Ученые вырастили в пробирке нервную систему человека

Ученые впервые вырастили в лаборатории крошечную трехмерную модель самых ранних стадий развития центральной нервной системы человека.

Новая модель представляет собой разновидность органоида - миниатюрной 3D-модели, изготовленной из живых тканей и разработанной для имитации уникальных особенностей строения человеческих органов. Такие миниатюрные органы предназначены для более точного отображения биологии человека, чем традиционные модели на животных. Например, эти модели могли бы помочь исследователям более точно предсказать, какие препараты в процессе исследований могут быть эффективны на людях, чем эксперименты в лабораторных чашках и на мышах.

В последние годы было разработано множество органоидов, от крошечных бьющихся сердец до крохотных яичек. Кроме того, органоиды головного и спинного мозга выращивались и раньше, но ученые, создавшие новую модель, говорят, что это первый случай, когда все три секции эмбрионального головного и спинного мозга имитированы в лаборатории. Они описали свои результаты в статье, опубликованной в 26 февраля в журнале Nature.

Команда надеется, что модель может быть использована для лучшего понимания учеными заболеваний мозга, возникающих на ранних этапах развития. К ним может относиться, например, микроцефалия.

"Сама по себе система действительно новаторская, - говорится в заявлении Орли Райнер, соавтора исследования и профессора нейрохимии Научного института Вейцмана в Израиле. - Модель, имитирующая эту структуру, ранее не создавалась Она предлагает большие возможности для изучения развития человеческого мозга и особенно заболеваний головного мозга, возникающих при развитии".

Новая модель была создана с использованием плюрипотентных стволовых клеток человека, то есть клеток, которые потенциально могут стать клетками любого типа в организме.

Сначала стволовые клетки были собраны в ряд длиной около 4,39 сантиметра и шириной 0,018 см. Это напоминало, но не совсем соответствовало форме и размеру нервной трубки — ранней структуры, из которой берут начало головной и спинной мозг, — которая присутствовала бы у 4-недельного человеческого эмбриона.

Затем команда поместила этот ряд клеток в так называемое микрофлюидное устройство, содержащее множество крошечных каналов. Они подвергли клетки воздействию различных химических веществ по этим каналам, заставляя клетки расти и формировать трехмерную структуру, напоминающую раннюю центральную нервную систему.

Ученые также добавили гель, который заставил стволовые клетки специализироваться на клетках, которые позже сформируют нейроны, клетки нервной системы, передающие сигналы.

В течение 40 дней клетки внутри органоида самоорганизовались в структуры, напоминающие ранние стадии развития головного и спинного мозга у человеческого эмбриона. Это включало формирование структур, известных как передний, средний и задний мозг, а также спинной мозг. 

На этом этапе органоиды точно имитировали степень развития, которая наблюдалась бы у 11-недельного эмбриона.

Команда признала некоторые ограничения своей новой модели. Например, нервная трубка в органоиде выглядела настолько отличной от человеческой, что модель, скорее всего, не готова к использованию для изучения нарушений, вызванных неполным развитием нервной трубки. К таким нарушениям относится врожденный дефект расщелины позвоночника.

Тем не менее, исследователи надеются, что при дальнейших доработках модель можно будет использовать для изучения различных заболеваний головного и спинного мозга человека с использованием стволовых клеток, взятых непосредственно у пациентов. Если им удастся соединить нейроны внутри органоидов в цепи, они, возможно, даже смогут пролить свет на такие состояния, как паралич, при которых мозг больше не может посылать инструкции по движению в спинной мозг.