Из стволовых клеток вырастили живой человеческий «мини-мозг»

Ученые из Института молекулярной биотехнологии при Академии наук Австрии, используя разработанную ими новую методику, впервые смогли успешно вырастить из стволовых клеток крошечные, размером с горошину, кластеры клеток ткани человеческого головного мозга. Авторы полагают, что такие выращенные in vitro «мини-мозги» в будущем могут быть полезны в качестве модели для изучения фундаментальных процессов, лежащих в основе развития заболеваний головного мозга. Отчет о проделанной работе опубликован в журнале Nature.

В качестве отправной точки были взяты человеческие эмбриональные стволовые клетки, полученные из клеток-фибробластов кожи, перепрограммированные затем в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). Затем были найдены специфические факторы роста, под воздействием которых iPSC могут дифференцироваться в различные клетки нейральной ткани.

Когда были выращены клетки нейроэктодермы - зародышевой ткани, из которых развивается нервная система, они были вкраплены в капли специального синтетического геля, обеспечивающего естественные трехмерные условия для их дальнейшего роста и развития. Затем, для насыщения растущих тканей питательными веществами и кислородом, капли геля с клетками нейроэктодермы были помещены в биореактор с центрифугой.

Спустя 15-20 дней сформировались так называемые «церебральные органоиды», представляющие собой ткань нейроэпителия, окружающую наполненную жидкостью каверну, аналогичную церебральному желудочку, заполненному спинно-мозговой жидкостью. Через 20-30 дней сформировались ткани различных регионов мозга, включая кору, сетчатку, оболочки и хориоидное сплетение.

Через два месяца были получены полностью сформированные «мини-мозги», примерно соответствующие по размерам (3-4 миллиметра в диаметре) мозгу зародыша на девятой неделе развития. Их удалось сохранить в биореакторе в течение 10 месяцев.

Было установлено, что различные структуры «мини-мозга» могут взаимодействовать между собой. В то же время его структура отличается от нормальной, так как мозг эмбриона развивается под влиянием сигналов, посылаемых другими частями организма. Кроме того, в выращенной ткани отсутствуют кровеносные сосуды, чем, возможно, объясняется крошечный размер «мини-мозга».

Несмотря на эти ограничения, авторы попытались использовать новую методику в качестве модели для изучения микроцефалии - заболевания, при котором наблюдается значительное уменьшение размеров головного мозга, сопровождаемое умственной недостаточностью. Было установлено - если в качестве исходного материала взять клетки кожи пациента с микроцефалией, то полученный в итоге «мини-мозг» оказывается значительно меньше, чем выращенный из клеток здорового человека. Кроме того, удалось отследить, когда именно происходит нарушение, ведущее в итоге к микроцефалии - на этапе дифференциации iPSC в различные клетки нейральной ткани образуется недостаточное количество клеток-предшественников, необходимых для нормального развития мозга.

Как подчеркивают авторы, сама возможность проведения подобных исследований демонстрирует потенциал «мини-мозга» в качестве модели для изучения истоков развития различных неврологических заболеваний, а также для тестирования методов их терапии.