Биологи вырастили мини-мозг с глазами, чтобы понять, как нейроны бегут от света

Команда под руководством профессора Джея Гопалакришнана из Университетской больницы Дюссельдорфа вырастила из стволовых клеток человека миниатюрные копии мозга, которые самопроизвольно сформировали парные глазные структуры, способные реагировать на свет и передавать сигналы в нервную ткань. Это исследование вышло в августе 2021 года в журнале Cell Stem Cell.

Как из стволовой клетки вырастает глаз

Отправной точкой стали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — взрослые клетки человека, которые перепрограммированы в состояние, подобное эмбриональному, и могут превратиться в любой тип ткани. Исследователи поместили эти клетки в специальную питательную среду, где те начали самоорганизовываться в трехмерные структуры — так называемые мозговые органоиды.

Гопалакришнан и его коллеги модифицировали собственный протокол превращения стволовых клеток в нервную ткань. И уже на 30-й день в органоидах начали формироваться зрительные пузырьки — зачатки будущих глаз. К 50-му дню эти структуры стали хорошо различимыми. Временной график поразительно точно совпадает с развитием сетчатки в человеческом эмбрионе.

В эксперименте были использованы 16 независимых партий клеток от четырех доноров. Из 314 выращенных мозговых органоидов 72 процента сформировали зрительные структуры.

Что внутри этого «глаза»

Зрительные структуры, которые получили название OVB-органоидов, содержат полный набор клеточных компонентов развивающегося глазного пузырька. Под микроскопом видны зачатки роговицы, хрусталика и пигментного эпителия сетчатки. Присутствуют клетки-предшественники нейронов сетчатки и формирующиеся фоторецепторы — те самые клетки, которые в настоящем глазу улавливают свет.

Особенно важно, что эти глазные структуры оказались двусторонними и симметричными, расположившись в передней части мозгоподобной области органоида — так же, как в эмбрионе человека глаза закладываются по бокам от развивающегося переднего мозга.

Ключевой прорыв заключается в том, что ранее ученые умели выращивать из стволовых клеток либо чистую сетчатку, либо мозговую ткань. Никому не удавалось функционально интегрировать глазные структуры в мозговые органоиды. Исследователи из Дюссельдорфа впервые показали, что нервные волокна ганглиозных клеток сетчатки протягиваются к своим целям в мозговой ткани, как это происходит в развивающемся организме.

Органоид видит свет

Чтобы проверить, работает ли эта связь, ученые провели серию функциональных тестов. Они направили свет разной интенсивности на выращенные органоиды и зафиксировали реакцию: фоторецепторы сетчатки генерировали электрические сигналы. Более того, эти сигналы распространялись по нейронным путям в мозговую ткань органоида

После кратковременной фотообесцвечивания светочувствительность органоидов восстанавливалась, что указывает на наличие функциональных механизмов адаптации к свету. Это означает, что исследователи получили не просто набор клеток, напоминающих глаз, а реально функционирующую систему, где свет преобразуется в нервные импульсы.

Джей Гопалакришнан, старший автор исследования, отмечает: проделанная работа выявила возможность мозговых органоидов формировать зачаточные сенсорные структуры. Эти структуры обладают чувствительностью к свету и включают в себя клеточные элементы, которые по своим характеристикам напоминают клетки, присутствующие в реальном организме.

Зачем это нужно

Помимо фундаментального интереса, работа имеет прямое прикладное значение. Во-первых, органоиды позволяют изучать взаимодействие мозга и глаза во время эмбрионального развития без использования животных моделей. Во-вторых, на их основе можно моделировать врожденные заболевания сетчатки. В-третьих, открывается возможность создавать пациент-специфичные типы клеток сетчатки для персонализированного тестирования лекарств и даже для трансплантационной терапии

Особую ценность модель представляет для изучения редких офтальмологических заболеваний генетической природы, для которых у животных отсутствуют адекватные модели. Используя стволовые клетки пациентов с аномалиями развития глаза, ученые могут вырастить патологические органоиды и на них исследовать молекулярные механизмы болезни, а затем тестировать потенциальные лекарства.

Важно понимать, что выращенный органоид — это не миниатюрный мозг, а упрощенная модель. Он не имеет сознания, не способен к сложной обработке информации и не содержит всех типов клеток, характерных для настоящего мозга.

Глазные структуры в нем — это примитивные аналоги, напоминающие глаз на ранних стадиях эмбрионального развития. Размер органоидов составляет около 2-3 миллиметров, а сами глазные структуры — около 0,02 миллиметра.