Учёные решили давнюю проблему по выращиванию органоидов мозга, используя простую пищевую добавку для того, чтобы они не склеивались. Этот прорыв позволяет производить тысячи идентичных мини-мозгов одновременно, сделав возможным широкомасштабные испытания и исследования. Этот скачок может произвести революцию в том, как мы изучаем развитие мозга и производим скрининг препаратов на предмет побочных эффектов. Открытие прокладывает новый путь к пониманию и лечению таких расстройств как аутизм и шизофрения.
Почти десять лет Стэнфордская программа органогенеза мозга даёт новое определение тому, как учёные изучают мозг человека. Вместо того, чтобы брать за основу неповреждённые ткани человека или животных, участвующие в программе исследователи выращивают трёхмерные мозгоподобные структуры в лаборатории, используя стволовые клетки. Эти крохотные модели, именуемые человеческими нейронными органоидами и ассемблоидами, позволяют учёным исследовать развитие и функционирование мозга абсолютно новыми способами.
Стартовавшая в 2018 году в рамках инициативы «Большие идеи нейробиологии» Института нейробиологии Стэнфордского университета, программа объединяет экспертов из области нейробиологии, химии, инжиниринга и других дисциплин. Они совместно исследуют связанные с болью нейронные контуры, гены, ассоциируемые с расстройствами развития нервной системы и новые методы изучения связей в мозге.
Одной из злободневных проблем на всём протяжении программы было масштабирование производства. Чтобы получить глубокое понимание развития мозга, исследовать расстройства развития или испытать потенциальные лекарства, исследователям необходимо производить тысячи одинаковых по размеру и форме органоидов. Однако эти чувствительные структуры имеют тенденцию склеиваться, затрудняя производство больших однородных партий.
Группа учёных под управлением профессора психиатрии и бихевиоризма Сергиу Паска и профессора инжиниринга Сары Хайльшорн из Института нейробиологии недавно обнаружила неожиданно простое решение. Как сообщается в Nature Biomedical Engineering ключом к решению проблемы комкования органоидов стала ксантановая камедь, широко используемая в качестве пищевой добавки.
«Теперь мы можем с лёгкостью производить их в количестве 10000 штук», — говорит Паска. Реализуя намерение программы обеспечивать широкий доступ к своим методам, они уже делятся этим подходом, чтобы остальные могли воспользоваться его преимуществами. «Он, наряду с другими нашими методами, открыт для свободного использования. Этим методом уже пользуется множество лабораторий».
Их так мало, что им можно давать имена
Когда-то уровень производства был невообразимым. Около двенадцати лет назад Паска только разработал способ обращать стволовые клетки в трёхмерные ткани, которые позднее станут известны как реорганизованные нейронные органоиды. На тот момент он мог производить их только с пригоршню.
«В самом начале у меня их было штук восемь-девять, и я давал им имена мифологических существ», — говорит Паска.
Но перед Паска стояла куда более крупная цель: раскрыть, как развитие мозга может пойти вкривь и вкось при таких расстройствах, как аутизм или синдром Тимоти, и исследовать, как препараты могут повлиять на такое развитие. «Нам нужно было производить тысячи органоидов, и чтобы все они были одинаковыми», — говорит он.
Он также понимал, что для успеха потребуется группа разнообразных специалистов. «Я подумал: «Это — нарождающаяся отрасль, и нам придётся столкнуться с кучей проблем, и мы столкнёмся с ними и решим их, применяя инновационные технологии», — говорит Паска.
Для реализации своего видения Паска начал сотрудничать с Карлом Дейссеротом, нейробиологом и биоинженером, чтобы собрать междисциплинарную группу, которая официально запустила Программу органогенеза мозга Стэнфордского университета при поддержке гранта «Большие идеи нейробиологии».
Противосклеивающий раствор
Потом подняла голову проблема склеивания. Органоиды слипались, давая в итоге меньшее количество органоидов различной формы и размеров.
«Народ в лаборатории постоянно говорил «Я сделал сотню органоидов, а в итоге у меня их двадцать», — говорит Паска.
Это было и благословением и проклятием одновременно. С одной стороны, это предполагало, что исследователи могут склеить два разных типа органоидов, например, крохотный мозжечок и спинной мозг, чтобы исследовать развитие более сложных структур мозга. Действительно, такие ассемблоиды сейчас составляют основную часть работы Паска и его коллег.
С другой стороны, учёным всё ещё было нужно создавать большие количества органоидов, чтобы они смогли собирать точные данные по развитию мозга, проводить скрининг препаратов на предмет дефектов развития, или реализовывать любое количество других проектов в широких масштабах.
Одним из вариантов было бы выращивать каждый органоид в отдельной чашке, но это зачастую малопроизводительно. Вместо этого лаборатории требовалось нечто разделяющее органоиды, в то время как они выращиваются партиями, поэтому Паска стал сотрудничать с Хайльшорн, проектировщиком материалов, чтобы попробовать другие варианты.
В общей сложности учёные рассмотрели 23 разных материала, одновременно думая о том, чтобы их методы смогли использовать другие люди.
«Мы выбрали материалы, которые уже считались биосовместимыми, и которые будут относительно низкозатратными и простыми в использовании, чтобы другие учёные смогли с лёгкостью перенять наши методы», — говорит Хайльшорн.
Чтобы испытать каждый из них, сначала они растили органоиды в богатой питательными веществами жидкости в течение шести дней, затем добавляли один из тестируемых материалов. В течение ещё 25 дней учёные попросту считали, сколько органоидов осталось.
Даже в небольших количествах ксантановая камедь не давала органоидам склеиваться, и это не вызывало в развитии органоидов никаких побочных эффектов. Это означало, что исследователи могут хранить органоиды по отдельности, не внося погрешностей в результаты экспериментов.
Наконец-то масштаб
Чтобы продемонстрировать потенциал этого метода, учёные использовали его для решения реальной проблемы: доктора зачастую колеблются при назначении потенциально полезных препаратов беременным женщинам и детям, поскольку не знают, могут ли эти лекарства повредить развитию мозга. (Хотя одобренные FDA препараты проходят серьёзные исследования, этические соображения означают, что они как правило не испытываются на беременных женщинах и детях).
Чтобы показать, как органоиды справляются с этой проблемой, ведущий соавтор Гента Нарадзаки, приходящий исследователь в лаборатории Паска на момент проведения исследования, сначала вырастил 2400 органоидов партиями. Затем Нарадзаки добавлял по одному из 298 одобренных FDA препаратов к каждой партии, чтобы увидеть, приведут ли какие либо из них к дефектам развития. В тесном сотрудничестве с ведущим соавтором Юки Миура из лаборатории Паска, Нарадзаки показал, что несколько препаратов, один из которых используется при лечении рака груди, останавливал рост органоидов, предполагая, что они могут быть вредны для развития мозга.
Этот эксперимент показывает, что исследователи могут обнаруживать потенциальные побочные эффекты и делать это с высокой эффективностью. Паска говорит: «Один отдельно взятый экспериментатор самолично произвёл тысячи кортикальных органоидов и протестировал почти 300 препаратов».
Сейчас Паска и его коллеги надеются воспользоваться своим методом, чтобы достичь прогресса по ряду таких нейропсихиатрических расстройств, как аутизм, эпилепсия и шизофрения. «Работа с этими заболеваниями очень важна, но трудно пробить брешь, не увеличив масштаб, — говорит Паска. — Такая теперь цель».
Автор статьи — Нейтан Коллинз (Nathan Collins).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Стэндфордским университетом (Stanford University).
Вам также может быть интересно: