Существует множество методов изучения работы мозга: МРТ-сканирование, вскрытие, выращивание нейронных органоидов или их использование в роли биореакторных процессоров. Также можно моделировать мозговые процессы на компьютерах с трёхмерными симуляциями. Но возможно ли реально вырастить мозг в лаборатории? Оказывается, да — при условии применения надёжного каркаса.
Синтетический мозг: моделирование и организация
Тканевая инженерия стремится воссоздать в лаборатории сложную микросреду мозга, включающую не только нейроны, но и внеклеточный матрикс, который обеспечивает питание, поддержку роста и скоординированное взаимодействие клеток. Такая структурированная система передаёт сигналы и синхронизирует работу нервных элементов.
3D-каркасы, созданные методом тканевой инженерии, обладают огромным потенциалом для копирования архитектуры и функций мозга. Тем не менее воспроизведение мельчайших анатомических деталей in vitro остаётся сложной задачей: современные инструменты не позволяют задать все микроособенности, определяющие поведение клеток.
Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде представили полностью искусственный каркас, который упорядочивает нейроны аналогично природному мозгу. Эта технология получила название Bijel-Integrated PORous Engineered System (BIPORES) и не требует компонентов животного происхождения.
Назначение и перспективы синтетического каркаса
Главная цель разработчиков — отказаться от использования животных моделей при исследовании нервной ткани, что совпадает со стратегией FDA по постепенной отмене доклинических испытаний на животных.
Основной компонент — полиэтиленгликоль (ПЭГ), полимер с нейтральной химической активностью и слабой адгезией к клеткам. Обычно для улучшения прикрепления нейронов вводят белки-адгезивы, такие как ламинин или фибрин.
Ранее была разработана технология STrIPS для непрерывного формирования микроволокон и плёнок с губчатой внутренней структурой, однако минимальная толщина таких изделий ограничивалась примерно 200 мкм из-за особенностей молекулярной диффузии.
Технология BIPORES и её преимущества
Чтобы преодолеть предел по толщине, команда создала систему BIPORES для получения массивных волокнистых матриц с иерархической поризацией. Вдохновением послужили биконтинуальные эмульсионные гели (bijel) — материалы с гладкой седловидной поверхностью. Волокна BIPORES формируются из гелеобразного раствора ПЭГ, который превращается в стабильную пористую сеть при помощи наночастиц диоксида кремния.
Сочетание микрофлюидной камеры и биопринтера позволяет создавать трёхмерные структуры с взаимосвязанными порами, обеспечивающими доставку питательных веществ и кислорода к поверхностным и внутренним слоям клеток. Эксперименты на нейрональных стволовых клетках продемонстрировали прочное прикрепление, рост и образование функциональных синаптических связей.
«Стабильный каркас открывает возможности для длительных исследований зрелых нейронов, чьи характеристики ближе к естественным тканям при изучении заболеваний и травм».
Принс Дэвид Окоро, ведущий автор исследования.
Процесс создания каркаса
Для изготовления волокон применяется жидкая смесь ПЭГ, этанола и воды: ПЭГ отторгается водой, а этанол выступает эмульгатором. Смесь протягивают через тончайшие стеклянные каналы, где потоки разделяют компоненты, после чего инициируют кристаллизацию и формирование губчатой структуры.
Микропоры обеспечивают диффузию кислорода и питательных веществ внутрь органоида, поддерживая жизнедеятельность стволовых клеток.
«Материал предоставляет клеткам всё необходимое для роста, самоорганизации и межклеточного взаимодействия, близкого к нативной мозговой ткани».
Иман Ношади, доцент кафедры биоинженерии Университета Риверсайда.
На текущем этапе диаметр каркаса можно увеличить максимум на 2 мм, но команда уже работает над масштабированием и рассматривает применение подхода для инженерии печёночной ткани.
Модульная биосистема будущего
Конечная цель — создать сеть лабораторно выращенных мини-органов, взаимодейстующих как в натуральном организме. Исследователи стремятся получить стабильные, долговечные и функциональные модели для тестирования лекарств и изучения патофизиологии.
«Интегрированная система позволит оценивать реакцию разных тканей на единое лечение и выявлять взаимодействие органов в норме и при патологии».
Иман Ношади.
Метод послойного выращивания наиболее точно воспроизводит свойства мозговой ткани и становится ключевым инструментом для разработки методов восстановления и замещения повреждённых нейронных участков.
Больше материалов о мозге, психике и передовых методах тканевой инженерии — в сообществе Neural Hack на Telegram.
