Біоінженери з університету Тафтса, що працюють під керівництвом професора Девіда Каплана (David Kaplan), створили тривимірну модель, за структурою і виконуваних функцій схожу з тканиною кори головного мозку щура. У лабораторних умовах вона може зберігати життєздатність протягом більш ніж двох місяців.
В даний час для вивчення поведінки нейронів в контрольованих умовах використовують двомірні клітинні культури. Однак цей підхід не дозволяє відтворювати складну структуру головного мозку, що складається з ізольованих регіонів білої і сірої речовини. Сіра речовина переважно складається з тіл нейронів, тоді як біла речовина - з пучків аксонів, довгих відростків, за допомогою яких нейрони обмінюються електричними імпульсами. Травми і захворювання мозку часто по-різному впливають на ці регіони, тому моделі для вивчення цих процесів повинні адекватно відтворювати структуру тканини мозку.
Більш ранні спроби вирощувати тривимірні нейронні структури в гелеобразной середовищі не увінчалися успіхом. Такі моделі швидко гинули і не дозволяли відтворювати функції нервової тканини. Виявилося, що надання нейронам можливості рости в тривимірній матриці недостатньо для створення повноцінної моделі тканини мозку, позаклітинний матрикс якої має складну структуру, в якій локальні сигнали формують зони, сприятливі для росту і функціонування різних клітин.
Автори вирішили цю проблему за допомогою нового композитного біоматеріалу, що складається з двох компонентів з різними фізичними властивостями: губчастого каркаса з протеїну шовку і більш м'якого генового гелю. Каркас дозволяє нейронам закріпитися, а гель забезпечує можливість зростання аксонів.
Нейрони формують функціональні мережі всередині пір каркаса (темні зони).
Для отримання двухфазной моделі (сірої і білої речовини) дослідники додали губчатому каркасу форму бублика і заселили його щурячими нейронами. В середину структури внесли колагеновий гель, згодом заповнив порожнечі губчастого каркаса. Протягом декількох днів нейрони формували функціональні структури всередині пір каркаса, а їх аксони проростали в глибину заповненої гелем серцевини і утворювали синапси з аксонами нейронів протилежного боку «бублика». В результаті в серцевині каркаса сформувалася зона білої речовини, оточена зоною сірої речовини.
Схема моделі, що демонструє компартментализацию сірої і білої речовини.
Нейрони щурів прикріплюються до каркаса ( «бублику»),
а їх аксони проникають в заповнений гелем центр
(Позначені зеленим флуоресцирующим барвником).
Протягом декількох наступних тижнів дослідники провели ряд експериментів, результати яких показали, що, в порівнянні з двомірними моделями, культивовані на новому каркасі клітини відрізняються більш високою експресією генів, залучених в ріст і нормальний стан нейронів. Вони також демонструють стабільну метаболічну активність протягом 5 тижнів, тоді як при вирощуванні нейронів в гелевом матриксе цей показник починає погіршуватися вже протягом перших 24 годин. Для нейронів нової моделі також характерні рівні електричної активності і сприйнятливості до електричних сигналів, аналогічні демонстрованим клітинами інтактного мозку.
Для симуляції травматичного пошкодження мозку на модель з різної висоти скидали важкий предмет. Реєстровані після цього зміни електричної та хімічної активності нейронів відповідали змінам, які спостерігаються в відповідних тваринних моделях.
Зображення пористого каркаса з протеїну шовку, отримане за допомогою електронного мікроскопа.
В даний час автори працюють над удосконаленням своєї моделі. Вони вже продемонстрували можливість створення каркаса, що складається з шести концентричних кілець, кожне з яких може бути заселено різними типами нейронів. Це дозволить відтворити шість шарів кори головного мозку людини.
Дослідники вважають, що запропонована ними модель оптимальна для вивчення як нормального функціонування тканини мозку, так і процесів, що протікають в ній при різних захворюваннях і травматичних ушкодженнях. А отримані при її використанні результати допоможуть у розробці нових методів лікування порушень роботи мозку.
Стаття Min D. Tang-Schomer et al. Bioengineered functional brain-like cortical tissue опублікована в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Євгенія Рябцева
Портал «Вічна молодість» http://vechnayamolodost.ru за матеріалами National Institute
of Biomedical Imaging and Bioengineering: Bioengineers Create Functional 3D Brain-like Tissue .
19.08.2014
