Первая организованная модель культуры стволовых клеток, которая напоминает все три отдела эмбрионального головного и спинного мозга и дает полную модель ранних стадий развития центральной нервной системы человека, была разработана командой инженеров и биологов из Университета США. Мичиган (UM), Институт науки Вейцмана и Пенсильванский университет (UPenn).
«Подобные модели откроют двери для фундаментальных исследований, чтобы понять раннее развитие центральной нервной системы человека и то, как она может пойти не так при различных заболеваниях», — сказал Цзяньпин Фу, доктор философии, профессор машиностроения Мичиганского университета.
Эта работа опубликована в Природа в статье «Узорчатая модель нервной трубки человека с использованием микрофлюидных градиентов».
«Мы пытаемся понять не только основы биологии развития человеческого мозга, но и болезни — почему у нас возникают заболевания, связанные с мозгом, их патологию и как мы можем придумать эффективные стратегии их лечения», — сказал Го-Ли Мин, Доктор философии, который вместе с доктором наук Хунджуном Сонгом, профессорами нейробиологии в Университете Пенсильвании, разработал протоколы выращивания и управления клетками и охарактеризовал структурные и клеточные характеристики модели.
Органоиды головного и спинного мозга человека в настоящее время используются для изучения неврологических и психоневрологических заболеваний, но они часто имитируют одну часть центральной нервной системы и дезорганизованы. Точнее, они «не могут воспроизвести нейронный паттерн как по рострально-каудальной (R–C), так и по дорсально-вентральной (D–V) осям в трехмерной (3D) трубчатой геометрии, что является отличительной чертой развития NT».
Эта новая модель, напротив, повторяет развитие всех трех отделов эмбрионального головного и спинного мозга одновременно — то, чего не было достигнуто в предыдущих моделях.
Хотя модель верна многим аспектам раннего развития головного и спинного мозга, команда отмечает несколько важных отличий. Во-первых, формирование нервной трубки — самая первая стадия развития центральной нервной системы — сильно отличается. Модель нельзя использовать для моделирования заболеваний, возникающих из-за неправильного закрытия нервной трубки, таких как расщелина позвоночника.
Вместо этого модель началась с ряда стволовых клеток размером примерно с нервную трубку четырехнедельного эмбриона — около 4 миллиметров в длину и 0,2 миллиметра в ширину. Команда прикрепила клетки к чипу с крошечными каналами, которые они использовали для введения материалов, которые позволяли стволовым клеткам расти и направляли их к построению центральной нервной системы.
Затем команда добавила гель, который позволял клеткам расти в трех измерениях, и химические сигналы, которые подталкивали их к превращению в предшественников нервных клеток. В ответ клетки сформировали трубчатую структуру. Затем они ввели химические сигналы, которые помогли клеткам определить, где они находятся внутри структуры, и перейти к более специализированным типам клеток. В результате система организовалась так, чтобы имитировать передний, средний, задний и спинной мозг таким образом, что отражает эмбриональное развитие.
Клетки росли в течение 40 дней, моделируя развитие центральной нервной системы примерно через 11 недель после оплодотворения. За это время была продемонстрирована роль определенных генов в развитии спинного мозга и раскрыто, как определенные типы клеток ранней нервной системы человека дифференцируются в разные клетки со специализированными функциями.
Команда планирует применить эту модель для изучения различных заболеваний головного мозга человека с использованием стволовых клеток, полученных от пациентов.
Сюфэн Сюэ, доктор философии, научный сотрудник в области машиностроения из Мичиганского университета, надеется и дальше использовать эту модель для изучения взаимодействия между различными частями мозга в процессе развития. Он также заинтересован в изучении того, как мозг посылает инструкции о движении через спинной мозг. Это направление исследований, которое могло бы пролить новый свет на такие расстройства, как паралич, потребует от нейронов объединения в рабочие цепи, чего в этом исследовании не наблюдалось.
Инсу Хён, специалист по биоэтике из Музея науки в Бостоне, который не участвовал в исследовании, отмечает, что подобные эксперименты тщательно изучаются, прежде чем им будет разрешено двигаться дальше. «Исследовательские группы должны четко понимать, на какой научный вопрос они пытаются ответить, и что степень развития, которую они допускают в модели, является минимальной для ответа на этот вопрос», — сказал он.
Модель не включает в себя периферические нервы или функционирующие нейронные схемы — функции, которые имеют решающее значение для способности человека воспринимать окружающую среду и обрабатывать этот опыт.
Система имеет потенциал для расширения наших знаний о развитии мозга и его заболеваниях. Его также можно использовать для тестирования потенциальных методов лечения. Поскольку он работает со стволовыми клетками, полученными от взрослых, он может быть полезен для изучения вариантов лечения, специфичных для отдельных пациентов.
2024-02-26 21:14:47
1708982559
#Впервые #органоидная #модель #напоминает #все #три #отдела #эмбрионального #головного #спинного #мозга
