Американским исследователям удалось вырастить из стволовых клеток функционирующие дофаминергические человеческие нейроны в мозге мышей. Однако эффективность интеграции этих клеток в мышиную нервную ткань была низкой. Отчет о работе опубликован в журнале Stem Cell Reports.
Выращивание человеческих тканей и органов в организме животных представляет большой интерес для моделирования заболеваний, регенеративной медицины и трансплантологии. Принципы этой технологии — она называется комплементацией бластоцисты — разработаны относительно давно. Для этого в половых клетках животного выключают гены, отвечающие за развитие заданного органа, получают из них эмбрион и на освободившееся место подсаживают эмбриональные стволовые клетки другого вида, в частности человека. Тем не менее практическая реализация этого процесса несет множество сложностей, преодолеть которые пока удавалось лишь в отдельных случаях и только у очень близких видов, например, мыши и крысы (подробно об этом рассказано в материале «О свиньях и людях»).
Для создания необходимой ниши в развитии нервной системы сотрудники Университета Джонса Хопкинса под руководством Теда Доусона (Ted Dawson) отключили в мышиных половых клетках гомеобокс-содержащий ген En1. Кодируемый им белок Engrailed 1 (En1) критически необходим для формирования среднего и ромбовидного мозга, а также зачатков конечностей, но не коры мозга. Кроме того, без него не выживают дофаминергические нейроны.
В 3,5 дневные бластоцисты, полученные из En1+/--половых клеток, ввели подготовленные по протоколу RSeT и снабженные генами флуоресцентных белков человеческие эмбриональные стволовые клетки линий RUES, после чего перенесли их псевдобеременным самкам мышей для вынашивания. Проточная цитометрия RUES1-GFP En1+/+, En1+/- и En1-/- эмбрионов, а также обычных мышиных на том же сроке для контроля, выявила небольшой процент GFP+ клеток во всех эмбрионах, в которые вводили человеческие стволовые клетки; больше всего их было в En1-/- эмбрионах. Мозг единственной RUES1-dsRed En1-/- мыши, прожившей 23 дня, сравнили с аналогичным органом RUES1-dsRed En1+/+ и RUES1-dsRed En1+/- животных того же возраста. Видимых различий в строении ствола мозга, мозжечка и переднего мозга у них не было. У RUES1-dsRed En1-/- мышей наблюдалась dsRed-флуоресценция в среднем мозге, мозжечке и коре, колокализованная с человеческим нуклеарным антигеном, что свидетельствует о химеризации с человеческой тканью.
Ограниченное количество RUES1-GFP En1-/- эмбрионов не позволило провести у них детальный анализ человеческих клеток, и авторы работы сосредоточили внимание на RUES1-GFP En1+/- эмбрионах и развившихся из них мышах, в частности на их среднем мозге. Доля человеческих клеток в нем у таких животных была невелика, но больше, чем у RUES1-GFP En1+/+, и они были сосредоточены преимущественно в вентральном, а не дорсальном среднем мозге. При этом существенное количество GFP+ клеток было колокализовано с экспрессией фермента тирозингидроксилазы (TH+), играющего ключевую роль в синтезе дофамина, а также другими маркерами обмена дофамина (DAT, hD2R, hSLC6A3, hGIRK2 и hVMAT), человеческим нейрональным маркером hMAP2 и маркерами зрелых дофаминергических нейронов (OTX2, LMX1A, FOXA2, NURR1, PITX3, ALDH2 и SOX6). Введение флуоресцентной пробы FFN102 подтвердило, что эти человеческие нейроны захватывают дофамин.
Электрофизиологический анализ отдельных клеток в срезах вентрального среднего мозга и гиппокампа четырехмесячных RUES1-GFP En1+/− мышей показал, что нейроны, выросшие из человеческих стволовых клеток, генерируют нервные импульсы и участвуют в активности физиологических сетей путем функциональной синаптической интеграции. Дополнительный эксперимент показал, что такие GFP+/TH+ клетки реагируют на введение рекомбинантных преформированных фибрилл α-синуклеина, которые используются для моделирования болезни Паркинсона.
Таким образом, нокаут En1 обладает потенциалом для создания химерных мышей с человеческими нейронами, которые можно использовать в изучении дифференцировки этих клеток и моделировании человеческих заболеваний мозга, однако эта технология нуждается в основательной дальнейшей оптимизации, заключают авторы работы.
В ноябре 2023 года китайские исследователи представили макака-крабоеда с высоким уровнем химеризма — примерно две трети его клеток были флуоресцентными и происходили из стволовых клеток, искусственно подсаженных в эмбрион. Тогда же их испанские коллеги отчитались о том, что им не удалось воспроизвести технологию выращивания миокарда и сосудистой стенки другой особи в химере мышь-крыса.