Исследователи Стэнфордского университета совершили прорыв, который кардинально меняет подход к изучению человеческого мозга. Добавив простую пищевую добавку, им удалось наладить массовое производство однородных мозговых органоидов. Это достижение преодолевает многолетние трудности масштабирования и обещает ускорить открытия в области безопасности лекарств и исследований неврологических расстройств.
Почти десять лет Программа органогенеза мозга Стэнфордского университета меняет представление ученых о мозге. Вместо того чтобы полагаться на интактные образцы мозговой ткани человека или животных, исследователи программы выращивают в лаборатории трехмерные мозгоподобные структуры из стволовых клеток. Эти миниатюрные модели, известные как нейронные органоиды и ассамблоиды, позволяют ученым исследовать развитие и функционирование мозга совершенно новыми способами.
Программа, запущенная в 2018 году в рамках Института нейронаук У Цуай Стэнфордского университета, объединяет экспертов из нейронаук, химии, инженерии и других дисциплин. Совместно они изучают нейронные цепи, связанные с болью, гены, ассоциированные с нарушениями нервно-психического развития, а также разрабатывают новые методы исследования связности мозга.
Однако на протяжении всего времени работы программы сохранялась одна серьезная проблема: масштабирование производства. Чтобы глубоко понять развитие мозга, изучать нарушения развития или тестировать потенциальные методы лечения, исследователям необходимо производить тысячи органоидов одинакового размера и формы. К сожалению, эти деликатные структуры имеют тенденцию слипаться, что затрудняет получение больших, однородных партий.
Команда под руководством аффилированных сотрудников Института нейронаук У Цуай профессора психиатрии и поведенческих наук Кеннета Т. Норриса-младшего Серджиу Паски и профессора инженерии Рики/Нильсена Сары Хайлшорн недавно нашла неожиданно простое решение. Как сообщается в журнале Nature Biomedical Engineering, ключом к предотвращению слипания органоидов стала ксантановая камедь – широко используемая пищевая добавка.
«Теперь мы легко можем производить до 10 000 таких органоидов», – сообщил Паска, директор Программы органогенеза мозга Стэнфордского университета имени Бонни Уайтенгсу и семьи. В соответствии с обязательством программы по обеспечению широкой доступности их методов, они уже поделились своим подходом, чтобы другие могли им воспользоваться. «Этот метод, как и все наши разработки, находится в открытом доступе, и его уже внедрили многочисленные лаборатории».
Такой уровень производительности когда-то был невообразим. Около двенадцати лет назад Паска только что разработал способ превращения стволовых клеток в трехмерные ткани, которые позже стали известны как регионализованные нейронные органоиды. В то время он мог создавать лишь несколько таких структур.
«В самом начале у меня было восемь или девять органоидов, и я называл каждый из них в честь мифологических существ», – вспоминает Паска.
Однако цель Паски была гораздо масштабнее: раскрыть, как развивающийся мозг может давать сбои при таких состояниях, как аутизм или синдром Тимоти, а также исследовать, как лекарства могут влиять на это развитие. «Нам нужно было производить тысячи органоидов, и все они должны были быть одинаковыми», – отметил он.
Паска осознавал, что успех потребует разнообразной команды специалистов. Он размышлял: «Это развивающаяся область, и нам предстоит столкнуться со множеством проблем. Решать их мы будем путем внедрения инновационных технологий».
Для реализации этого видения Паска сотрудничал с аффилированным сотрудником Института нейронаусов У Цуай нейробиологом и биоинженером Карлом Дайссеротом, собрав междисциплинарную группу, которая официально запустила Программу органогенеза мозга Стэнфордского университета при поддержке гранта У Цуай «Большие идеи в нейронауке».
Вскоре после этого проявилась проблема слипания. Органоиды сливались, что приводило к меньшему количеству структур различной формы и размера.
«Сотрудники лаборатории постоянно говорили: «Я сделал сотню органоидов, но в итоге получил только двадцать»», – вспоминает Паска.
Эта особенность была одновременно и благословением, и проклятием. С одной стороны, она предполагала, что исследователи могут соединять два разных типа органоидов – например, крошечный мозжечок и спинной мозг – для изучения развития более сложных мозговых структур. Действительно, эти ассамблоиды теперь являются ключевой частью работы Паски и его коллег.
С другой стороны, команде все еще требовалось создавать большое количество органоидов, чтобы собирать точные данные о развитии мозга, проводить скрининг лекарств на предмет дефектов роста или выполнять множество других крупномасштабных проектов.
Одним из возможных решений было бы выращивать каждый органоид в отдельной чашке, но это часто неэффективно. Вместо этого лаборатории требовалось нечто, что могло бы удерживать органоиды на расстоянии друг от друга при выращивании их партиями. Поэтому Паска работал с Хайлшорн, сотрудником Программы органогенеза мозга Стэнфордского университета и инженером-материаловедом, чтобы испытать некоторые варианты.
В конечном итоге команда рассмотрела 23 различных материала, стремясь сделать свои методы доступными для других.
«Мы выбирали материалы, которые уже считались биосовместимыми, были бы относительно экономичными и простыми в использовании, чтобы наши методы могли быть легко переняты другими учеными», – пояснила Хайлшорн.
Чтобы протестировать каждый материал, сначала выращивали органоиды в богатой питательными веществами жидкости в течение шести дней, затем добавляли один из тестируемых материалов. Через 25 дней команда просто подсчитывала, сколько органоидов осталось.
Даже в небольших количествах ксантановая камедь предотвращала слияние органоидов, и это происходило без каких-либо побочных эффектов на их развитие. Это означало, что исследователи могли поддерживать органоиды разделенными, не искажая результаты своих экспериментов.
Чтобы продемонстрировать потенциал новой методики, команда использовала ее для решения реальной проблемы: врачи часто колеблются назначать потенциально полезные лекарства беременным женщинам и младенцам, поскольку не знают, могут ли эти препараты причинить вред развивающемуся мозгу. (Хотя лекарства, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), проходят обширные испытания, этические соображения обычно не позволяют тестировать их на беременных или младенцах).
Чтобы показать, как органоиды решают эту проблему, соавтор исследования Гента Наразаки, на момент проведения работы приглашенный исследователь в лаборатории Паски, сначала вырастил 2400 органоидов партиями. Затем Наразаки добавил один из 298 одобренных FDA препаратов в каждую партию, чтобы проверить, не вызовет ли какой-либо из них дефектов роста. Тесно сотрудничая с соавтором Юки Миурой из лаборатории Паски, Наразаки показал, что несколько препаратов, включая тот, что используется для лечения рака молочной железы, замедляли рост органоидов, предполагая, что они могут быть вредны для развития мозга.
Этот эксперимент показывает, что исследователи могут выявлять потенциальные побочные эффекты – и делать это очень эффективно. «Один исследователь самостоятельно произвел тысячи кортикальных органоидов и протестировал почти 300 препаратов», – отметил Паска.
Паска и его коллеги из Программы органогенеза мозга Стэнфордского университета теперь надеются использовать свою методику для достижения прогресса в изучении ряда нервно-психических расстройств, таких как аутизм, эпилепсия и шизофрения. «Борьба с этими заболеваниями чрезвычайно важна, но без масштабирования невозможно добиться существенного прогресса, – подчеркнул Паска. – Именно это сейчас является нашей целью».
