Учёные вырастили из стволовых клеток более 400 типов нервных клеток

Нервные клетки - это не просто нервные клетки. Если рассматривать их достаточно детально, то, по последним расчётам, в человеческом мозге существует несколько сотен или даже несколько тысяч различных типов нервных клеток. Эти типы различаются по своим функциям, количеству и длине отростков, а также по тому, как они соединяются друг с другом. Они выделяют разные нейромедиаторы в синапсы и, в зависимости от области мозга - например, коры головного мозга или среднего мозга - активны разные типы клеток.

Когда учёные выращивали нервные клетки из стволовых клеток в чашках Петри для экспериментов, они не могли учитывать всё это огромное разнообразие. До недавнего времени исследователи разработали методы выращивания лишь нескольких десятков различных типов нервных клеток in vitro. Для этого они использовали генные инженерные подходы или добавляли сигнальные молекулы, чтобы активировать определённые внутриклеточные сигнальные пути. Однако им ни разу не удавалось приблизиться к многообразию сотен и тысяч различных типов нервных клеток, существующих в организме.

«Нейроны, полученные из стволовых клеток, часто используются для изучения болезней. Но до сих пор исследователи нередко игнорировали, с какими именно типами нейронов они работают», - говорит Барбара Тройтляйн, профессор кафедры биосистемной науки и инженерии в ETH Zurich (Базель).

Однако, по её словам, это не лучший подход к такой работе.

«Если мы хотим разрабатывать клеточные модели для изучения болезней и расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и депрессия, нам нужно учитывать конкретный тип нервной клетки, вовлечённой в патологический процесс.»

Систематический скрининг как ключ к успеху

Тройтляйн и её команда теперь смогли успешно получить более 400 различных типов нервных клеток. Таким образом, они проложили путь к более точным фундаментальным неврологическим исследованиям с использованием клеточных культур.

Учёные ETH достигли этого, работая с культурой индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, которые были получены из клеток крови. В этих клетках они с помощью генной инженерии активировали определённые регуляторные гены нейронов и обрабатывали клетки различными морфогенами - особым классом сигнальных молекул. Команда Тройтляйн использовала систематический подход: семь морфогенов в разных комбинациях и концентрациях в своих скрининговых экспериментах. В итоге это дало почти 200 различных наборов экспериментальных условий.

Морфогены

Морфогены - это сигнальные вещества, известные по исследованиям эмбрионального развития. Они распределяются в эмбрионе неравномерно, а в разных концентрациях формируют пространственные градиенты. Таким образом, они определяют положение клеток в эмбрионе - например, ближе ли клетка к оси тела или находится сзади, на животе, в области головы или туловища. Соответственно, морфогены помогают определить, какие структуры будут формироваться в разных частях тела.

Учёные использовали различные методы анализа, чтобы доказать, что им удалось получить более 400 различных типов нервных клеток в ходе эксперимента. Они изучили РНК (а значит, и генетическую активность) на уровне отдельных клеток, а также внешний вид клеток и их функции: например, какие типы клеточных отростков они имели и какие электрические нервные импульсы излучали.

Затем исследователи сравнили свои данные с информацией из баз данных нейронов человеческого мозга. Это позволило им определить типы нервных клеток, которые были созданы, например клетки периферической нервной системы или клетки мозга, а также область мозга, из которой они происходят, и за что эти клетки отвечают - восприятие боли, холода, движения и т. д.

Нейроны in vitro для поиска активных веществ

Тройтляйн уточнила, что пока они далеки от того, чтобы производить in vitro все типы нервных клеток, которые существуют в организме. Тем не менее, исследователи теперь имеют доступ к значительно большему количеству различных типов клеток, чем прежде.

Они хотят использовать нейроны, выращенные in vitro, для разработки клеточных моделей изучения серьёзных неврологических заболеваний, включая шизофрению, болезнь Альцгеймера, Паркинсона, эпилепсию, расстройства сна и рассеянный склероз. Такие клеточные модели также представляют большой интерес для фармацевтических исследований, позволяя тестировать действие новых активных соединений на клеточных культурах без использования животных, с конечной целью - однажды научиться излечивать эти заболевания.

В будущем эти клетки также могут использоваться для клеточной заместительной терапии, при которой больные или погибшие нервные клетки мозга будут заменяться новыми человеческими клетками.

Но прежде чем это станет возможным, предстоит решить одну проблему: в своих экспериментах исследователи часто получали смесь нескольких различных типов нервных клеток. Сейчас они работают над оптимизацией метода, чтобы каждое экспериментальное условие приводило к получению только одного конкретного типа клетки. У них уже есть первые идеи о том, как этого добиться.