Сложные для изучения заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, шизофрения и аутизм, теперь можно исследовать более безопасно и эффективно благодаря новому инновационному методу получения зрелых клеток мозга, называемых нейронами, из перепрограммированных клеток кожи. По словам Гонг Чена, Verne M. Уилламан Кафедра естественных наук, профессор биологии Университета Пенсильвании и руководитель исследовательской группы, "Самая захватывающая часть этого исследования заключается в том, что оно предлагает возможность прямого моделирования заболеваний, позволяя создавать в чашке Петри зрелые нейроны человека, которые ведут себя так же, как нейроны, которые естественным образом растут в человеческом мозгу." Чен добавил, что этот метод может привести к индивидуальному лечению отдельных пациентов на основе их собственной генетической и клеточной информации. Исследование будет опубликовано в журнале Stem Cell Research.
"Очевидно, что мы не хотим удалять чьи-то клетки мозга для экспериментов, поэтому воссоздание клеток мозга пациента в чашке Петри – следующий лучший способ для исследовательских целей и скрининга лекарств," Чен сказал. Чен объяснил, что в более ранней работе ученые нашли способ перепрограммировать клетки кожи пациентов, чтобы они стали неспециализированными или недифференцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). "Плюрипотентная стволовая клетка – это своего рода чистый лист," Чен объяснил. "Во время развития такие стволовые клетки дифференцируются во множество разнообразных специализированных типов клеток, таких как мышечная клетка, клетка мозга или клетка крови. Таким образом, после создания ИПСК из клеток кожи исследователи могут затем культивировать их, чтобы они стали клетками мозга или нейронами, которые можно безопасно изучать в чашке Петри."
Теперь, в своем новом исследовании, Чен и его команда нашли способ гораздо более эффективно дифференцировать ИПСК в зрелые нейроны человека, генерируя клетки, которые ведут себя так же, как нейроны в головном мозге. Чен объяснил, что в естественной среде нейроны всегда находятся в непосредственной близости от звездчатых клеток, называемых астроцитами, которые в изобилии присутствуют в мозге и помогают нейронам правильно функционировать. "Поскольку нейроны соседствуют с астроцитами в головном мозге, мы предсказали, что этот прямой физический контакт может быть неотъемлемой частью роста и здоровья нейронов," Чен объяснил.
Чтобы проверить эту гипотезу, Чен и его коллеги начали с культивирования нервных стволовых клеток, полученных из ИПСК, которые являются стволовыми клетками, которые могут стать нейронами. Эти клетки культивировали поверх слоя астроцитов толщиной в одну клетку, так что два типа клеток физически соприкасались друг с другом.
"Мы обнаружили, что эти нервные стволовые клетки, культивируемые на астроцитах, гораздо эффективнее дифференцировались в зрелые нейроны," Чен сказал, сравнивая их с другими нервными стволовыми клетками, которые культивировались отдельно в чашке Петри. "Это было похоже на то, как если бы астроциты подбадривали стволовые клетки, говорили им, что делать, и помогали им выполнить свое предназначение – стать нейронами."
Чтобы продемонстрировать превосходство нейронов, выращенных рядом с астроцитами, Чен и его соавторы использовали метод электрофизиологической записи, чтобы показать, что клетки, выращенные на астроцитах, имеют гораздо больше синаптических событий – сигналов, посылаемых от одной нервной клетки к другим. В другом эксперименте, после выращивания нервных стволовых клеток рядом с астроцитами всего в течение одной недели, исследователи показали, что недавно дифференцированные нейроны начинают запускать потенциалы действия – быстрый сигнал электрического возбуждения, который возникает во всех нейронах мозга. В финальном тесте члены команды добавили нейронные стволовые клетки человека к смеси с нейронами мыши. "Мы обнаружили, что всего через неделю между нейронами мыши и нейронами человека возникло много перекрестных помех," Чен сказал. Он объяснил, что "перекрестный разговор" происходит, когда один нейрон связывается со своими соседями и выделяет химическое вещество, называемое нейротрансмиттером, чтобы модулировать активность своего соседа.
"Предыдущие исследователи могли получить клетки мозга только от умерших пациентов, страдавших такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, шизофрения и аутизм," Чен сказал. "Теперь исследователи могут брать клетки кожи у живых пациентов – безопасная и минимально инвазивная процедура – и преобразовывать их в клетки мозга, имитирующие активность собственных клеток мозга пациента." Чен добавил, что с помощью этого метода исследователи также могут выяснить, как конкретное лекарство повлияет на собственные клетки мозга конкретного пациента, не требуя от пациента пробовать лекарство, что устраняет риск серьезных побочных эффектов. "Пациент может быть его или ее собственной морской свинкой для разработки его или ее собственного лечения, без необходимости непосредственно экспериментировать," Чен сказал.