Вчені виростили понад 400 типів нервових клітин зі стовбурових клітин

Нервові клітини – це не просто нервові клітини. Якщо розглянути їх досить детально, останні оцінки свідчать про те, що в людському мозку існує кілька сотень або навіть кілька тисяч різних типів нервових клітин. Ці типи відрізняються своїми функціями, кількістю та довжиною своїх відростків, а також тим, як вони з'єднуються один з одним. Вони вивільняють різні нейромедіатори в синапси, і залежно від ділянки мозку – наприклад, кори головного мозку або середнього мозку – активні різні типи клітин.

Коли вчені вирощували нервові клітини зі стовбурових клітин у чашках Петрі для експериментів, вони не могли пояснити всю цю різноманітність. Донедавна дослідники розробили методи вирощування лише кількох десятків різних типів нервових клітин in vitro. Для цього вони використовували методи генної інженерії або додавали сигнальні молекули для активації певних внутрішньоклітинних сигнальних шляхів. Але їм ніколи не вдавалося охопити різноманітність сотень або тисяч різних типів нервових клітин, які існують в організмі.

«Нейрони, отримані зі стовбурових клітин, часто використовуються для вивчення захворювань. Але досі дослідники часто ігнорували, з якими типами нейронів вони працюють», — каже Барбара Тройтлайн, професор кафедри біосистемних наук та інженерії в ETH Zurich у Базелі.

Однак, вона каже, що це не найкращий підхід до такої роботи.

«Якщо ми хочемо розробити клітинні моделі для вивчення таких захворювань та розладів, як хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона та депресія, нам потрібно враховувати конкретний тип нервових клітин, задіяних у патологічному процесі».

Систематичний скринінг як ключ до успіху

Третлайн та її команда успішно створили понад 400 різних типів нервових клітин, що прокладає шлях для точніших фундаментальних неврологічних досліджень з використанням клітинних культур.

Вчені ETH досягли цього, працюючи з культурою індукованих плюрипотентних стовбурових клітин людини, отриманих з клітин крові. У цих клітинах вони генетично модифікували певні нейрональні регуляторні гени та обробили клітини різними морфогенами – особливим класом сигнальних молекул. Команда Третлайна використовувала систематичний підхід: сім морфогенів у різних комбінаціях та концентраціях у своїх скринінгових експериментах. Зрештою, це призвело до майже 200 різних наборів експериментальних умов.

Морфогени

Морфогени – це сигнальні речовини, відомі з досліджень ембріонального розвитку. Вони розподілені в ембріоні нерівномірно, а в різних концентраціях утворюють просторові градієнти. Таким чином, вони визначають положення клітин в ембріоні – наприклад, чи знаходиться клітина ближче до осі тіла, чи розташована ззаду, на животі, в області голови чи тулуба. Відповідно, морфогени допомагають визначити, які структури формуватимуться в різних частинах тіла.

Вчені використали різноманітні методи аналізу, щоб показати, що їм вдалося отримати понад 400 різних типів нервових клітин в експерименті. Вони вивчали РНК (і, отже, генетичну активність) на рівні окремих клітин, а також зовнішній вигляд і функції клітин, такі як типи клітинних відростків і електричні нервові імпульси, які вони випромінювали.

Потім дослідники порівняли свої дані з інформацією з баз даних нейронів людського мозку. Це дозволило їм визначити типи нервових клітин, які були створені, такі як клітини периферичної нервової системи або клітини мозку, а також ділянку мозку, з якої вони походять, і за що ці клітини відповідають – сприйняття болю, холоду, руху тощо.

Нейрони in vitro для пошуку активних речовин

Тройтлайн сказав, що їм ще далеко до можливості виробляти in vitro всі типи нервових клітин, які існують в організмі. Однак тепер дослідники мають доступ до набагато більшої кількості різних типів клітин, ніж раніше.

Вони хочуть використовувати нейрони, вирощені in vitro, для розробки клітинних моделей для вивчення серйозних неврологічних захворювань, включаючи шизофренію, хворобу Альцгеймера, хворобу Паркінсона, епілепсію, розлади сну та розсіяний склероз. Такі клітинні моделі також становлять великий інтерес для фармацевтичних досліджень, дозволяючи тестувати дію нових активних сполук у клітинних культурах без використання тварин, з кінцевою метою одного дня навчитися лікувати ці захворювання.

У майбутньому ці клітини також можуть бути використані для клітинної замісної терапії, в якій хворі або мертві нервові клітини мозку замінюються новими людськими клітинами.

Але перш ніж це станеться, потрібно вирішити одну проблему: у своїх експериментах дослідники часто створювали суміш кількох різних типів нервових клітин. Зараз вони працюють над оптимізацією методу, щоб кожна експериментальна умова давала змогу створювати лише один певний тип клітин. У них вже є деякі початкові ідеї щодо того, як це зробити.