«Мозг невероятно сложный, с тысячами различных типов клеток, каждый из которых участвует в различных заболеваниях», — говорит Кристин Болдуин, доктор философии, профессор Scripps Research и старший автор исследования. «Проблема с пониманием и лечением многих заболеваний головного мозга заключается в том, что мы не можем воспроизводимо производить нужные типы клеток мозга. Теперь мы нашли более 75 новых способов быстро и воспроизводимо превращать клетки кожи в нейроны, которые, как мы думаем, будут очень важны. лучшие представители различных неврологических заболеваний, чем были доступны ранее.«Персонализированное и практически неограниченное количество различных типов нейронных клеток в чашке позволяет вам понять, что происходит с заболеванием.
В то же время исследование предоставляет новый инструментарий для тестирования тысяч лекарств на пораженных клетках, чтобы попытаться исправить это. — обращать внимание на проблемы вместо того, чтобы испытывать их на мышах или других животных, с результатами, которые часто трудно интерпретировать в условиях человека », — добавляет Болдуин.Лаборатория Болдуина задалась вопросом, можно ли упростить и расширить набор инструментов кодирования для создания нейронных клеток непосредственно из клеток кожи. Первый автор Рэйчел Цунемото, доктор философии, намекала на предыдущее исследование, что можно создать очень специфические типы нейронов, используя только два фактора транскрипции одновременно. Таким образом, она и другие сотрудники лаборатории разработали и протестировали большой набор кодов двух факторов, чтобы увидеть, могут ли они преобразовать клетки кожи в клетки с основными характеристиками нейронов, такими как их форма и электрическая возбудимость.
Хотя они ожидали обнаружить несколько новых факторов или, возможно, не обнаружить их вовсе, результаты их большого экрана были довольно неожиданными. Из почти 600 протестированных факторов более 12 процентов в конечном итоге привели к образованию нейронов, что привело к появлению более 70 новых рецептов или кодов для производства нейронов.
Затем последовал еще больший сюрприз. «Синтетические нейроны», как их называет Болдуин, начали наращивать синапсы и пытаться общаться друг с другом. «Это произошло всего через две-три недели после того, как они превратились в клетки фибробластов, которые обычно никогда не общаются», — говорит Болдуин.«Это было действительно здорово», — говорит Цунемото, соавтор исследования и исследователь Scripps Research и Калифорнийского университета в Сан-Диего во время исследования. «Но очевидно, что нужно было проделать еще много работы, чтобы более подробно понять эту волнующую нейронную сложность в блюдо».В течение многих лет проблема заключалась в том, чтобы увидеть прошлые общие черты нейронов, такие как способность общаться с помощью соединений, называемых синапсами, и выяснить, почему определенные нейроны обладают особыми свойствами, такими как способность производить дофамин или реагировать на нейроактивные препараты, такие как как никотин, что также коррелирует с их участием в различных заболеваниях.Вместе с Сохён Ли, одним из первых авторов исследования и недавним выпускником PhD Scripps Research, Цунемото начал сортировать «выходы» различных кодов, используя традиционные методы электрической записи и новые чувствительные методы секвенирования, чтобы проверить, соответствуют ли коды будет производить нейроны с разными характеристиками.
То, что они обнаружили, было захватывающим. Каждый код создавал набор нейронов с разными свойствами, некоторые из которых казались незамедлительно полезными для понимания того, как различия в нашей генетической структуре могут предрасполагать нас к неврологическому разнообразию при таких расстройствах, как аутизм, никотиновая зависимость или нейродегенерация.Болдуин отмечает, что эта работа основана на многолетних исследованиях, проведенных ее лабораторией и по всему миру.
Предыдущие исследования под руководством Нобелевского лауреата Шиньи Яманака и группы Мариуса Вернига из Стэнфордского университета недавно показали, что набор из трех-четырех факторов может превращать клетки кожи в плюрипотентные стволовые клетки и непосредственно в нейроны. Предыдущая работа лаборатории Болдуина показала, что набор всего из двух факторов может выборочно генерировать определенные виды нейронов, которые реагируют на боль и зуд.Новое исследование — большой шаг вперед в перепрограммировании клеток. Факторы транскрипции, которые создают нейроны, подобны кодам ", — говорит Болдуин, и теперь исследователи могут вводить эти коды, чтобы снова и снова получать точные типы нейронов, необходимые им для исследования, устраняя необходимость в очень ценных человеческих образцах, полученных в результате операций на головном мозге ( которую можно изучать всего за несколько часов).
«Теперь мы можем стать лучшими детективами по геному», — говорит Болдуин. «Создание базы данных этих кодов и типов нейронов, которые они производят, может помочь нам напрямую связать геномные исследования болезней мозга человека с молекулярным пониманием того, что не так с нейронами, что является ключом к поиску и нацеливанию лечения.«Мы уже работаем с сотрудниками и пишем гранты, чтобы применить эту платформу к исследованиям аутизма и болезни Альцгеймера, а также к некоторым редким заболеваниям, таким как атаксия Фридриха», — добавляет Болдуин. «Мы также думаем, что изученные нами пары факторов транскрипции — это только верхушка айсберга, и, вероятно, существует гораздо больше кодов для типов нейронов, которые можно найти».
Исследователи поощряют других ученых использовать их результаты через свободно доступную платформу под названием BioGPS, управляемую учеными Scripps Research. «Здесь так много всего, что нужно исследовать», — говорит Цунемото.