Органоиды представляют собой тщательно выращенные коллекции клеток в чашке, предназначенные для имитации структуры и состава органов лучше, чем обычные клеточные культуры, и дают исследователям уникальное представление о том, как растут и развиваются такие органы, как мозг. Чтобы сделать их экспериментально полезными, ученым необходимо определить, насколько точно эти модели воспроизводят поведение клеток в организме.

Теперь исследователи из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарвардского и Гарвардского университетов обнаружили, что органоиды человеческого мозга воспроизводят многие важные клеточные и молекулярные события развивающейся коры человека, части мозга , отвечающей за движение, восприятие и мышление. Их результаты появляются сегодня в Cell .

Команда вырастила органоиды мозга из стволовых клеток и внимательно изучала их рост в течение шестимесячного периода, используя инструменты, которые картируют положение клеток, экспрессию генов и доступность хроматина — что определяет, как регулируется активность генов — на уровне одной клетки и более. время. Затем они построили «атлас», характеризующий более 600 000 клеток из органоидов, образцы которых были отобраны по мере их развития и созревания. Команда обнаружила, что по прошествии первого месяца в каждом созданном органоиде одни и те же типы клеток развивались в том же порядке и экспрессировали те же гены, что и клетки развивающегося человеческого эмбриона.

«Для нас было очень важно доказать это», — сказала Паола Арлотта, старший автор исследования, член института в Броуде, ассоциированный член Центра психиатрических исследований Стэнли в Броуде и семейный профессор стволовых клеток и регенеративной биологии Голуб. в Гарвардском университете. «Это говорит нам о том, что мы можем использовать эти органоиды человеческого мозга для изучения процессов развития человеческого мозга, которые иначе мы бы никогда не смогли изучить».

Исследователи также смогли определить модели экспрессии генов и другие ключевые факторы развития, уникальные для человека. Они предполагают, что, поскольку эти органоиды являются достаточно точными моделями раннего развития мозга и могут быть выращены в относительно больших количествах в лаборатории из небольшого пула стволовых клеток, эти модели могут помочь ускорить исследования здоровья мозга и нарушений развития нервной системы.

«Эта область потратила — и будет продолжать тратить — так много времени на разработку лучших, более надежных и простых в выращивании органоидов человеческого мозга », — сказал Арлотта. «Теперь мы показали, что достигли точки, когда они достаточно хороши для изучения некоторых биологических процессов в коре головного мозга человека. И это продвинет область в сторону более глубокого понимания того, как устроен наш мозг и что делает оно особенное».

Оценка моделей

Органоиды особенно полезны для изучения развития человека, где нельзя использовать стандартные подходы, используемые для изучения других животных. Но некоторые ученые ранее задавались вопросом, может ли чашка для культивирования мозговых органоидов служить реалистичной заменой сложной среды человеческого мозга. Действительно, органоиды, как и другие клетки, выращенные в культуре в лаборатории, легко подвергаются стрессу и, следовательно, являются плохими моделями физиологических процессов.

Однако в последние годы лаборатория Арлотты и другие группы показали, как органоиды головного мозга могут повторять многие особенности развивающегося человеческого мозга. В своем последнем исследовании команда Арлотты использовала секвенирование РНК одной клетки для анализа экспрессии генов в отдельных клетках и обнаружила, что одни и те же гены были активны в органоидах и в ранее изученных тканях плода. Только два типа клеток среди многих в органоидах показали повышенную активность генов, связанных с метаболическим стрессом, что, возможно, отражает недостаток кислорода в центре органоидов. Этот эффект, однако, не изменил типы клеток в органоидах, предполагая, что метаболическое состояние моделей существенно не изменило их.

«Это важный шаг вперед», — сказала Аманда Кедайгл, соавтор исследования и ученый-вычислитель в лабораториях Паолы Арлотты и Джошуа Левина, старшего руководителя группы в Центре психиатрических исследований Стэнли и Обсерватории клеток Клармана в Широкая, и соавтор по работе. «Аномальный клеточный метаболизм является мощным препятствием для использования органоидов в исследованиях».

Уникально человеческий

Команда использовала данные об экспрессии генов, чтобы построить «дерево жизни» клеток в органоидах по мере их дифференцировки, показывая, например, как стволовые клетки становятся глиальными клетками или нейронами, а затем разветвляются на подтипы этих клеток. Сравнивая это дерево с его аналогом у мышей, исследователи обнаружили паттерны экспрессии генов и факторы транскрипции — регуляторы активности генов — уникальные для человека. Они идентифицировали гены, которые могут помочь определить, как формируются клеточные линии у людей, и планируют изучить функции этих генов в дальнейшем.

Исследователи также проанализировали ранние стадии развития, которые обычно происходят только в утробе матери. Они заметили, что тип клеток, называемых мозолистыми проекционными нейронами, которые имеют большее разнообразие подтипов у взрослых людей, чем у мышей, уже становился разнообразным даже на этих ранних стадиях. Эти клетки более распространены у людей, чем у других видов, и способствовали расширению коры головного мозга в ходе эволюции человека. Ученые давно задавались вопросом, как и когда эти особые клетки возникают и дифференцируются в человеческом мозгу.

«Теперь, когда у нас есть эти органоиды, прошедшие процесс формирования мозолистых нейронов, мы теперь можем углубиться во все эти вопросы об их происхождении, которые у нас всегда были и никогда не могли ответить», — сказала Ана Лопес Ускиано, соавтор исследования. исследование и постдокторский исследователь в лаборатории Арлотты.

Тем временем команда уже начала расширять свой анализ для изучения органоидов, которые росли в лаборатории в течение нескольких лет, предлагая заглянуть в более поздние периоды развития. Они также работают над новыми моделями органоидов мозга. В конечном счете, команда Арлотты надеется использовать стволовые клетки пациентов для создания надежных, персонализированных органоидов, на которых ученые смогут тестировать потенциальные лекарства и предсказывать реакцию пациента.

«Мы, как и многие другие, постоянно совершенствуем эти органоиды, — сказал Арлотта. «Я всегда шучу, что к тому времени, когда мы заканчиваем статью, у нас уже есть другая модель с лучшими характеристиками. И это то, что должно происходить в науке. Продолжайте двигаться вперед».