11:00 
Кембриджские ученые вырастили миниатюрные схемы в лаборатории, которые имитируют то, как соединяются головной и спинной мозг, что лежит в основе наших движений. Они использовали эту модель, чтобы показать, как повреждение этих соединений, ранее считавшихся «необратимыми», на самом деле может быть обратимым.
По мере того, как мы развиваемся и растем от эмбриона к плоду и от младенца, наши нервные клетки (нейроны) образуют связи, позволяя передавать информацию между мозгом и спинным мозгом. Ключевым компонентом каждого нейрона является аксон – «кабель» нервных волокон, который передает информацию другим нейронам для активации мышечных сокращений.
В какой-то момент мы теряем способность вырабатывать аксоны в центральной нервной системе, или эта способность, по крайней мере, сильно нарушается или замедляется. Это означает, что повреждение головного и спинного мозга становится постоянным, что приводит к разрушительным нарушениям, таким как неспособность схватывать или ходить. Это часто бывает при травматическом повреждении спинного мозга ибыть характерной особенностью многих неврологических заболеваний, включая заболевание двигательных нейронов или рассеянный склероз.
В 2021 году д-р Андраш Лакатос и его коллеги из Кембриджского университета разработали «мини-мозг» с использованием стволовых клеток, полученных от пациентов – специальных клеток, которые могут развиться в большинство типов клеток человека, – которые они направили, чтобы вырасти в «органоиды» мозга размером с горошину. Эти органоиды были трехмерными моделями, которые напоминают части коры головного мозга человека. Команда использовала их для демонстрации молекулярных проблем при заболевании двигательных нейронов и потенциальных способов их предотвращения.
Теперь, в исследовании, опубликованном в Cell Reports, команда доктора Лакатоса сделала еще один шаг вперед, создав мини-версию связанной системы головного и спинного мозга человека в лаборатории, воссоздав эти ткани с использованием органоидов.
В организме человека ткани головного и спинного мозга различны, но соединены аксонами, поэтому исследователи сохранилиорганоидов головного и спинного мозга. Они увидели, что нервные волокна из ткани головного мозга выросли через промежуток, чтобы соединиться со спинным мозгом, образуя рабочую цепь, которая может даже привести к сокращению крошечных мышечных кластеров.
Выращивая эту человеческую систему в чашке более года, они обнаружили, что примерно до 150 дня – что соответствует середине триместра беременности – аксоны могли восстанавливаться после повреждения, но после этого времени их рост был значительно нарушен.
Нейроны, взятые из менее зрелых органоидов, восстанавливали длинные волокна после травмы, но нейроны из более зрелых органоидов показали резкое снижение их способности к восстановлению. Другими словами, плохая регенерация встроена в нейроны человека по мере их созревания в центральной нервной системе."
Джордж Гиббонс, первый автор исследования, кафедра клинических нейронаук, Кембриджский университет
Анализируя экспрессию генов – признак того, насколько активны гены – внейроны, соединяющие головной и спинной мозг, они смогли идентифицировать сеть генов, которая действует как «переключатель», ограничивающий способность аксонов к росту, в то время как нейроны созревают, образуя соединения (синапсы). Удивительно, но блокирующие ключевые регуляторы этой сети снова переключились на способность аксонов расти.
Затем команда отсканировала базу данных лекарственных соединений для поиска тех, которые действуют на гены в этой сети, и определила их в качестве кандидата линестренола, гормонального препарата, лицензированного для лечения определенных нарушений менструального цикла и в качестве контрацептива. Когда они попробовали этот препарат на поврежденных нейронах, они обнаружили, что он значительно ускоряет рост аксонов.
Хотя рубцовая ткань и воспаление также могут ограничивать восстановление аксонов, изучение и устранение нейрон-специфических причин – предмет этого исследования – очень важно. Это подтверждается доказательствами того, что аксоны менее зрелых нейронов могут расти в недопустимых средах, которые характеризуютry сайты.
Старший автор доктор Андраш Лакатос, который возглавлял проект на кафедре клинических нейронаук, сказал: «Когда мозг и спинной мозг повреждены, нервные волокна, которые несут сигналы движения от мозга к спинному мозгу, редко восстанавливаются. Вот почему паралич обычно постоянный. Но мы не знали точно, когда способность аксонов к регенерации становится ограниченной. Наша модель дает хорошее представление о том, что этот блок происходит во время разработки, и его все еще можно обратить вспять после этого момента.
« Сам по себе линестренол, возможно, не является ответом на восстановление спинного мозга, но он показывает нам, что, в принципе, должна быть возможность напрямую нацеливаться на нейроны человека и регенерировать их аксоны. Хотя нам все еще нужно показать, что эта стратегия также поможет восстановить соответствующие связи между клетками головного и спинного мозга, это дает нам надежду на то, что однажды мы сможем лечить состояния, которые ранее считались неизлечимыми."
Oрганоидные модели являются важным способом понимания биологии человека. В то время как животные модели – например, мыши и крысы – полезны для изучения нашей биологии, поскольку они имеют некоторое сходство с людьми, их различия в конечном итоге ограничивают то, что мы можем узнать. Органоиды, выращенные из стволовых клеток человека, могут более точно имитировать биологию человека.
Доктор Лакатос добавил: «Многое из того, что мы знаем о регенерации нервов, происходит от грызунов, чьи нейроны ведут себя иначе, чем человеческие нейроны. Наши сложные органоидные модели помогают преодолеть разрыв в знаниях между моделями на животных и тем, что мы видим у пациентов. Они также являются важным вкладом в усилия по сокращению использования животных в исследованиях."
Органоиды, часто называемые «мини-органами», все чаще используются для моделирования биологии и болезней человека. Только в Кембриджском университете исследователи используют их для восстановления поврежденной печени, понимания болезни Крона у детей и моделирования ранних стадийбеременности, среди многих других применений.
