Ученые вырастили первую полностью синтетическую ткань мозга

Команда из UC Riverside создала ткань, подобную мозгу, без ингредиентов животного происхождения

В ходе разработки, которая может изменить методы лабораторного изучения мозга, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде (University of California, Riverside) сообщили о создании функционирующей ткани, имитирующей мозг, на скаффолде, полностью изготовленном из синтетических материалов. Эта работа заменяет широко используемые покрытия животного происхождения и экстракты внеклеточного матрикса химически нейтральным полимером, чья физическая архитектура сама направляет клетки доноров-людей для формирования нейронных сетей. Этот подход направлен на то, чтобы сделать неврологические тесты более контролируемыми, долговечными и менее зависимыми от животных моделей.

Как изготавливается скаффолд

Команда создала свой скаффолд из полиэтиленгликоля (ПЭГ), широко используемого биосовместимого полимера, который обычно инертен к прикреплению клеток. Вместо добавления биологических лигандов, таких как ламинин или фибрин — стандартных добавок, часто получаемых из тканей животных, — исследователи придали ПЭГ форму текстурированного лабиринта с взаимосвязанными порами. Клетки, высеянные в эти поры, получают доступ к кислороду и питательным веществам и, что крайне важно, организуются в кластеры, подобные мозговым, которые после созревания начинают обмениваться электрическими сигналами.

Для создания такой пористой микроархитектуры группа использовала метод поточного производства: растворы воды, этанола и ПЭГ перекачивались через вложенные стеклянные капилляры так, что смесь разделялась на фазы при контакте с внешним потоком воды. Затем вспышка света фиксировала разделившуюся структуру, создавая стабильный высокопористый скаффолд, в который можно заселить донорские нервные клетки. Исследователи утверждают, что клетки реагируют именно на эту контролируемую физическую структуру, а не на биологические покрытия.

Почему важен синтетический путь

Большинство современных платформ для трехмерного культивирования нейронов полагаются на биологические экстракты — например, препараты базальной мембраны, — которые химически сложны, варьируются от партии к партии и часто имеют животное происхождение. Эти переменные затрудняют воспроизводимость экспериментов и усложняют перенос результатов в человеческую медицину. Напротив, ПЭГ химически четко определен и не обладает иммуногенностью, поэтому скаффолды на его основе могут производиться с постоянным составом и механическими свойствами и не требуют добавок животного происхождения для поддержания роста клеток при правильной оптимизации микроархитектуры. Эти свойства материалов сделали гидрогели ПЭГ фундаментальным инструментом в инженерии нервной ткани на протяжении многих лет; новая работа демонстрирует способ сделать ПЭГ не просто пассивной средой, а направляющим фактором для организации нейронов путем адаптации его внутренней геометрии.

Какое место это занимает среди других моделей мозга

За последние несколько лет лаборатории довели технологии органоидов и асемблоидов — самоорганизующихся кластеров нейронов, полученных из стволовых клеток человека, которые могут моделировать аспекты областей мозга и путей — до поразительной точности, включая воспроизведение цепей, передающих сенсорные сигналы. Эти системы полагаются на биохимические сигналы и самоорганизацию клеток, обеспечиваемую биологическими матриксами и сложными протоколами. Скаффолд из UC Riverside дополняет их: вместо того чтобы полагаться на биологическую сложность, он предлагает физически определенную платформу, которая может улучшить воспроизводимость и долговечность экспериментов, требующих стабильных донор-специфических сетей. Вместе эти подходы предлагают исследователям различные компромиссы между биологическим реализмом, экспериментальным контролем и этическими проблемами использования животных.

Потенциальные области применения и преимущества

Исследователи выделяют несколько краткосрочных применений: моделирование механики черепно-мозговых травм и инсультов, изучение процессов заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, в донор-специфических клетках и скрининг нейроактивных препаратов без использования тканей животных. Поскольку синтетический скаффолд стационарен и менее подвержен биохимической деградации, он может поддерживать более длительные эксперименты, позволяющие нервным клеткам созревать — это ключевое требование, так как многие признаки неврологических заболеваний проявляются только в зрелых нейронах. Команда также рассматривает это как первый шаг к объединению сетей различных моделей органов, чтобы ученые могли контролируемым образом изучать взаимодействие между мозгом и другими тканями.

Ограничения и путь к масштабированию

Текущие скаффолды невелики — примерно два миллиметра в ширину, — и исследователи признают наличие ряда инженерных проблем, которые необходимо решить, прежде чем этот подход сможет заменить более крупные или сложные модели. Главной среди них является перфузия: более крупным тканевым конструкциям нужна встроенная сосудистая сеть или эффективные синтетические каналы для доставки кислорода и удаления отходов. Проектирование и производство сосудистых сетей, способных поддерживать ткани масштаба органа, и соединение этих сетей с синтетическим матриксом мозга остаются активными направлениями исследований. Также остаются вопросы о том, как в полностью синтетическом скаффолде можно моделировать иммунные взаимодействия, физиологию гематоэнцефалического барьера и другие системные влияния.

Этика, регулирование и перспектива сокращения использования животных

Помимо воспроизводимости экспериментов, синтетический скаффолд отвечает на этическое и регуляторное давление, направленное на сокращение испытаний на животных. Регуляторные органы и спонсоры в нескольких юрисдикциях поощряют разработку систем тестирования без участия животных для проверки безопасности и эффективности лекарств, и определенные синтетические платформы могут ускорить этот переход, предлагая воспроизводимые, релевантные для человека испытательные стенды. Тем не менее, регуляторы будут ожидать тщательной валидации, показывающей, что реакции в синтетической модели предсказывают результаты у людей, а это потребует времени и репликации в разных лабораториях.

На что обратить внимание в будущем

• Масштабирование — демонстрация более крупных конструкций и интегрированных синтетических сосудистых сетей или систем перфузии.
• Функциональная валидация — электрофизиологические исследования и исследования реакции на препараты, демонстрирующие предсказуемое донор-специфическое поведение, имеющее отношение к заболеванию.
• Кросс-платформенные сравнения — прямые тесты, сравнивающие синтетические скаффолды, органоиды и модели животных при воздействии одного и того же препарата или повреждающего фактора.
• Взаимодействие с регуляторами — ранние диалоги с агентствами для определения того, как синтетические ткани могут быть использованы в доклинических исследованиях.

Команда UC Riverside начала проект в 2020 году и получает финансовую поддержку из внутренних стартовых фондов и грантов штата на исследования в области регенеративной медицины. Концепция скаффолда уже привела к тому, что группа представила связанную работу по синтетической ткани печени, и они продолжают разрабатывать стратегии объединения культур уровня органов во взаимодействующие системы. Если эти последующие шаги увенчаются успехом, подход может предоставить исследователям новый класс человекоориентированных масштабируемых моделей тканей для нейробиологии и разработки лекарств.

Джеймс Лоусон (James Lawson) — репортер отдела расследований в области науки и технологий издания Dark Matter. Он имеет степень магистра в области научной коммуникации и степень бакалавра физики Университетского колледжа Лондона (University College London), и освещает достижения в области ИИ, космоса и квантовых технологий.