Устройство miBrains от Массачусетского технологического института, размером меньше десятицентовой монеты, но при этом наполненное нейронами, глиальными клетками и кровеносными сосудами, воссоздает всю сложность мозга для персонализированной медицины.
3D-иллюстрация человеческого мозга.
Викисклад
Ученые Массачусетского технологического института разработали новую трехмерную модель ткани человеческого мозга, которая может изменить подход исследователей к изучению неврологических заболеваний.
Платформа под названием Multicellular Integrated Brains (miBrains) воссоздает ключевые особенности реальной мозговой ткани человека, предлагая более точный способ тестирования лекарств и изучения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера.
Прорыв произошел в то время, когда исследования в области нейронауки выходят за рамки традиционных лабораторных моделей и испытаний на животных, создавая системы, которые действительно отражают работу человеческого мозга.
Каждый miBrain меньше монеты в десять центов, но он объединяет шесть основных типов клеток мозга, включая нейроны, глиальные клетки и сосудистые структуры, в одну живую модель.
«miBrain — единственная система in vitro, которая содержит все шесть основных типов клеток, присутствующих в мозге человека», — сказал Ли-Хуэй Цай, профессор Пикауэра, директор Центра профессора Пикауэра по обучению и памяти и старший автор исследования.
В своей первой демонстрации исследователи использовали miBrains, чтобы выяснить, как распространенный генетический маркер болезни Альцгеймера изменяет взаимодействие клеток, вызывая изменения, связанные с заболеванием.
Мост между моделями
Традиционные исследования мозга основаны на двух основных подходах: упрощённых клеточных культурах и животных моделях. Хотя клеточные культуры легко создавать, им не хватает сложности, необходимой для изучения взаимодействия различных клеток мозга.
С другой стороны, модели на животных биологически более полны, но дороги, дают результаты медленно и не всегда надежны для прогнозирования результатов у человека.
Системы miBrains сочетают в себе преимущества обеих систем. Их легко выращивать и модифицировать, но при этом они достаточно сложны, чтобы воспроизводить поведение реального мозга. Поскольку они получены из стволовых клеток пациента, исследователи могут создавать персонализированные версии, отражающие его генетический состав.
Шесть интегрированных типов клеток самоорганизуются в функциональные структуры, включая кровеносные сосуды и иммунные компоненты, и даже образуют рабочий гематоэнцефалический барьер, который фильтрует то, что может проникнуть в ткань.
«Недавние тенденции к минимизации использования животных моделей при разработке лекарств могут сделать такие системы все более важными инструментами для открытия и разработки новых мишеней для человеческих лекарств», — сказал Роберт Лангер, один из старших авторов исследования.
Инженерная сложность в лаборатории
Создание модели с таким количеством типов клеток потребовало многих лет экспериментов. Одной из главных задач было создание структуры, способной физически поддерживать клетки и поддерживать их активность.
Группа разработала «нейроматрицу» на основе гидрогеля, которая имитирует естественную среду мозга, используя смесь полисахаридов, протеогликанов и других молекул, стимулирующих функциональное развитие нейронов.
Исследователям также пришлось определить правильное сочетание клеток для создания реалистичной мозговой ткани.
Они разработали шесть типов клеток мозга из донорских стволовых клеток, корректируя их пропорции до тех пор, пока не образовались правильно функционирующие нейроваскулярные единицы.
Поскольку каждый тип клеток культивируется отдельно, их можно генетически редактировать для изучения конкретных заболеваний или терапевтических реакций.
«MiBrain отличается исключительно модульной конструкцией, которая обеспечивает точный контроль над клеточными данными, генетическим фоном и датчиками, что является полезными функциями для таких приложений, как моделирование заболеваний и тестирование лекарств», — отметила ведущий автор Элис Стэнтон.
Ранние сведения о болезни Альцгеймера
Чтобы проверить модель, исследователи изучили вариант гена APOE4, самый сильный генетический предиктор болезни Альцгеймера.
Они использовали miBrains, чтобы изучить, как астроциты, несущие APOE4, влияют на прогрессирование заболевания.
В ходе экспериментов астроциты с вариантом APOE4 вызывали иммунные реакции, подобные реакциям при болезни Альцгеймера, только при интеграции в многоклеточную среду miBrain.
Группа исследователей также обнаружила, что астроциты APOE4 способствуют накоплению амилоидных и тау-белков, связанных с болезнью Альцгеймера, и что этот эффект зависит от их взаимодействия с микроглией — иммунными клетками мозга.
Эти результаты показывают, как miBrains может выявлять механизмы заболеваний, которые упускаются из виду более простыми моделями.
Теперь исследователи планируют добавить новые функции, такие как микрофлюидный кровоток и расширенное профилирование отдельных клеток, чтобы сделать систему еще более реалистичной.
«Меня больше всего воодушевляет возможность создания индивидуальных miBrains для разных людей», — сказал Цай. «Это открывает путь к развитию персонализированной медицины».
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Sourse: interestingengineering.com
