Дві групи нейробіологів з двох провідних університетів США провели наймасштабніше на сьогоднішній день дослідження роботи окремих клітин «штучного мозку». Йдеться про т. зв. нейронні «органоїди» - штучно вирощувані нервові тканини, джерелом яких є стовбурові клітини. Як показують перші результати, опубліковані в журналі багато особливостей розвитку «справжнього» мозку дійсно можуть бути відтворені в таких органоїдах. А значить їх можна використовувати для дослідження причин неврологічних захворювань, які майже неможливо дослідити іншими методами - що і показали дослідники на прикладі синдрому Тімоті.
Вирощуванням нервових тканин у біореакторах вчені займаються вже кілька років, це зручна і перспективна модель для тестування нових препаратів, вивчення механізмів розвитку мозку і процесів, що відбуваються під час інфекції нервової тканини, наприклад, вірусом Зіка. Однак багато деталей формування церебральних органоїдів залишаються неясними: які типи клітин у них формуються, наскільки робота їхніх генів відповідає тій, що йде в нормальному мозку, чи можуть у штучних органоїдах формуватися і функціонувати зрілі нейронні мережі тощо. Прояснити ці питання вирішили дві незалежні групи вчених зі Стенфордського та Гарвардського університетів.
Гарвардські вчені вирішили перевірити склад і функціональність органоїда в процесі його тривалого розвитку - протягом дев'яти місяців. Для цього білоги вирости 31 зразок органоїдів, витягли з кожного набір окремих нейронів і прочитали транскриптом (сукупність всіх працюючих, тобто генів, що транскрибуються) кожній з цих клітин. Всього було прочитано близько 80 тисяч індивідуальних транскриптомів - всього кілька років тому такий масштаб дослідження був би неможливий.
Виявилося, що нейрони в органоїді експресують приблизно ті ж гени, що і нейрони нормального мозку. Причому тимчасова зміна профілю транскрипції теж приблизно відповідає дозріванню нормального мозку у ембріона: через кілька місяців активність «ранніх» генів змінюється активністю «пізніх». Мікроскопія показала, що нейрони при цьому ще й утворюють синапси, які починають брати участь у передачі сигналів.
Церебральні органоїди вирощують з плюрипотентних стовбурових клітин у тривимірному середовищі: біореактор дозволяє тканинам рости в трьох вимірах, імітуючи розвиток. Однак отримати їх можна як мінімум двома способами: або надати органоїд самому собі і стежити за його розвитком, як вчинила перша група біологів, або використовувати сигнальні молекули, які керують процесом. Ці молекули можуть впливати на структуру нейроепітелія і, таким чином, прицільно формувати потрібні регіони «штучного мозку».
Цю стратегію використовували Стенфордські вчені: вони спочатку отримали тривимірні структури, звані сфероїдами, які нагадували регіони переднього мозку - вентральний і дорсальний передній мозок. Далі ці сфероїди повинні були з'єднатися, після чого починався природний процес міграції інтернейронів з одного сфероїду в інший. Саме за цим процесом насамперед і спостерігали вчені.
Виявилося, що міграція інтернейронів в органоїдах дійсно повторює нормальний процес розвитку людського мозку, і вчені скористалися цим, щоб вивчити синдром Тімоті - неврологічний розлад, пов'язаний з мутацією білка, що порушує таку міграцію. Вчені створили аналогічні сфероїди, але зі стовбурових клітин пацієнтів з синдромом Тімоті і порівняли ефективність міграції інтернейронів пацієнта з групою контролю.
Виявилося, що низька ефективність міграції при синдромі Тімоті відтворюється і в штучному мозку, причому вона пов'язана з дефектом самих інтернейронів, а не того середовища, куди вони потрапляють. Коли середу замінювали на нервову тканину з контрольної групи, ефективність міграції інтернейронів залишалася низькою.
Що стосується самого способу відтворення органоїдів за допомогою сфероїдів, то з його допомогою, ймовірно, можна підвищити відтворюваність результату, а це важлива умова для проведення експериментів, в яких експериментальні зразки необхідно порівняти з групою контролю. Трудність же полягає в тому, що для вирощування кожного субрегіону мозку необхідно буде визначити свій сигнал.
Детальніше про те, як вирощують тканини людського мозку, і як це допомагає в лікуванні аутизму і раку, можна дізнатися в репортажі CNN. Про аналіз експресії генів в окремих клітинах, ми писали раніше.