Органотипические модели головного мозга млекопитающих в молекулярной психиатрии и неврологии
Илларионова Мария Евгеньевна
лаборант-исследователь кафедры биохимии и регенеративной биомедицины, Медицинский научно-образовательный институт, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва, ORCID: 0009‑0006‑2483‑2137
Бозов Кирилл Дмитриевич
аспирант кафедры биохимии и регенеративной биомедицины, Медицинский научно-образовательный институт, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва, ORCID: 0000‑0002‑1386‑5922
Нейфельд Елена Арсаланиевна
канд. мед. наук, ФГБОУ ВО «Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова» Министерства здравоохранения Российской Федерации, доцент кафедры многопрофильной клинической подготовки, Медицинский научно образовательный институт, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва, ORCID: 0000‑0003‑2647‑1284
Примак Александра Леонидовна
лаборант-исследователь кафедры биохимии и регенеративной биомедицины, факультет фундаментальной медицины, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва, ORCID: 0000‑0002‑1386‑5922
Шелег Дмитрий Александрович
лаборант-исследователь кафедры биохимии и регенеративной биомедицины, факультет фундаментальной медицины, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», ФГБОУ ВО «Российский университет медицины» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва, ORCID: 0000‑0002‑2903‑466
Цыганков Борис Дмитриевич
д-р мед. наук, член-корр. РАН, профессор кафедры многопрофильной клинической подготовки, Медицинский научно-образовательный институт, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», ФГБОУ ВО «Российский университет медицины» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва, ORCID: 0000‑0003‑0180‑1267
Карагяур Максим Николаевич
канд. биол. наук, доцент кафедры биохимии и регенеративной биомедицины, старший научный сотрудник Института регенеративной медицины, Медицинский научно-образовательный институт, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва, ORCID: 0000‑0003‑4289‑3428, m.karagyaur@mail.ru
Рост распространенности неврологических, нейродегенеративных и психических заболеваний подталкивает к необходимости создания адекватных и информативных моделей для изучения молекулярных механизмов их патогенеза и поиска перспективных терапевтических подходов. 2D-культуры нейронов не отражают всей комплексности межклеточных взаимодействий в нервной системе, а мозг даже низших млекопитающих устроен слишком сложно и не всегда подходит для моделирования патологий головного мозга человека. Недостающим звеном между 2D-культурами нейронов и in vivo моделями являются органотипические 3D-культуры. К таким моделям можно отнести переживающие срезы мозга, самоорганизующиеся 3D-культуры (нейросферы, органоиды мозга, ассемблоиды) и культуру «мозга-на-чипе». Эти трехмерные модели позволяют воспроизвести не только клеточный состав головного мозга, но во многом и его архитектонику или даже смоделировать его взаимодействия с другими органами и тканями внутри организма. Их применение уже позволило получить данные о некоторых молекулярных механизмах, вовлеченных в развитие наследственных, воспалительных и нейродегенеративных заболеваний центральной нервной системы, а также предложить и протестировать некоторые подходы к их лечению. В данном обзоре литературы рассматриваются возможности, ограничения и наиболее яркие примеры использования названных органотипических моделей головного мозга. Использование 3D-культур мозга человека и животных открывает беспрецедентные перспективы для развития нейробиологии, молекулярной психиатрии и неврологии. Высокий потенциал и гибкость органотипических моделей, все возрастающая потребность в моделировании различных патологий мозга и стремление к установлению каузальных механизмов заболевания позволяют утверждать, что уже в самом ближайшем будущем 3D-модели ждет стремительный рост, развитие и широкое распространение.
Литература:
1. World Health Organization. (2022). World mental health report: Transforming mental health for all. https:// www.who.int/publications/i/item/9789240049338 (25 September 2024).
2. Mason J., Price D. Building brains in a dish: Prospects for growing cerebral organoids from stem cells. Neuroscience. 2016; 334:105–118.
3. Qian X., Song H., Ming G. Brain organoids: advances, applications and challenges. Development. 2019;146 (8):dev166074.
