органоиды — это самоорганизующиеся клеточные агрегаты, которые формируются из стволовых клеток и обладают ключевой особенностью: они в определённой степени воспроизводят клеточную архитектуру и состав органа, который пытаются создать.
Изначально одним из направлений исследований было создание органоидов, воспроизводящих эпителий кишечника, однако в настоящее время методика распространилась и на другие органы, среди которых одной из наиболее перспективных областей являются мозговые органоиды.
Методы создания органоидов
Существуют два основных метода создания органоидов:
- Ненаправленные методы: используются плюрипотентные стволовые клетки человека, культивируемые in vitro с минимальным использованием внешних биохимических сигналов, направляющих рост. Это приводит к значительной вариабельности, которая в некоторых случаях позволяет получить органоиды с клеточным составом, весьма схожим с человеческим мозгом на ранних стадиях развития.
- Направленные методы: исходят из того же базового материала, однако включают большее вмешательство в развитие органоида за счёт использования биомолекул. Благодаря этому можно создавать более специфичные органоиды, клеточный состав которых имитирует конкретные области развивающегося человеческого мозга.
В целом, такие органоиды способны в определённой степени воспроизводить клеточный состав и структуру человеческого мозга. Кроме того, данные анализа экспрессии генов в этих органоидах частично совпадают с аналогичными данными развивающегося мозга человека.
Ограничения этих моделей
Тем не менее, нельзя забывать, что эти модели имеют ряд важных ограничений, среди которых:
- Органоиды имеют очень маленький размер. Они достигают приблизительно 4 мм в диаметре, тогда как один только человеческий мозговой кортекс имеет около 15 см. Из-за этого возникают структурные отличия, отделяющие органоид от человеческого мозга.
- Отсутствие сосудистой сети. Мозговые органоиды не имеют собственных кровеносных сосудов, и даже при культивировании с эпителиальными клетками создание функционирующих капилляров в ткани не удаётся. Помимо структурного отличия, это приводит к дополнительной проблеме: органоид может получать питательные вещества только через внешнюю поверхность, что при достижении определённого размера приводит к некрозу внутренних клеток из-за недостатка питания.
- Клетки органоидов воспроизводят состояние клеток развивающегося мозга, поэтому информация, получаемая от них о взрослом или стареющем мозге, весьма ограничена.
Важный метод биомедицинских исследований
Однако, несмотря на эти ограничения, органоиды считаются одним из наиболее перспективных методов биомедицинских исследований по трём причинам:
- Во-первых, важно отметить, что они создаются из плюрипотентных стволовых клеток, которые можно получать как напрямую, так и путём перепрограммирования взрослых клеток в лаборатории (например, взяв образец крови и перепрограммировав клетки в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки). Это позволило создавать оргаиноиды с врождёнными дефектами, такими как микроцефалия, а также использовать органоиды совместно с вирусными культурами для исследования нейрональных последствий вируса Зика.
- Во-вторых, эти модели помогают исследовать развитие мозга, включая изучение таких клинических состояний, как шизофрения или расстройства аутистического спектра.
- И в-третьих, можно создавать мозговые органоиды других животных, что облегчает проведение эволюционных исследований, сравнивая разные виды.
Сегодня мозговые органоиды — это ценный исследовательский инструмент, и сочетание их с другими методами обладает большим потенциалом.
Тем не менее, читая публикации по этой теме, важно помнить, что это всего лишь экспериментальная модель, и несмотря на название «мини-мозги», они существенно отличаются от взрослого человеческого мозга.
Библиография
- Элизабет Ди Лулло и Арнольд Р. Кригштейн. Использование мозговых органоидов для изучения нейронного развития и заболеваний. Nat Rev Neurosci. Октябрь 2017; 18(10): 573–584
- Харприт Сетиа, Алиссон Р. Муотри. Мозговые органоиды как модельная система для изучения развития человеческой нервной системы и заболеваний. Seminars in Cell and Developmental Biology (2019)
- Сюйюй Цянь, Хунцзюнь Сун и Го-ли Мин. Мозговые органоиды: достижения, применения и трудности. Development (2019) 146, dev166074
