МДС вызывается делецией участка 17 хромосомы человека, содержащего гены, важные для нервного развития. В результате получается мозг, внешний слой которого, неокортекс, который обычно складчат и бороздят, чтобы вместить больше мозга в ограниченный череп, вместо этого имеет гладкий вид (лиссэнцефалия) и часто меньше обычного (микроцефалия). Заболевание сопровождается тяжелыми припадками и умственной отсталостью, и лишь немногие дети, рожденные с МДС, доживают до детства.
В новом исследовании, опубликованном в Интернете 19 января 2017 года в журнале Cell Stem Cell, исследовательская группа преобразовала клетки кожи пациентов с МДС и здоровых взрослых в нервные стволовые клетки, которые они поместили в трехмерную систему культивирования для выращивания органоидных моделей неокортекс человека с генетическим дефектом, вызывающим МДС, и без него.Тщательное наблюдение за развитием этих органоидов MDS с течением времени показало, что многие нервные стволовые клетки отмирают на ранних стадиях развития, а другие обнаруживают дефекты клеточного движения и деления клеток. По словам авторов, эти результаты могут помочь объяснить, как генетика МДС приводит к лиссэнцефалии, а также предложить ценную информацию о нормальном развитии мозга.«Разработка моделей кортикальных органоидов — это прорыв в способности исследователей изучать, как развитие человеческого мозга может идти наперекосяк, особенно при таких заболеваниях, как МДС», — сказал Тони Виншоу-Борис, доктор медицинских наук, председатель отдела генетики и геномных исследований. в Медицинской школе Университета Кейс Вестерн Резерв и соавтор нового исследования. «Это позволило нам идентифицировать новые клеточные факторы, которые способствуют развитию синдрома Миллера-Дикера, который ранее не моделировался».
Органоиды "гладкого мозга" выявляют дефекты стволовых клеток, которые играют ключевую роль в развитии человеческого мозгаПредыдущие исследования причин лиссэнцефалии опирались на модели заболевания на мышах, которые предполагали, что основной причиной расстройства был дефект в способности молодых нейронов мигрировать в нужное место в головном мозге. Но Арнольд Кригштейн, доктор медицинских наук, профессор неврологии, директор Центра регенерационной медицины и исследований стволовых клеток им. Эли и Эдит Брод при UCSF и соавтор, считает, что у этого подхода есть существенные недостатки.
«В отличие от человеческого мозга, мозг мыши от природы гладкий», — сказал Кригштейн. «Если вы изучаете болезнь, которая приводит к сглаживанию мозга у людей, сложно изучить ее на животных, у которых обычно гладкий мозг».В мозгу мыши также отсутствует тип нервных стволовых клеток, называемых внешней радиальной глией, которые были обнаружены группой Кригштейна в 2010 году. Считается, что эти клетки сыграли решающую роль в массовом увеличении размеров и сложности мозга приматов по сравнению с другими. млекопитающие в ходе эволюции.«Существуют фундаментальные различия в том, как растет и развивается мозг мыши и человека», — сказала Марина Берштейн, доктор философии, руководившая новым исследованием.
Ранее Берштейн работал докторантом в лабораториях Виншоу-Бориса и Кригштейна, а сейчас работает исследователем в Neurona Therapeutics, компании, основанной Кригштейном и его коллегами для разработки методов лечения неврологических заболеваний стволовыми клетками. «В этом исследовании мы предположили, что часть объяснения — это разные типы нервных стволовых клеток, которых много у человека, но редко у мышей».Чтобы более точно смоделировать прогрессирование МДС в эмбриональном мозге человека, Берштейн возглавил разработку кортикальных органоидов МДС и методов наблюдения за тем, как стволовые клетки в этих органоидах развиваются в лаборатории в различные типы клеток, наблюдаемые у эмбриона человека в первом триместре. мозги.Берштейн и ее команда обнаружили, что клетки наружной радиальной глии легко росли в органоидах, полученных от пациентов, но покадровые изображения выявили дефект в способности этих клеток делиться и размножаться, что потенциально способствовало появлению маленького гладкого мозга, наблюдаемого у пациентов с МДС.
Кроме того, команда обнаружила, что ранние нервные стволовые клетки, называемые нейроэпителиальными клетками, которые присутствуют как у мышей, так и у людей, умирают с удивительно высокой скоростью в органоидах МДС, а когда они выживают, делятся ненормальным образом — как если бы они преждевременно превращаются в нейроны, прерывая важные ранние стадии развития мозга.В соответствии с предыдущими исследованиями на мышах, эти покадровые изображения также показали, что новорожденные нейроны не могут должным образом мигрировать через трехмерную систему культивирования клеток, используемую исследователями, останавливаясь и «кувыркаясь» на дорожках, которые должны вести их в мозг. растущая кора головного мозга и потенциально способствуя неспособности мозга с МДС должным образом формировать внешние структуры мозга.Исследование органоидов открывает двери для изучения болезней мозга человека в лаборатории
Вместе эти наблюдения помогли команде точно определить стадии развития и конкретные типы нервных стволовых клеток, которые нарушены при МДС. По словам авторов, следующим шагом к пониманию лиссэнцефалии в более широком смысле станет тестирование клеток пациентов с различными генетическими формами заболевания, чтобы исследователи могли начать связывать определенные мутации с клеточными дефектами, которые вызывают уродства мозга.По словам авторов, исследование также демонстрирует полезность органоидов головного мозга, полученных от пациентов, как способа преодоления разрыва между моделями на животных и человеческими заболеваниями.
В частности, открытие того, что клетки внешней радиальной глии человека легко растут на моделях органоидов, открывает ученым во всем мире возможность изучить роль этих клеток как в нормальном развитии человеческого мозга, так и в болезнях.«Кортикальные органоиды, полученные от пациентов, вызывают огромное волнение», — сказал Кригштейн. «Теперь мы можем экспериментально изучать развитие человеческого мозга в лаборатории способами, которые раньше были невозможны».