4. Mayhew C., Singhania R. A review of protocols for brain organoids and applications for disease modeling. STAR Protoc. 2023; 4 (1):101860.
5. Ingebrigtsen R. Studies of the degeneration and regeneration of axis cylinders in vitro. J Exp Med. 1913; 17 (2):182–91.
6. Humpel C. Organotypic brain slice cultures: A review. Neuroscience. 2015; 305:86–98.
7. Delbridge A., Huh D., Brickelmaier M., Burns J., Roberts C., Challa R., Raymond N., Cullen P., Carlile T., Ennis K., Liu M., Sun C., Allaire N., Foos M., Tsai H., Franchimont N., Ransohoff R., Butts C., Mingueneau M. Organotypic Brain Slice Culture Microglia Exhibit Molecular Similarity to AcutelyIsolated Adult Microglia and Provide a Platform to Study Neuroinflammation. Front Cell Neurosci. 2020; 14:592005.
8. Andersson M., Avaliani N., Svensson A., Wickham J., Pinborg L., Jespersen B., Christiansen S., Bengzon J., Woldbye D., Kokaia M. Optogenetic control of human neurons in organotypic brain cultures. Sci Rep. 2016; 6:24818.
9. Kofman S., Mohan N., Sun X., Ibric L., Piermarini E., Qiang L. Human mini brains and spinal cords in a dish: Modeling strategies, current challenges, and prospective advances. J Tissue Eng. 2022;13:20417314221113391.
10. Reynolds B., Weiss S. Generation of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system. Science. 1992; 255 (5052):1707–1710.
11. Klein C., Butt S., Machold R., Johnson J., Fishell G. Cerebellum- and forebrain-derived stem cells possess intrinsic regional character. Development. 2005; 132 (20):4497–4508.
12. da Silva Siqueira L., Majolo F., da Silva A., da Costa J., Marinowic D. Neurospheres: a potential in vitro model for the study of central nervous system disorders. Mol Biol Rep. 2021; 48 (4):3649–3663.
13. Cui X., Hartanto Y., Zhang H. Advances in multicellular spheroids formation. J R Soc Interface. 2017; 14 (127):20160877.
14. Fang Y., Eglen R. Three-Dimensional Cell Cultures in Drug Discovery and Development [published correction appears in SLAS Discov. 2021; 26 (9):NP1. doi: 10.1177/2472555218787198]. SLAS Discov. 2017;22 (5):456–472.
15. Makinde E., Ma L., Mellick G., Feng Y. A HighThroughput Screening of a Natural Products Library for Mitochondria Modulators. Biomolecules. 2024;14 (4):440.
16. Lancaster M., Renner M., Martin C., Wenzel D., Bicknell L., Hurles M., Homfray T., Penninger J., Jackson A., Knoblich J. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013; 501 (7467):373–379.
17. Sloan S., Andersen J., Pașca A., Birey F., Pașca S. Generation and assembly of human brain regionspecific threedimensional cultures. Nat Protoc. 2018; 13 (9):2062–2085.
18. Eura N., Matsui T., Luginbühl J., Matsubayashi M., Nanaura H., Shiota T., Kinugawa K., Iguchi N., Kiriyama T., Zheng C., Kouno T., Lan YJ., Kongpracha P., Wiriyasermkul P., Sakaguchi Y., Nagata R., Komeda T., Morikawa N., Kitayoshi F., Jong M., Kobashigawa S., Nakanishi M., Hasegawa M., Saito Y., Shiromizu T., Nishimura Y., Kasai T., Takeda M., Kobayashi H., Inagaki Y., Tanaka Y., Makinodan M., Kishimoto T., Kuniyasu H., Nagamori S., Muotri AR., Shin J., Sugie K., Mori E. Brainstem Organoids From Human Pluripotent Stem Cells. Front Neurosci. 2020; 14:538.
