Проверка реальности использования органоидов в нейробиологии

Nature Methods, том 17, страницы 961–964 (2020 г.) Процитировать эту статью

14 тысяч доступов

10 цитат

34 Альтметрика

Подробности о метриках

Чтобы лучше изучить развитие нервной системы человека, исследователи продвигают органоиды в качестве моделей мозга.

Органоиды, представляющие собой трехмерные экспериментальные модели, полученные из стволовых клеток, проникают во многие области, включая нейробиологию, где существует острая потребность в моделях сложных процессов, таких как внутриутробное развитие нервной системы и нервно-психические расстройства1,2,3,4. Но органоиды мозга не совсем гладко внедряются в нейробиологию. «С моей точки зрения, органоиды мозга — это очень крутые модели самих себя», — говорит нейробиолог из Стэнфордского университета Карла Шац. Как и во всех исследованиях in vitro, говорит она, «даже в более реалистичных трехмерных условиях, чем на равнине, все, что вы узнаете, говорит вам о том, что может произойти, а не о том, что действительно происходит in vivo». Эти модели могут многое рассказать о клеточной биологии нейронов человека, «и это замечательно», говорит она. «Тогда вопрос в том, как проверить реальность результатов, используя образцы человеческого мозга?»

Несомненно, говорят разработчики мозгоорганоидных методов, это не «мозги в блюде» и не окна во все аспекты внутриутробного развития нервной системы, и они не раскрывают всех подробностей того, как мозг новорожденного становится мозгом маленького человека со случаем «ужасные двойки» и решительная команда слова «нет». Как говорит Мэдлин Ланкастер из Лаборатории молекулярной биологии MRC, «все органоиды мозга in vitro пока лишены многих важных особенностей мозга in vivo», таких как функциональная сосудистая система и иммунная система. Органоидам не хватает анатомии настоящего человеческого мозга, говорит Джорджия Квадрато из Медицинской школы Кека Университета Южной Калифорнии. Но, по ее словам, это модели, которые позволяют нам охарактеризовать развитие человеческого мозга и болезни способами, которые десятилетиями ускользали от нейробиологического сообщества. Чтобы расширить свое исследовательское сообщество и решить проблемы тех, кто занимается нейробиологией, которые могли бы рассматривать органоиды и выводы, сделанные на их основе, нахмурив брови, Ланкастер, Квадрато и другие удваивают усилия по развитию органоидных методов.

Органоиды мозга становятся все более сложными и динамичными. Лаборатория Ланкастера создала органоиды из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), которые могут секретировать жидкость, подобную спинномозговой жидкости (СМЖ)5. Это модель сосудистого сплетения головного мозга (ХС), которое находится в каждом желудочке мозга и секретирует спинномозговую жидкость. Клетки хориоидального эпителия регулируют то, что переходит из крови в спинномозговую жидкость. Как отмечают Виолета Сильва-Варгас и Фиона Детч из Базельского университета6, «отсутствие инструментов ограничивает исследование ХП, особенно у людей». С точки зрения протеомики, говорит Ланкастер, трудно отличить жидкость, которую производят эти органоиды, от реальной спинномозговой жидкости мозга. «Но на самом деле мы не можем назвать это настоящим СМЖ, потому что он производится in vitro, и есть вещи, поступающие из среды, такие как белки мышиного или коровьего происхождения, которые, конечно, не будут присутствовать in vivo в человеческом СМЖ», - говорит она. . В этой системе присутствует коровий альбумин, а не человеческий альбумин, поскольку альбумин бычьей сыворотки присутствует в качестве добавки к клеточной среде. После публикации она получила известие от лабораторий, которые планируют использовать систему для нейротоксикологических тестов, чтобы проверить нежелательное проникновение в мозг. Другие команды планируют изучить более эффективные способы доставки лекарств в мозг или то, как СМЖ может измениться при болезненных состояниях. Лаборатория Ланкастера использует органоиды для изучения развития и эволюции сосудистого сплетения, а также в отношении остального мозга. «Мы также обнаруживаем, что эти органоиды открывают интересное окно в биологию этой недостаточно изученной области мозга и что их также можно использовать в сочетании с другими органоидами мозга для понимания биологии заболеваний, включая эффекты SARS-CoV-2», она говорит.

Будучи студентом-медиком в Румынии, исследователь Стэнфордского университета Серджиу Пашка хотел улучшить положение своих пациентов, страдающих нервно-психическими расстройствами, — конечно, не с помощью трепанации, при которой в черепе человека просверливают отверстие, чтобы удалить «камень безумия», как это было сделано в средние века и изображен Иеронимом Босхом, одним из любимых художников Пашки. Летом Пашка работал в лабораториях Института исследования мозга Макса Планка во Франкфурте и записывал данные зрительной коры кошек. «Я был поражен тем, что на самом деле означает иметь доступ к нейрону», — говорит он. Он мечтал непосредственно изучать нейроны человека. Когда появились способы создания ИПСК, он начал исследовательскую карьеру в качестве постдокторанта в лаборатории Рикардо Долмеча в Стэнфорде. Он смоделировал мутацию, связанную с аутизмом, которая влияет на кальциевые каналы в электрически активных нейронах, полученных из ИПСК. Покрытие нейронов монослоями и поддержание их жизни для наблюдения достаточно долго для моделирования развития коры было «кошмаром», говорит он. Разочарование заставило его попробовать пластину с низким уровнем прикрепления, где клетки превращались в плавающие сферические структуры. Сейчас в своей собственной Стэнфордской лаборатории он возглавляет команду, которая разработала методы управления органоидами, живущими до 800 дней. Органоиды — это способ масштабировать эксперименты. Их можно оценить с высоким разрешением с помощью анализа отдельных клеток. Применение методов молекулярной биологии к органоидам — это способ понять специфическую для человека природу нервно-психических расстройств и развития мозга. Лаборатория Пашки и другие исследователи связали органоиды в ассемблоиды. Один такой ассамблоид включает в себя органоид, обогащенный возбуждающими нейронами, и другой, обогащенный тормозными нейронами7. Модель отражает аспекты поиска аксональных путей, а также миграции, например, как некоторые популяции нейронов мигрируют из вентральной в дорсальную часть переднего мозга. Эта миграция происходит в мозге плода и продолжается после рождения, говорит Пашка, и, по-видимому, она нарушается при ряде нарушений нервного развития, включая некоторые типы эпилепсии и аутизма. Лаборатория разрабатывает трехходовой кортико-моторный ассемблоид. Это кортикальный органоид, органоид спинного мозга и мышца, выращенная in vitro в трехмерную структуру. В организме корковые нейроны проецируются на спинной мозг и соединяются со спинальными мотонейронами, которые проецируются на мышцы и образуют нервно-мышечные соединения, которые могут запускать мышечную активность. В этой схемной модели оптогенетическая стимуляция кортикального органоида заставляет мышечный органоид подергиваться.