Ученые из Медицинской школы Duke-NUS вместе с коллегами создали одну из самых детализированных одномолекулярных карт развивающегося мозга человека. Этот обширный атлас подробно описывает практически все типы клеток, регистрирует их уникальные генетические особенности и показывает, как они растут и взаимодействуют. Результаты этого исследования не только углубляют наше понимание мозга, но и прокладывают путь к разработке новых методов лечения болезни Паркинсона и других серьезных нейрологических расстройств.
Болезнь Паркинсона является вторым по распространенности нейродегенеративным заболеванием, затрагивающим значительную часть населения, особенно людей старше 50 лет. Она характеризуется повреждением дофаминергических нейронов среднего мозга – клеток, отвечающих за выработку дофамина. Этот нейромедиатор критически важен для регуляции движения, обучения и эмоциональных реакций. Восстановление или замещение таких поврежденных нейронов обещает значительно облегчить симптомы заболевания, такие как тремор и затруднения с передвижением, и улучшить качество жизни пациентов.
Чтобы досконально понять процесс формирования дофаминергических нейронов в лабораторных условиях, исследовательская группа разработала инновационный двухэтапный подход к картированию, получивший название BrainSTEM (Brain Single-cell Two tiEr Mapping). В рамках этого масштабного проекта, реализованного в сотрудничестве с такими партнерами, как Университет Сиднея, ученые проанализировали почти 680 000 клеток фетального мозга, что позволило составить исчерпывающую карту его клеточного состава.
Второй этап проекта BrainSTEM предусматривал более точное картирование непосредственно среднего мозга, с особой детальностью выявляя дофаминергические нейроны. Эта уникальная «комплексная эталонная карта» теперь служит новым мировым стандартом для оценки того, насколько точно лабораторные модели среднего мозга соответствуют реальной биологии человека. Она критически важна для разработки безопасных и эффективных клеточных терапий.
Доктор Хилари Тох, один из ведущих авторов исследования и аспирант Медицинской школы Duke-NUS, подчеркивает практическую ценность нового атласа. «Наш основанный на данных шаблон помогает ученым создавать высококачественные дофаминергические нейроны среднего мозга, которые максимально точно воспроизводят человеческую биологию. Клетки такого качества имеют решающее значение для повышения эффективности клеточной терапии и минимизации побочных эффектов. Это открывает путь к предложению альтернативных методов лечения людям, страдающим болезнью Паркинсона», – отмечает она.
Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, выявило важную проблему: многие из существующих методов культивирования клеток среднего мозга в лабораторных условиях непреднамеренно порождали нежелательные клеточные популяции, происходящие из других областей мозга. Эти открытия указывают на острую необходимость усовершенствования как экспериментальных протоколов, так и алгоритмов анализа данных для точного обнаружения и удаления таких «нецелевых» клеток.
Доктор Джон Оуянг, ведущий научный сотрудник Центра вычислительной биологии Duke-NUS и старший автор исследования, отмечает, что «картирование мозга на уровне единичных клеток с помощью BrainSTEM позволяет нам с беспрецедентной точностью различать даже самые незначительные нецелевые клеточные популяции. Эта детализированная информация о клетках закладывает фундаментальную основу для моделей, управляемых искусственным интеллектом, которые изменят подходы к категоризации пациентов и разработке персонализированных методов лечения нейродегенеративных заболеваний».
Ассистент профессора Альфред Сан из программы по нейронаукам и поведенческим расстройствам Duke-NUS, также являющийся одним из старших авторов, добавляет: «BrainSTEM представляет собой значительный прорыв в моделировании мозга. Предлагая строгий, основанный на данных подход, он ускорит разработку надежных клеточных терапий для болезни Паркинсона. Мы устанавливаем новый стандарт для обеспечения того, чтобы следующее поколение моделей Паркинсона максимально точно отражало биологию человека».
Исследователи планируют сделать свои атласы мозга общедоступными в качестве открытых исходных ресурсов, а также предоставить многоуровневый подход картирования в виде готового к использованию пакета. Поскольку методология BrainSTEM позволяет изолировать и анализировать любые типы клеток в мозге, лаборатории по всему миру смогут применять ее для углубления своих знаний, оптимизации рабочих процессов и ускорения научных открытий во всей области нейронаук.
Профессор Патрик Тан, старший заместитель декана по исследованиям в Duke-NUS, подчеркивает, что «это исследование переопределяет стандарты, устанавливая многоуровневое картирование как ключевой элемент для получения детальной клеточной информации в сложных биологических системах. Детально раскрывая, как развивается средний мозг человека, мы значительно ускорим исследования болезни Паркинсона и разработку клеточной терапии, тем самым обеспечивая улучшенный уход и даря надежду людям, живущим с этим заболеванием».
Проведение этой важной работы стало возможным благодаря поддержке таких программ, как USyd-NUS Ignition Grant и Фонд исследований болезни Паркинсона Duke-NUS, который получил щедрое пожертвование от The Ida C. Morris Falk Foundation.
Медицинская школа Duke-NUS продолжает занимать лидирующие позиции в области медицинских исследований и образования, неизменно стремясь улучшать уход за пациентами посредством научных инноваций. Данное исследование значительно продвигает текущие усилия по пониманию фундаментальных механизмов работы мозга и разработке новых терапевтических стратегий для лечения широкого спектра нейрологических состояний.