19. Kim Y., Rim Y., Yi H., Park N., Park S., Ju J. The Generation of Human Induced Pluripotent Stem Cells from Blood Cells: An Efficient Protocol Using Serial Plating of Reprogrammed Cells by Centrifugation. Stem Cells Int. 2016; 2016:1329459.
20. Cederquist G., Asciolla J., Tchieu J., Walsh R., Cornacchia D., Resh M., Studer L. Specification of positional identity in forebrain organoids. Nat Biotechnol. 2019; 37 (4):436–444.
21. Pellegrini L., Bonfio C., Chadwick J., Begum F., Skehel M., Lancaster M. Human CNS barrierforming organoids with cerebrospinal fluid production. Science. 2020; 369 (6500):eaaz5626.
22. Faustino Martins J., Fischer C., Urzi A., Vidal R., Kunz S., Ruffault P., Kabuss L., Hube I., Gazzerro E., Birchmeier C., Spuler S., Sauer S., Gouti M. Self-Organizing 3D Human Trunk Neuromuscular Organoids. Cell Stem Cell. 2020; 27 (3):498.
23. Lavazza A. 'Consciousnessoids': clues and insights from human cerebral organoids for the study of consciousness. Neurosci Conscious. 2021; 7 (2):niab029.
24. Andersen J., Revah O., Miura Y., Thom N., Amin N., Kelley K., Singh M., Chen X., Thete M., Walczak E., Vogel H., Fan H., Paşca S. Generation of Functional Human 3D CorticoMotor Assembloids. Cell. 2020; 183 (7):1913–1929.e26.
25. Amirifar L., Shamloo A., Nasiri R., de Barros N., Wang Z., Unluturk B., Libanori A., Ievglevskyi O., Diltemiz S., Sances S., Balasingham I., Seidlits S., Ashammakhi N. Brainonachip: Recent advances in design and techniques for microfluidic models of the brain in health and disease. Biomaterials. 2022; 285:121531.
26. Pașca S. The rise of threedimensional human brain cultures. Nature. 2018; 553 (7689):437–445.
27. Gordon A., Yoon S., Tran S., Makinson C., Park J., Andersen J., Valencia A., Horvath S., Xiao X., Huguenard H., Pașca S., Geschwind D. Long term maturation of human cortical organoids matches key early postnatal transitions. Nat Neurosci. 2021; 24 (3):331–342.
28. Cakir B., Xiang Y., Tanaka Y., Kural M., Parent M., Kang Y., Chapeton K., Patterson B., Yuan Y., He C., Raredon M., Dengelegi J., Kim K., Sun P., Zhong M., Lee S., Patra P., Hyder F., Niklason L., Lee S., Yoon Y., Park I. Engineering of human brain organoids with a functional vascularlike system. Nat Methods. 2019; 16 (11):1169–1175.
29. Steiner K., Humpel C. Longterm organotypic brain slices cultured on collagenbased microcontact prints: A perspective for a brain onachip. J Neurosci Methods. 2023; 399:109979. doi: 10.1016/j.jneumeth.2023.109979
30. Meng X., Yao D., Imaizumi K., Chen X., Kelley K., Reis N., Thete M., McKinney A., Kulkarni S., Panagiotakos G., Bassik M., Pașca S. Assembloid CRISPR screens reveal impact of disease genes in human neurodevelopment. Nature. 2023; 622 (7982):359–366.
31. Karagyaur M., Primak A., Efimenko A., Skryabina M., Tkachuk V. The Power of Gene Technologies: 1001 Ways to Create a Cell Model. Cells. 2022; 11 (20):3235.
32. Sheppard O., Coleman M., Durrant C. Lipopolysaccharid-einduced neuroinflammation induces presynaptic disruption through a direct action on brain tissue involving microgliaderived interleukin 1 beta. J Neuroinflammation. 2019; 16 (1):106.
33. Yousif N., de Oliveira A., Brioschi S., Huell M., Biber K., Fiebich B. Activation of EP2 receptor suppresses poly (I: C) and LPSmediated inflammation in primary microglia and organotypic hippocampal slice cultures: Contributing role for MAPKs. Glia. 2018; 66 (4):708–724.
