Выращенный в Гарварде «мини-мозг» прожил шесть лет и полностью повторил развитие человека

Ученые Гарвардского университета вырастили в пробирке миниатюрные копии человеческого мозга — органоиды, — которые непрерывно развивались почти шесть лет. Это самый длительный срок наблюдения за подобными структурами за всю историю их изучения: большинство прежних экспериментов ограничивались несколькими неделями или месяцами. Результаты исследования, которым руководила нейробиолог Паола Арлотта, опубликованы в журнале Nature.

Органоиды выращивают из стволовых клеток человека: под воздействием определенных сигналов они самостоятельно организуются в трехмерные структуры, повторяющие строение коры головного мозга. Команда Арлотты культивировала такие образцы более пяти лет, а часть из них продолжала расти и после завершения исследования. С помощью секвенирования РНК на уровне отдельных клеток ученые изучили 26 органоидов, собранных в возрасте от шести месяцев до четырех лет, и объединили эти данные с результатами более ранних наблюдений за структурами возрастом от 15 дней до полугода. В общей сложности анализу подверглись данные о более чем 257 тысячах клеток.

Выяснилось, что органоиды проходят те же стадии развития и в том же темпе, что и мозг человека в естественных условиях. Изменения в структурах возрастом от 15 дней до двух месяцев соответствовали процессам, происходящим в мозге плода на ранних сроках. Признаки, характерные для органоидов трех-шести месяцев, совпадали с изменениями мозга во втором триместре беременности, а спустя год культивирования картина экспрессии генов приближалась к той, что наблюдается у новорожденных. Чтобы проверить, насколько развитие органоидов соответствует естественному, ученые применили метод оценки биологического возраста по химическим изменениям в ДНК — так называемые эпигенетические часы. Эти модели заранее обучены на данных о реальных людях разного возраста и умеют по состоянию клетки определять, на каком этапе развития или старения она находится. Проверка показала: биологический возраст клеток органоида совпадал с тем, сколько времени они на самом деле провели в культуре, — то есть развитие шло в реальном, а не ускоренном или случайном темпе.

Еще одним важным открытием стало то, что клетки-предшественники в «старых» органоидах сохраняют своего рода клеточную память о пройденном пути развития. Они способны формировать более поздние типы клеток напрямую, не повторяя ранние этапы созревания, — подобно тому, как если бы клетка «помнила», сколько времени уже прошло. Исследователи также зафиксировали появление признаков старения на клеточном уровне, включая миелинизацию — процесс формирования защитной оболочки вокруг отростков нейронов.

При этом со временем в органоидах наблюдалось постепенное снижение числа зрелых нейронов, отвечающих за ключевые функции мозга. Чтобы замедлить этот процесс, ученые разработали новую питательную среду, поддерживающую спонтанную электрическую активность клеток: регулярная стимуляция помогала нейронам дольше оставаться жизнеспособными.

Важно отметить, что постнатальный период созревания человеческого мозга — один из наименее изученных из-за практической недоступности живой ткани для прямого исследования. Долгоживущие органоиды дают возможность моделировать эти процессы в лаборатории на протяжении лет, а не недель. По мнению авторов работы, такие модели могут быть использованы для изучения того, как формируются и развиваются нейродефицитарные расстройства, в том числе аутизм, а также для тестирования потенциальных методов терапии.

Источник: harvard.edu