Миниатюрные живые модели человеческого мозга могут не отображать реального развития этого органа, пишут ученые в Nature. Хотя мини-мозги содержат множество разных типов клеток, их развитие из предшественников идет не так, как в целом организме. Кроме того, в клетках таких органоидов активнее, чем в настоящем мозге, вырабатываются молекулы-маркеры клеточного стресса.
В 2008 году нейробиологи обнаружили, что эмбриональные стволовые клетки мыши в культуре организуются в трехмерные структуры, которые напоминают головной мозг в миниатюре. Эти структуры (их еще называют органоидами) обладают подобием отделов, и часть клеток в них мигрирует, как при эмбриональном развитии настоящего мозга. В 2013 году другая группа исследователей впервые получила такие органоиды ихз клеток человека, а позже исследователи научились формировать различные типы органоидов, каждый из которых имитирует какой-то свой отдел мозга.
Ученые из Калифорнийского института в Сан-Франциско и Санта-Крузе и Университета Ага Хана в Карачи (Пакистан) под руководством Арнольда Кригстайна (Arnold R. Kriegstein) проанализировали транскриптомы (совокупность РНК) 189409 отдельных клеток в составе развивающейся коры больших полушарий пяти человеческих эмбрионов на 7–22 неделях развития (соответствует времени нейрогенеза) и 235121 клеток из 37 органоидов, которые имитируют эту кору. Это позволило сравнить активность генов нейронов и элементов глии в настоящем мозге и мини-мозге и посмотреть, как распределены в пространстве каждой структуры функционально неодинаковые клетки.
Интенсивность экспрессии различных генов в клетках развивающейся коры больших полушарий (a) и клетках органоидов, которые ее имитируют (b)
Хотя в органоидах были представлены все основные типы клеток, их расположение отличалось от того, которе наблюдается в настоящей коре. Функционально сходные нейроны в мини-мозгах редко образовывали группы и были разбросаны по ткани хаотично.
Судя по тому, какие гены интенсивнее всего экспрессировались в клетках органоидов (это определяли по количеству молекул РНК разных типов), в целом нейроны и глия в мини-мозгах менее зрелые, чем в развивающейся коре, и развитие этих клеток не доходит до логического завершения. Если у клеток радиальной глии формирующейся коры можно заметить следы специализации и понять, какие типы нейронов и глии из нее образуются, то с радиальной глией органоидов это было гораздо труднее сделать.
Кроме того, во многих клетках мини-мозгов наблюдалась повышенная экспрессия генов, которые кодируют молекулы, характерные для клеточного стресса: активируют гликолиз (PGK1) и запускают изменения в эндоплазматической сети (ARCN1, GORASP2). Интенсивная работа этих генов не характерна для развивающейся коры больших полушарий. В срезах коры, которые поддерживали в питательной среде неделю, их экспрессия тоже не повышалась, из чего авторы заключили, что клеточный стресс может быть характерной чертой культур нейронов и глии, а также их предшественников.
Интересно, что когда клетки из органоидов подсаживали в кору больших полушарий живой мыши, они завершали созревание, и интенсивность выработки маркеров клеточного стресса в них снижалась. Вероятно, стресс каким-то образом провоцируется окружением мозговых органоидов.
Ученые делают заключение, что исследовать развитие мозга человека и в частности коры больших полушарий на органоидах нужно с осторожностью, учитывая все различия в формировании этих структур. То же касается и исследований формирования связей между нейронами, и моделирования болезней нервной системы на мозговых органоидах.
Эти рекомендации будут становиться все актуальнее, учитывая, что число работ на миниатюрных моделях мозга растет. На органоидах, которые имитируют различные части мозга, уже изучали эффекты мутаций, характерных для неандертальцев и добивались электрической активности клеток как у недоношенных детей.
Светлана Ястребова
https://nplus1.ru/