34. Richter M., Vidovic N., Biber K., Dolga A., Culmsee C., Dodel R. The neuroprotective role of microglial cells against amyloid betamediated toxicity in organotypic hippocampal slice cultures. Brain Pathol. 2020; 30 (3):589–602.
35. Pischiutta F., Cavaleiro H., Caruso E., Tribuzio F., Di Marzo N., Moro F., Kobeissy F., Wang K., Salgado A., Zanier E. A novel organotypic cortical slice culture model for traumatic brain injury: molecular changes induced by injury and mesenchymal stromal cell secretome treatment. Front Cell Neurosci. 2023; 17:1217987.
36. Chong H., Ma Z., Wong K., Morokoff A., French C. An In Vitro Brain Tumour Model in Organotypic Slice Cultures Displaying Epileptiform Activity. Brain Sci. 2023; 13 (10):1451.
37. Bak A., Schmied K., Jakob M., Bedogni F., Squire O., Gittel B., Jesinghausen M., Schünemann K., Weber Y., Kampa B., van Loo K., Koch H. Temporal dynamics of neocortical development in organotypic mouse brain cultures: a comprehensive analysis. J Neurophysiol. 2024; 132 (3):1038–1055.
38. Lancaster M., Renner M., Martin C., Wenzel D., Bicknell L., Hurles M., Homfray T., Penninger J., Jackson A., Knoblich J. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013; 501 (7467):373–379.
39. Bershteyn M., Nowakowski T., Pollen A., Di Lullo E., Nene A., Wynshaw-Boris A., Kriegstein A. Human iPSC–Derived Cerebral Organoids Model Cellular Features of Lissencephaly and Reveal Prolonged Mitosis of Outer Radial Glia. Cell Stem Cell. 2017; 20 (4):435–449.e4.
40. Sun X., Kofman S., Ogbolu V., Karch C., Ibric L., Qiang L. Vascularized Brain Assembloids With Enhanced Cellular Complexity Provide Insights Into the Cellular Deficits of Tauopathy. Stem Cells. 2024; 42 (2):107–115.
41. Mariani J., Coppola G., Zhang P., Abyzov A., Provini L., Tomasini L., Amenduni M., Szekely A., Palejev D., Wilson M., Gerstein M., Grigorenko E., Chawarska K., Pelphrey K., Howe J., Vaccarino F. FOXG1‑Dependent Dysregulation of GABA/Glutamate Neuron Differentiation in Autism Spectrum Disorders. Cell. 2015; 162 (2):375–390.
42. Chun S., Westmoreland J., Bayazitov I., Eddins D., Pani A., Smeyne R., Yu J., Blundon J., Zakharenko S. Specific disruption of thalamic inputs to the auditory cortex in schizophrenia models. Science. 2014; 344 (6188):1178–82.
43. McCrimmon C., Toker D., Pahos M., Lozano K., Lin J., Parent J., Tidball A., Zheng J., Molnár L., Mody I., Novitch B., Samarasinghe R. Modeling Cortical Versus Hippocampal Network Dysfunction in a Human Brain Assembloid Model of Epilepsy and Intellectual Disability. bioRxiv [Preprint]. 2024
44. Birey F., Andersen J., Makinson C., Islam S., Wei W., Huber N., Fan H., Metzler K., Panagiotakos G., Thom N., O'Rourke NA., Steinmetz L., Bernstein JA., Hallmayer J., Huguenard J., Paşca S. Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids. Nature. 2017; 545 (7652):54– 59.
45. Westerhof T., Yang B., Merill N., Yates J., Altemus M., Russell L., Miller A., Bao L., Wu Z., Ulintz P., Aguilar C., Morikawa A., Castro M., Merajver S., Oliver C. Bloodbrain barrier remodeling in an organonachip device shows Dkk1 to be a regulator of early metastasis. Adv Nanobiomed Res. 2023; 3 (4):2200036.
