Крошечные органоиды человеческого мозга годами выживали вне тела, продолжали созревать и даже перескакивали через стадии развития. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Учёным удаётся поддерживать жизнеспособность крошечных органоидов человеческого мозга более пяти лет, что позволяет получить редкую возможность заглянуть в более поздние стадии развития мозга.
Эти структуры размером с горошину перца продолжали созревать и сохраняли биологические свидетельства своей истории развития. Исследователи также обнаружили, что более старые клетки могут перескакивать на несколько месяцев вперед, когда их стимулируют к образованию новых нейронов, создавая своего рода «временную петлю» в процессе развития. Исследование проводилось нейробиологами из Гарвардского университета и Института Броуда.
«Мы не знали, насколько далеко может зайти развитие и созревание тканей человеческого мозга за пределами нормального мозга внутри головы», — сказала соавтор исследования профессор Паола Арлотта из Гарварда. «Эта работа показала, что на самом деле возможно не только обеспечить выживание этих органоидов в культуре, но и их дальнейшее изменение, развитие и созревание в течение таких длительных периодов времени, которые ранее никогда не достигались».
Сохранение жизнеспособности клеток головного мозга вне живого организма всегда было серьезной проблемой. Нейроны, в частности, известны своей хрупкостью после извлечения из естественной среды.
Исследователи установили предыдущий рекорд долголетия в 694 дня в 2021 году. В отличие от этого, человеческий мозг продолжает развиваться примерно два десятилетия, что является поразительно длительным периодом по сравнению с другими видами. Большинство исследований органоидов смогли зафиксировать лишь самую раннюю часть этого процесса.
Как ни странно, процесс начинается с крови. Исследователи берут образец крови у живого донора, а затем используют ряд биохимических сигналов для перепрограммирования клеток крови в плюрипотентные стволовые клетки. Эти клетки могут превратиться практически в любой тип клеток организма.
Дополнительные сигналы направляют дальнейшую трансформацию, побуждая клетки к образованию ткани мозга, несущей ДНК донора, но растущей вне тела, а не внутри черепа.
В рамках этого исследования команда отслеживала состояние 34 органоидов с помощью секвенирования РНК отдельных клеток в восьми точках, в течение периодов от шести месяцев до пяти лет. Объединив данные с результатами более ранних работ, исследователи проанализировали 110 органоидов и почти 425 000 отдельных клеток.
Один из наиболее очевидных сигналов поступил от метилирования ДНК — процесса, который помогает регулировать включение или выключение генов во время развития. Процесс метилирования протекает по предсказуемому графику, функционируя почти как биологические часы. Органоиды следовали этим часам с поразительной точностью.
«Мониторинг метилирования показал, что эти органоиды, по сути, делали то же самое, что и эндогенный мозг», — сказала Арлотта.
Затем последовало еще более странное открытие. Исследователи объединили клетки разного возраста от разных доноров в один органоид, чтобы определить, будут ли старые и молодые клетки вести себя по-разному рядом друг с другом. При воздействии сигналов, предназначенных для генерации новых нейронов, молодые клетки следовали ожидаемой схеме развития и образовывали нейроны на ранней стадии.
Более старые клетки сделали нечто неожиданное. Они немедленно образовали нейроны, которые обычно появляются на стадии развития на два-три месяца позже.
«Результаты нас немного шокировали», — сказала Арлотта. «Я бы назвала это „машиной времени“ в развитии — они перескочили через мгновение».
Две бывшие научные сотрудницы лаборатории Арлотты, Ирен Фаравелли и Ноэлия Антон-Боланьос, руководили исследованием и являются соавторами, разделившими первое место в списке авторов.
Ранее они разработали «химероиды» — органоиды, созданные из клеток, принадлежащих нескольким донорам. В новом исследовании они применили эту технику.
«Мы можем выращивать эти органоиды в течение очень длительных периодов времени, чего раньше не знали», — говорит Антон-Боланьос из Университетского медицинского центра Утрехта. «Они способны записывать время, развиваться и приобретать черты, о которых мы не знали, пока не начали выращивать их в течение более пяти лет».
Фаравелли из Миланского университета заявила, что полученные результаты показывают, что органоиды способны к тому, что она называет «самовозрождением» в течение длительных периодов времени, подобно клеткам внутри живой коры головного мозга.
«Человеческий мозг очень труднодоступен для изучения, — сказала она. — С помощью органоидов мы начали с изучения самых первых процессов, а теперь приближаемся к изучению процессов, происходящих на более поздних стадиях развития».
Команда исследователей обнаружила, что стимулирование спонтанной активности нейронов повышает их выживаемость. Затем исследователи разработали жидкую питательную среду, предназначенную для стимуляции этой активности, и добавили к ней аминокислотную добавку, которая обеспечивала дополнительный источник энергии.
В течение девяти месяцев количество нейронов увеличилось, а синаптические связи стали более плотными. Спустя год каждый органоид, выращенный в новой среде, продемонстрировал сильные всплески электрической активности. Эта активность продолжалась в течение двух лет, в то время как органоиды, выращенные без новой среды, не проявляли никакой активности.
В лаборатории сейчас есть органоиды, возраст которых достигает семи лет, хотя команда не стремится к установлению нового рекорда ради самого рекорда. Поддержание таких культур на протяжении многих лет — медленный и дорогостоящий процесс, поэтому команда переключает свое внимание на использование эффекта «искажения времени».
«Цель состоит не в том, чтобы выяснить, как далеко мы можем зайти», — сказала Арлотта. «Теперь мы знаем, что можно добиться многого, и я думаю, что с тем, чего мы уже достигли, можно многого добиться. Теперь нам нужно понять, как ускорить этот процесс».
Арлотта считает, что эта работа открывает двери, которые долгое время были закрыты для исследователей мозга. Ученые смогут создавать большое количество органоидов для изучения заболеваний, тестирования лекарств и предоставления данных биологическим моделям искусственного интеллекта.
«Мы можем раскрыть целый спектр биологических процессов в человеческом мозге, которые раньше не наблюдались», — сказала Арлотта. «Мы показали, что это возможно — это доказательство принципа, — но нам, очевидно, нужно понять, как использовать полученные знания для понимания более поздних стадий развития, не дожидаясь годами, пока вырастут органоиды».
«Это важный момент, когда достижения в области моделей искусственного интеллекта для биологии и биомедицины в сочетании со способностью создавать тканевые аватары человеческих органов открывают двери для создания моделей человеческого мозга, которые можно использовать для прогнозирования биологических особенностей мозга пожилых людей, прогрессирования заболеваний и реакции человека на терапию», — заключила она. «Наука претерпевает трансформацию, и я верю, что это позволит нам раскрыть мощные биологические механизмы человеческого мозга, которые до сих пор были практически недоступны ни ученым, ни врачам.
