ЕРЕВАН, 19 окт — Sputnik. Добавляя простую пищевую добавку, исследователи теперь могут производить стандартные органоиды мозга в больших количествах, преодолевая многолетние трудности с масштабированием. Эта масштабируемая система может ускорить исследования в области безопасности лекарственных препаратов и заболеваний мозга. Об открытии ученых Стенфорда сообщил ресурс sciencedaily.
Уже почти десять лет программа органогенеза мозга Стэнфордского университета меняет подход учёных к изучению человеческого мозга. Вместо того, чтобы полагаться на неповреждённую мозговую ткань людей или животных, исследователи программы выращивают трёхмерные структуры, подобные мозгу, в лабораторных условиях, используя стволовые клетки. Эти крошечные модели, называемые человеческими нейронными органоидами и ассемблоидами, позволяют учёным изучать развитие и функционирование мозга совершенно по-новому.
Программа, запущенная в 2018 году Институтом нейронаук при Стэнфордском университете в рамках инициативы "Большие идеи в нейронауке", объединяет экспертов в области нейронауки, химии, инженерии и других дисциплин. Вместе они исследуют нейронные цепи, связанные с болью, гены, связанные с нарушениями нейроразвития, и новые методы изучения нейронных связей в мозге.
На протяжении всего периода реализации программы сохранялась одна проблема: масштабирование производства. Для глубокого понимания развития мозга, изучения нарушений развития или тестирования потенциальных методов лечения исследователям необходимо производить тысячи органоидов одинакового размера и формы. Однако эти хрупкие структуры склонны слипаться, что затрудняет выращивание больших и стабильных партий.
Группа под руководством Серджиу Паски, профессора психиатрии и поведенческих наук, недавно нашла неожиданно простое решение. Ключом к предотвращению слипания органоидов стала ксантановая камедь, широко используемая как пищевая добавка.
"Сейчас мы можем легко изготовить 10 000 таких", — сказал Паска, директор программы органогенеза мозга Стэнфордского университета. В соответствии с обязательством программы сделать свои методы широко доступными, они уже поделились своим подходом, чтобы другие могли им воспользоваться. "Как и все наши методы, он открыт и доступен бесплатно. Многие лаборатории уже внедрили эту технологию".
Когда-то их было так мало, что вы могли бы давать им имена
Когда-то такой уровень производительности был просто немыслим. Около двенадцати лет назад Паска разработал способ превращения стволовых клеток в трёхмерные ткани, которые позже стали известны как регионарные нейронные органоиды. В то время он мог создать лишь несколько экземпляров.
"Вначале у меня их было восемь или девять, и я называл каждого из них в честь мифологических существ", — отметил исследователь.
Но цель Паски была гораздо масштабнее: выяснить, как развивающийся мозг может давать сбои при таких состояниях, как аутизм или синдром Тимоти, и изучить, как лекарства могут влиять на это развитие. "Нам нужно было создать тысячи органоидов, и все они должны были быть одинаковыми", — сказал он.
Он также признал, что для успеха потребуется команда разносторонних специалистов. "Я подумал: "Это новая область, и нам предстоит столкнуться со множеством проблем, и единственный способ их решения — это внедрение инновационных технологий", — подчеркнул ученый.
Чтобы воплотить эту идею в жизнь, Паска сотрудничал с нейробиологом и биоинженером Карлом Дейссеротом, создав междисциплинарную группу, которая официально запустила Стэнфордскую программу органогенеза мозга.
"Антипригарное" решение
Вскоре возникла проблема липкости. Органоиды начали слипаться, что привело к появлению меньшего количества органоидов разных форм и размеров. В лаборатории постоянно говорили, что делали сотни органоидов, но в итоге получались лишь десятки.
С одной стороны, это предполагало, что исследователи смогут соединить два разных типа органоидов — скажем, крошечный мозжечок и спинной мозг — для изучения развития более сложных структур мозга. Действительно, эти ассемблоиды теперь являются ключевой частью работы Паски и его коллег.
С другой стороны, команде все еще необходимо было иметь возможность создавать большое количество органоидов, чтобы иметь возможность собирать точные данные о развитии мозга, проверять препараты на предмет дефектов роста или осуществлять любое количество других масштабных проектов.
Лаборатории требовалось что-то, что позволяло бы разделять органоиды при их групповом выращивании. В конечном итоге команда рассмотрела 23 различных материала, стремясь сделать свои методы доступными для других.
Ученые остановили свой выбор на материалах, которые считались биосовместимыми, а также относительно экономичными и простыми в использовании.
Для тестирования каждого из них они сначала выращивали органоиды в богатой питательными веществами жидкости в течение шести дней, а затем добавляли один из тестовых материалов. Спустя ещё 25 дней команда просто подсчитала количество оставшихся органоидов.
Исследователи экспериментально выяснили, что даже в небольших количествах ксантановая камедь предотвращала слияние органоидов, не оказывая при этом побочных эффектов на их развитие. Это означало, что исследователи могли сохранять органоиды раздельно, не искажая результаты своих экспериментов.
Наконец-то удалось масштабировать результаты
Чтобы продемонстрировать потенциал этой методики, команда использовала её для решения реальной проблемы: врачи часто не решаются назначать потенциально полезные препараты беременным женщинам и младенцам, поскольку не знают, могут ли эти препараты навредить развивающемуся мозгу (по этическим соображениям препараты, как правило, не тестируют на беременных женщинах и младенцах).
Чтобы показать, как органоиды решают эту проблему, ученые вырастили 2400 органоидов и испытали на них 298 препаратов. В итоге было доказано, что несколько препаратов, в том числе один, используемый для лечения рака молочной железы, замедляют рост органоидов, что позволяет предположить их потенциальное негативное влияние на развитие мозга.
Этот эксперимент показывает, что исследователи могут обнаружить потенциальные побочные эффекты — и делают это весьма эффективно.
Паска и его коллеги из Стэнфордской программы органогенеза мозга теперь надеются использовать свою технологию для достижения прогресса в лечении ряда нейропсихиатрических расстройств, таких как аутизм, эпилепсия и шизофрения.