46. Lim J., Rhee S., Choi H., Lee J., Kuttappan S., Nguyen Y., Choi S., Kim Y., Jeon N. Engineering choroid plexusonachip with oscillatory flow for modeling brain metastasis. Mater Today Bio. 2023; 22:100773.
47. de Rus Jacquet A., Alpaugh M., Denis H., Tancredi J., Boutin M., Decaestecker J., Beauparlant C., Herrmann L., SaintPierre M., Parent M., Droit A., Breton S., Cicchetti F. The contribution of inflammatory astrocytes to BBB impairments in a brainchip model of Parkinson's disease. Nat Commun. 2023; 14 (1):3651.
48. Nair A., Groenendijk L., Overdevest R., Fowke T., Annida R., Mocellin O., de Vries H., Wevers N. Human BBBonachip reveals barrier disruption, endothelial inflammation, and T cell migration under neuroinflammatory conditions. Front Mol Neurosci. 2023; 16:1250123.
49. Park S., Kook M., Kim S., Lee J., Yu Y., Park C., Lim S., Oh B., Jung Y., Hong I. A microscale 3D organ on a chip for recapitulating reciprocal neuroendocrine crosstalk between the hypothalamus and the pituitary gland. Biofabrication. 2024; 16 (2).
50. Kim N., Lee H., Choi Y., Mo S., Jeon S., Ha J., Park S., Shim J., Lee J., Chung B. Effect of gut microbiotaderived metabolites and extracellular vesicles on neurodegenerative disease in a gutbrain axis chip. Nano Converg. 2024; 11 (1):7.
Глобальное старение мирового населения и рост распространенности неврологических и психических заболеваний подталкивает к необходимости установления молекулярных механизмов их патогенеза и разработке подходов к их профилактике и терапии [1]. Решение этих задач требует разработки адекватных и информативных моделей. Головной мозг низших млекопитающих не в полной мере отражает строение и функционирование мозга человека и, несмотря на это, даже он устроен крайне сложно, что затрудняет установление молекулярных механизмов его функционирования в норме и при патологии в моделях in vivo. 2D-культуры нейронов и глиальных клеток, напротив, слишком просты и не способны воспроизвести разнообразие многообразие клеточных типов, молекулярных и межклеточных взаимодействий и градиентов, свойственных нервной системе высших животных и человека [2].
Промежуточным звеном, восполняющим пробел между 2D и in vivo моделями, являются органотипические и самоорганизующиеся 3D-культуры мозга, которые открывают возможности моделирования процессов морфогенеза отдельных структур мозга и их функционирования в норме и при патологии [2, 3]. Уникальными свойствами таких моделей является возможность длительного отслеживания и визуализации взаимодействий нейральных и глиальных клеток в режиме реального времени с опциями фармакологического воздействия и внесения необходимых генетических модификаций [3]. К 3D-культурам мозга относят переживающие срезы головного мозга, самоорганизующиеся 3D-культуры (нейросферы, органоиды и ассемблоиды головного мозга), а также культуры «мозга-на-чипе» [3], и каждая из этих моделей имеет свои сильные и слабые стороны.
Использование 3D-культур мозга человека и животных открывает беспрецедентные перспективы для развития нейробиологии, молекулярной психиатрии и неврологии [2–4]. Стремительное развитие данной области требует обобщения накопленного экспериментального материала для лучшего понимания преимуществ, недостатков, трендов и перспектив развития каждого из подходов, что и является основным объектом исследования данной публикации.
Для Цитирования:
Илларионова Мария Евгеньевна, Бозов Кирилл Дмитриевич, Нейфельд Елена Арсаланиевна, Примак Александра Леонидовна, Шелег Дмитрий Александрович, Цыганков Борис Дмитриевич, Карагяур Максим Николаевич, Органотипические модели головного мозга млекопитающих в молекулярной психиатрии и неврологии. Вестник неврологии, психиатрии и нейрохирургии. 2025;1.
