Биоинженеры создали функциональную трехмерную мозгоподобную ткань

Источник: Physorg

Биоинженеры создали трехмерную мозгоподобную ткань, которая имеет структурные особенности и функционирует как ткани в мозге крысы. Кроме того, она может выживать в лаборатории в течение свыше двух месяцев. Чтобы показать потенциал своей разработки, ученые продемонстрировали на ней ряд химических и электрических изменений, которые происходят при черепно-мозговых травмах и при воздействии отдельных лекарств. Ткань может стать превосходной моделью для изучения нормальной функций мозга, а также травм и болезней, может помочь в разработке новых методов лечения дисфункции мозга. Мозгоподобная ткань была создана в Центре тканевой инженерии в Университете Тафтса, который финансируется Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии.

До сих пор нейроны выращивали в чашках Петри, чтобы изучать их поведение в контролируемой среде. Но нейроны, выращенные в двух измерениях, не в состоянии воспроизвести сложную структурную организацию мозговой ткани, которая состоит из обособленных регионов серого и белого вещества. В мозге серое вещество состоит в основном из клеточных тел — нейронов, а белое вещество состоит из пучков аксонов — ответвлений, которые нейроны отращивают, чтобы связываться друг с другом. Так как травмы головного мозга и болезни часто влияют на серое и белое вещество по-разному, необходимы модели, которые демонстрируют разделение серого и белого вещества.

Ранее инженеры уже пытались выращивать нейроны в гелевой трехмерной структуре, где нейроны могли бы свободно устанавливать связи друг с другом во всех направлениях. Но модели, выращенные в геле, не живут долго и обладают достаточной функциональностью. Это происходит потому, что внеклеточная среда представляет собой сложную матрицу, в которой локальные сигналы обеспечивают обособление различных районов, способствующих росту клеток и их развитию. Проще говоря, обеспечение пространства для роста нейронов в трех измерениях не является достаточным для их выживания. Команда под руководством профессора Дэвида Каплана, директора Центра тканевой инженерии, использовала для создания мозгоподной ткани новую композитную структуру. Она состоит из двух биоматериалов с различными физическими свойствами: губчатых лесов из протеина шелка и геля на основе коллагена.

Леса служат основой, на которой нейроны могут закрепляться, а гель позволяет аксонам расти сквозь него. Для достижения разделения серого и белого вещества, исследователи создали «бублик» из протеиновых лесов и заселили ее нейронами из мозга крысы. Затем ученые заполнили середину «бублика» коллагеновым гелем, который впоследствии пронизал все леса. В результате была сформирована область, содержащая белое вещество. В течение нескольких недель исследователи проводили эксперименты с целью установить состояние здоровья и функции нейронов, а также сравнивали их с нейронами, растущими в трехмерной гелевой структуре и в чашках Петри. Обнаружилось, что нейроны в мозгоподобной ткани имели более высокое выражение генов, вовлеченных в рост нейронов и их функциональность.

Стабильная метаболическая активность нейронов сохраняется в течение пяти недель, тогда как при выращивании в геле она ухудшается в течение 24 часов. Что касается функциональности, нейроны в мозгоподобной ткани демонстрировали электрическую активность, которая сравнима с сигналами, видимыми в интактном мозге. В том числе, был получен типичный электрофизиологический рисунок в ответ на воздействие нейротоксина. Как отмечает профессор Каплан, важность долговечности модельной структуры имеет большое значение для изучения заболеваний мозга, так как многие болезни развиваются в течение долгого времени. Команда планирует сделать свою мозгоподобную ткань еще более функциональной. Исследователи показали, что структура «бублика» может быть преобразована в шесть концентрических колец, каждое из которых заполнено различными типами нейронов. Такая модель будет имитировать шесть слоев коры головного мозга, состоящих из разных типов нейронов.