Искусственный мозг с микроглией раскрывает тайны аутизма

Микроглия — это специализированные иммунные клетки мозга, которые играют важную роль в развитии и заболеваниях. Однако изучать их оказывается очень сложно, так как они теряют свою функцию и смысл вне мозговой среды.

Чтобы преодолеть этот барьер, ученые из института Салка разработали органоидную модель - трехмерную совокупность клеток, которая имитирует особенности человеческих тканей. Эта модель позволяет исследовать развитие и функционирование человеческой микроглии в живой ткани, полученной из человеческих клеток.

Кроме того, ученые исследовали микроглию, полученную от пациентов с макроцефальным аутизмом (состояние, при котором окружность головы ребенка больше, чем у 97 процентов других детей), чтобы определить, влияет ли мозговая среда на развитие более реактивной микроглии.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Cell 11 мая 2023 года, подчеркивают важность взаимодействия иммунных клеток и мозга и улучшают понимание нейродегенеративных и развивающихся заболеваний, таких как аутизм и болезнь Альцгеймера.

"Мы нашли способ создать мозговой органоид, который содержит зрелую микроглию и позволяет нам изучать ее. Так мы наконец-то получили инструмент для того, чтобы увидеть, как здоровый и больной мозг влияют на микроглию и наоборот", - говорит профессор Расти Гейдж, старший автор статьи.

Для создания мозгового органоида с микроглией и мозговой средой ученые использовали новую технику трансплантации. Они обнаружили, что белок SALL1 появляется уже на одиннадцатой неделе развития и подтверждает идентичность и зрелость микроглии. Кроме того, они выяснили, что факторы мозговой среды, такие как белки TMEM119 и P2RY12, необходимы для функционирования микроглии.

С помощью новой модели ученые также смогли изучить влияние мозговой среды на микроглию в условиях аутизма. Они сравнили микроглию, полученную от кожных образцов трех людей с макроцефальным аутизмом, с тремя нейротипичными людьми с макроцефалией.

Ученые обнаружили, что у людей с аутизмом нейроны росли быстрее и имели более сложные ветви, чем у нейротипичных людей. Такое изменение мозговой среды влияло на развитие микроглии, делая ее более реактивной к повреждениям или вторжениям. Результаты могут объяснить воспаление мозга, наблюдаемое у некоторых людей с аутизмом.

Поскольку это было предварительное исследование с небольшой выборкой, ученые планируют изучить больше микроглии от дополнительных людей в будущем, чтобы подтвердить свои результаты. Они также намерены расширить свои исследования на другие развивающиеся и нейродегенеративные заболевания, чтобы увидеть, как микроглия способствует возникновению заболеваний.

“Вместо того, чтобы разбирать мозг на части, мы решили создать его сами”, - рассказал соавтор статьи Саймон Шафер. “Создав свою собственную модель мозга, мы можем работать снизу вверх и видеть решения, которые могут быть невозможно увидеть сверху вниз. Мы стремимся продолжать совершенствовать нашу модель и раскрывать взаимосвязь между мозгом и иммунной системой”.

Исследование демонстрирует важность изучения микроглии - иммунных клеток мозга, которые могут влиять на развитие и функционирование нейронов. Микроглия играет ключевую роль в формировании и устранении синапсов - соединений между нейронами, которые обеспечивают передачу информации в мозге. Синаптическая пластичность - способность синапсов изменяться в зависимости от опыта - является основой обучения и памяти. Однако избыточное или недостаточное синаптическое обрезание может привести к нарушениям нейродегенеративных и развивающихся заболеваний, таких как аутизм и болезнь Альцгеймера.

Это исследование подтверждает гипотезу о том, что микроглия может быть причиной или фактором риска развития аутизма. Ранее другие исследователи также находили связь между активацией микроглии и аутизмом. Кроме того, было показано, что кишечная микробиота - совокупность бактерий, живущих в кишечнике - может влиять на функционирование микроглии. Таким образом, терапии, направленные на коррекцию кишечной микробиоты или подавление активации микроглии, могут быть потенциально эффективными для лечения аутизма.

Эксперимент также демонстрирует потенциал органоидной модели мозга для изучения других нейродегенеративных и развивающих заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и шизофрения. Органоидная модель мозга позволяет работать с живыми человеческими клетками в трехмерной структуре, которая имитирует мозговую среду. В результате возможно увидеть решения, которые недоступны в других лабораторных системах.