Исследователи провели эксперимент по пересадке человеческих мозговых органоидов мышам, у которых ранее были генетически модифицированы для предотвращения развития коры и гиппокампа. Этот подход позволил обойти ограничения, связанные с недостаточным объемом черепа у грызунов, и создал возможность выращивания крупных нейронных сетей человека непосредственно в живом организме, служащем моделью.

В настоящее время научные исследования активно применяют органоиды для изучения человеческого мозга и выяснения причин возникновения неврологических расстройств. Специалисты разработали методику культивирования трехмерных структур из стволовых клеток, которые по своему клеточному составу напоминают настоящую нервную ткань.

Однако органоиды, выращиваемые в лабораторных условиях, не способны формировать сложные нейронные сети и контролировать поведение. Для изучения функционирования клеток в живом организме ученые стали прибегать к трансплантации тканей грызунам. Предыдущие попытки подобной процедуры сталкивались с физиологическими ограничениями: человеческим клеткам было недостаточно места в черепе животного, а местные клетки мыши препятствовали росту пересаженного материала и формированию связей.

Группа американских биологов поставила перед собой задачу создать дополнительное пространство для размещения человеческих клеток. О результатах этой работы сообщается опубликовали в журнале Nature.

На первом этапе исследования ученые разработали специальную линию мышей с иммунодефицитом. С использованием методов генетической инженерии они подавили активность гена, ответственного за формирование коры и гиппокампа в процессе эмбрионального развития. В результате этого мозг новорожденных животных оказался значительно менее развитым, занимая лишь половину ожидаемого объема.

После этого биологи имплантировали четыре человеческих органоида в созданные полости. Через три месяца трансплантаты увеличились почти в пять раз, заняв 92% доступного пространства. Анализ состава тканей с помощью секвенирования РНК показал, что органоиды успешно развили большинство характерных клеток коры головного мозга человека, включая астроциты и даже редкие пирамидальные нейроны пятого слоя, которые в нормальном мозге отвечают за формирование протяженных нервных волокон.

Удалось добиться слияния тканей двух различных видов. Нейроны человека сформировали связи в спинном мозге мыши, прорастая глубоко внутрь. Оптические сенсоры зарегистрировали самопроизвольные всплески активности кальция: клетки человека синхронно обменивались сигналами, сопоставленными с движениями морды животного.

Анализ видеоматериалов с применением машинных алгоритмов выявил отличия в поведении мышей, содержащих человеческие клетки, по сравнению с контрольной группой животных без коры головного мозга: у них наблюдалось частичное улучшение показателей рабочей памяти и координации движений. Тем не менее, эти показатели так и не достигли уровня, характерного для здоровых грызунов.

Завершая эксперимент, исследователи подвергли мышей воздействию кислородной недостаточности. Человеческие клетки продемонстрировали реакцию на стресс в виде воспалительного процесса, а у самих животных наблюдались изменения в походке.

Благодаря этому биологи разработали совершенно новую живую систему для проведения научных исследований. Проведенное исследование подтвердило возможность успешной интеграции человеческих нейронов в нервную систему другого организма, выполнения части его функций и реакции на внешние воздействия.

В дальнейшем ученые намереваются использовать эту технологию для детального изучения заболеваний нервной системы. Создавая органоидные структуры из клеток пациентов, страдающих шизофренией или редкими формами деменции, и затем имплантируя их мышам, можно будет отслеживать развитие этих патологий в режиме реального времени. Данная химерная модель предоставит возможность безопасно тестировать на грызунах экспериментальные препараты, направленные исключительно на человеческие нейроны.