В Массачусетском технологическом институте (MIT) впервые создали лабораторную модель человеческого мозга, включающую все типы клеток, характерные для живой нервной ткани. Новый образец, получивший название miBrain (Multicellular Integrated Brain — многоклеточный интегрированный мозг), воспроизводит ключевые функции и структуру мозга, объединяя нейроны, глию и сосудистую сеть, сообщает «НаукаTV».

Учёные вырастили систему из стволовых клеток, добившись того, чтобы она функционировала как целостный органический комплекс. Модель не только демонстрирует жизненные процессы мозга, но и легко адаптируется для генетических экспериментов, а также может производиться в масштабах, достаточных для крупных исследований.

Хотя каждый образец меньше монеты, значение miBrain огромно — для разработчиков лекарств и исследователей он открывает возможность изучать работу мозга на новом уровне точности.

«miBrain — это единственная система in vitro, которая содержит все шесть основных типов клеток, присутствующих в человеческом мозге. В своём первом применении он позволил нам обнаружить, как один из самых распространённых генетических маркеров болезни Альцгеймера изменяет взаимодействие клеток, приводя к патологии», — объяснила профессор Ли-Хуэй Цай из Института обучения и памяти Пикауэра MIT.

Универсальная модель: от простоты к сложности

До сих пор исследователи использовали либо упрощённые клеточные культуры, состоящие из одного-двух типов клеток, либо эксперименты на животных. Первые не отражают всей сложности биологических взаимодействий, а вторые требуют больших затрат и часто дают результаты, плохо соотносимые с человеческой физиологией.

miBrain объединяет преимущества обеих систем. Он сохраняет простоту и скорость лабораторных культур, но при этом позволяет получать результаты, более близкие к процессам, происходящим в мозге человека. Кроме того, использование донорского биоматериала делает систему индивидуализированной — её можно «настроить» под конкретного пациента.

«miBrain — впечатляющее научное достижение. Тенденции к сокращению экспериментов на животных в разработке лекарств делают такие системы, все более важными инструментами для открытия и разработки новых терапевтических мишеней у человека», — отметил профессор Роберт Лангер из Института Коха.

Как удалось создать «мозг в чашке»

Главными трудностями на пути создания полноценной модели стали поиск подходящего субстрата и правильное соотношение типов клеток.

Для среды, поддерживающей жизнедеятельность системы, учёные взяли за основу внеклеточный матрикс (ECM) — природную среду, окружающую клетки мозга. На основе гидрогеля был создан «нейроматрикс» miBrain, содержащий смесь полисахаридов, протеогликанов и компонентов базальной мембраны. Он выполняет роль каркаса, стимулируя рост и развитие клеток.

Следующим шагом стало определение пропорций шести типов клеток, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, пожертвованных пациентами. После множества экспериментов исследователи подобрали баланс, при котором сформировались функциональные нейроваскулярные единицы — структуры, наиболее близкие к естественным.

«Модульная архитектура miBrain позволяет точно контролировать клеточный состав, генетику и сенсоры, что делает его идеальным для моделирования болезней и тестирования препаратов», — пояснила Элис Стэнтон из Гарвардской медицинской школы, ранее работавшая в лаборатории Цай.

Новые данные о болезни Альцгеймера

Первое применение модели уже принесло результаты. Учёные исследовали роль генного варианта APOE4, который значительно повышает риск развития болезни Альцгеймера.

Эксперименты показали, что накопление тау-белка и амилоидов — характерных маркеров заболевания — происходит только при взаимодействии астроцитов с дефектным геном и микроглии. По отдельности эти клетки почти не производят патологических белков. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Следующий шаг — «живой» кровоток и анализ нейронов

Исследовательская группа планирует добавить в miBrain новые функции: систему микрофлюидики для имитации кровотока и технологии секвенирования РНК на уровне отдельных клеток для более точного анализа нейронной активности. Однако и нынешняя версия уже открывает огромные перспективы для нейробиологии.

Наталья Ротарь

---

Читайте также:

• Учёные из Китая создали миниатюрный робот-датчик для работы внутри организма
• В Южной Корее разработали «пистолет» для лечения переломов без операций
• Биохимики создали «умный инсулин», способный предотвращать приступы