Каркасы из ультратонких нейлоновых волокон позволяют моделировать работу мозга с учетом взаимодействия нейронов с внеклеточным матриксом среды. Результаты опубликованы в «ACSChemicalNeuroscience».

Создание трехмерных органоидов — выращенных в пробирке тканей, по строению очень близких к отдельным частям настоящих органов, — относительно новое направление в науке. Первые органоиды, представлявшие собой миниатюрное подобие человеческого мозга, были получены в Австрии в 2013 году. В последующие годы эта область развивалась достаточно бурно: были представлены органоиды почек, печени, легких, сетчатки глаза. Эти прото-структуры считаются многообещающим инструментом для биологических и медицинских исследований. Но методы их создания пока не совершенны. В частности, выращивание из стволовых клеток человека 3D-органоидов мозга имеет существенный недостаток: не учитывает влияние внеклеточного матрикса среды (ВКМ), который играет ключевую роль не только во время развития, но и в физиологических и патологических состояниях взрослого мозга.

Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН предложили новый метод получения «мини-мозга». Он заключается в создании нейросфер на ультратонких нейлоновых нановолокнах, близких по размеру к структурам внеклеточного матрикса мозга. Идея разработки такой технологии родилась случайно, в ходе другого исследования — роста нейронов гиппокампа крысы на скаффолдах из ультратонких нановолокон.

«Изначально мы исследовали влияния нанотопологии материала на рост отростков нейронов с целью получения материала для ускоренной регенерации поврежденных нервов,- рассказывает один из авторов работы, научный сотрудник ИТЭБ РАН Ольга Антонова.-Было замечено, что при достаточно низкой плотности клеток начинают формироваться органоиды. Обычно их получают при более высокой плотности. Это наблюдение переросло в отдельное исследование. Оказалось, что рост нейросфер стимулируют наши скаффолды — близкие по размеру cтруктурам ВКМ, они ускоряют миграцию клеток и обеспечивают благоприятную среду для выживания астроцитов в составе нейросферы. В дальнейшем мы выяснили роль рецепторов адгезии семейства интегринов в процессе миграции нейронов на подложке и образовании нейросфер и доказали, что полученные нейросферы имеют большую функциональную активность по сравнению с одиночными клетками, выращенными в 2D-культуре, то есть наилучшим образом имитируют живую нервную ткань».

На фото: авторы работы н.с. Лаборатории роста к...

На фото: авторы работы н.с. Лаборатории роста клеток и тканей Ольга Кочеткова, Ольга Антонова и зав. Лабораторией наноструктур и нанотехнологий, к.х.н. Юрий Шляпников. Фото пресс-службы ИТЭБ РАН

Главное преимущество нового метода — возможность исследования внеклеточных взаимодействий (клетка — матрикс). Кроме того, отмечают авторы работы, использование нового подхода позволяет оптимизировать исследовательский процесс. Во-первых, более экономно, примерно в 1,5 — 2 раза, расходовать биоматериал — клетки для получения нейросфер. Во-вторых, достаточно быстро, всего за 1 день создавать органоиды, тогда как у исследователей, ранее получавших «плавающие», не прикрепленные нейросферы из нейронов гиппокампа, этот процесс занимал 6-7 дней. Также предложенный метод позволяет более эффективно проводить микроскопические и электрофизиологические исследования, так как нейросферы оказываются прикрепленными к подложке.

По словам ученых, созданные 3D-органоиды могут быть использованы для скрининга лекарственных препаратов, моделирования процессов развития мозга и исследования нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера и Паркинсона). Дальнейшая работа группы будет связана с детальным исследованием механизмов взаимодействия нейронов с ультратонкими волокнами, имитирующими внеклеточный матрикс.

Работа поддержана грантом РНФ № 19-74-10097

Источник: Olga Y Antonova , Olga Y Kochetkova, Igor L Kanev, Elena A Shlyapnikova, Yuri M Shlyapnikov. Rapid Generation of Neurospheres from Hippocampal Neurons Using Extracellular-Matrix-Mimetic Scaffolds. ACS Chem Neurosci. 2021 Aug 4;12(15):2838-2850. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34256565/

Материал подготовила: Наталья Быкова

Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru