Создание трехмерных органоидов — выращенных в пробирке тканей, по строению очень близких к отдельным частям настоящих органов, — относительно новое направление в науке. Первые органоиды, представлявшие собой миниатюрное подобие человеческого мозга, были получены в Австрии в 2013 году.
В последующие годы эта область развивалась достаточно бурно: были представлены органоиды почек, печени, легких, сетчатки глаза. Эти прото-структуры считаются многообещающим инструментом для биологических и медицинских исследований. Но методы их создания пока не совершены. В частности, выращивание из стволовых клеток человека 3D-органоидов мозга не учитывает влияние внеклеточного матрикса среды (ВКМ), который играет ключевую роль не только во время развития, но и в физиологических и патологических состояниях взрослого мозга.
Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН предложили новый метод получения «мини-мозга». Он заключается в создании нейросфер на ультратонких нейлоновых нановолокнах, близких по размеру к структурам внеклеточного матрикса мозга. Идея разработки такой технологии родилась случайно, в ходе другого исследования — роста нейронов гиппокампа крысы на скаффолдах из ультратонких нановолокон.
«Изначально мы исследовали влияния нанотопологии материала на рост отростков нейронов с целью получения материала для ускоренной регенерации поврежденных нервов. Было замечено, что при достаточно низкой плотности клеток начинают формироваться органоиды. Обычно их получают при более высокой плотности. Это наблюдение переросло в отдельное исследование. Оказалось, что рост нейросфер стимулируют наши скаффолды — близкие по размеру к cтруктурам ВКМ, они ускоряют миграцию клеток и обеспечивают благоприятную среду для выживания астроцитов в составе нейросферы. В дальнейшем мы доказали, что полученные нейросферы имеют большую функциональную активность по сравнению с одиночными клетками, выращенными в 2D-культуре, то есть наилучшим образом имитируют живую нервную ткань», — рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики Ольга Антонова.
Астроциты — это клетки глии (вспомогательной нервной ткани головного мозга), по форме похожие на звезду. Они находятся вокруг нейронов и синапсов (участков контакта между двумя нейронами), как бы охватывая их своими «лучами».
Главное преимущество нового метода — возможность исследования внеклеточных взаимодействий (клетка — матрикс). Кроме того, отмечают авторы работы, использование нового подхода позволяет оптимизировать исследовательский процесс. Во-первых, более экономно, примерно в 1,5 — 2 раза, расходовать биоматериал — клетки для получения нейросфер. Во-вторых, достаточно быстро, всего за 1 день создавать органоиды, тогда как у исследователей, ранее получавших «плавающие», не прикрепленные нейросферы из нейронов гиппокампа, этот процесс занимал 6-7 дней. Также предложенный метод позволяет более эффективно проводить микроскопические и электрофизиологические исследования, так как нейросферы оказываются прикрепленными к подложке.
По словам ученых, созданные 3D-органоиды могут быть использованы для скрининга лекарственных препаратов, моделирования процессов развития мозга и исследования нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера и Паркинсона). Дальнейшая работа группы будет связана с детальным исследованием механизмов взаимодействия нейронов с ультратонкими волокнами, имитирующими внеклеточный матрикс.
Результаты опубликованы в «ACSChemicalNeuroscience».
Работа поддержана грантом РНФ № 19-74-10097.