Все существующие методы изучения человеческого мозга, которые имеются в арсенале исследователей на сегодняшний день, сложно назвать совершенными.
Молекулярные и клеточные методы, изучение работы мозга на модельных животных, а также через аутопсию или методами нейроимиджинга – все имеют ограничения. Любой метод может рассказать о мозге или только с одной стороны, или лишь поверхностно раскрыть особенности работы мозга в динамике. Поскольку законное глубокое изучение открытого, живого человеческого мозга, как он есть, целиком почти невозможно в силу моральных и юридических законов, исследователи придумали другой подход. Они создали человеческий «мозг в пробирке».
Мини-брейны, или органоиды мозга, – это сферические модели мозга человека, которые выращиваются в лаборатории из плюрипотентных клеток человека – таких, которые могут стать любым типом клеток в будущем. Эти маленькие мозги, по сути, как бы копия реального мозга, но с минимальным функционалом: они реконструируют архитектуру и функции нервной ткани для систематических исследований, но не могут полностью имитировать мозг. Эта удивительная структура по своим свойствам приближена к человеческому мозгу больше, чем мозг модельного животного, которые так часто используются для изучения секретов нервной системы.
Почему же возникла такая необходимость?
Как уже было отмечено выше, возможности изучения головного мозга человека в динамике сильно ограничены. Методы визуализации живого мозга зачастую могут дать лишь косвенные ответы на вопросы о предмете исследования (к примеру, о развитии болезни) и требуют комплексного анализа при помощи методов биоинформатики. Большая часть подобных исследований сводится к формированию теорий на основе получаемых косвенных данных. Что делать, таковы рамки. Наверняка очень немногие захотели бы отдать свой мозг на изучение, например, какого-нибудь нейродегенеративного заболевания или влияния какого-либо химического или физического воздействия на нервную ткань. Какие тогда альтернативы?
Модельные организмы, например. Животные, зачастую грызуны, активно используются в нейробиологических исследованиях и позволяют получать наиболее полную информацию о структуре связей и путях передачи информации в нервной системе, влиянии различных веществ на мозг, в том числе лекарств и многое другое. Однако использование модельных организмов имеет ряд серьёзных недостатков. Во-первых, это очень дорого. Например, для тестирования влияния лишь одного вещества на нервную систему требуется около 1000 лабораторных крыс, а их содержание обходится примерно в 1 млн. долларов. Весьма недешево. Но, казалось бы, на благое дело и не жаль потратить крупную сумму. Однако у модельных организмов есть второй важный недостаток – животные мозги сильно отличаются от человеческих, которые в эволюционном плане совершили очень значительный скачок, что делает его уникальным объектом для изучения. Некоторые вещи вообще невозможно изучить на модельных животных, например, аутизм или шизофрению. От некоторых болезней удается лечить животных, но на человеческий мозг это непереводимо.
И вот хорошее и даже можно сказать гениальное решение многих проблем – выращивание мозгов в пробирке! Наверное, стартом этой разработки можно считать 2006 год, когда японский нейробиолог Синъя Яманака открыл белковый коктейль, который был способен превратить обычные клетки кожи в стволовые, а те, в свою очередь, в нейроны. Позже другие исследователи научились выращивать миниатюрные органы их стволовых клеток в чашках Петри, а потом в 2013 году австрийские ученые совершили большой прорыв, разработав метод выращивания миниатюрных структур, подобных человеческому мозгу (церебральных органоидов), из эмбриональных стволовых клеток in vitro.
Мини-мозги уже помогли и продолжают помогать исследователям расширять и углублять представление о функциях мозга человека, а подтверждать и развивать некоторые давние гипотезы о развитии неврологических заболеваний. Сама по себе возможность создания «мозга в пробирке», точнее его подобия, кажется захватывающей и открывающей большие возможности и перспективы, приближающие человечество к более полному пониманию того, как развивается и работает головной мозг человека.
В этой статье мы расскажем, чем так привлекательны мини-брейны для нейробиологических и биомедицинских исследований, отметим их несомненные преимущества перед типичными инструментами и выделим недостатки, которые наука стремится преодолеть.
Для чего используются сегодня?
Первое и самое главное назначение мини-брейнов состоит в моделировании болезней нервной системы человека. Хоть сейчас это и является совершенной технологией, не способной в полном объеме отразить все свойства живого мозга, тем не менее моделирование болезней на человеческих «мозгах в пробирке» получается гораздо лучше, чем на живых мышиных. Одна и та же болезнь на человеческом и на мышином мозге может проявлять себя по-разному, хоть и причины возникновения ее в том и в другом случае одинаковы. Естественно, все результаты, получаемые на животных, будут иметь лишь прогностический характер относительно человеческого мозга, но никак не максимально точный.
Комбинирование технологии выращивания мини-мозгов и современных инструментов редактирования генома помогает добиться хорошо приближенных моделей неврологических и психоневрологических заболеваний, которые позволяют ускорить как изучение фенотипов заболеваний, так и патогенетических механизмов их развития. Самые актуальные исследования с мини-брейнами относятся к моделированию и изучению болезней Альцгеймера, Паркинсона, рака, а также травм головного мозга. Исследователи могут взять образцы крови или ИПСК отдельного пациента, вырастить из них модельный объект и изучить, к примеру, дегенеративные процессы мозга. Органоиды могут достаточно неплохо воспроизводить патологические процессы. К примеру, в случае с болезнью Альцгеймера, успешно моделируются амилоидная агрегация, эндосомальные аномалии и гиперфосфорилированный тау-белок. Мини-брейны могут использоваться даже для изучения взаимодействия кровеносных сосудов с тканями головного мозга, что может дать значимую информацию о том, как можно было бы улучшить доставку лекарств к мозгу. Однако в реализации этой идеи сейчас есть некоторые проблемы.
Органоиды открывают некоторые возможности для персонализированной медицины. Если использовать иПСК или чПСК одного человека, наверняка вполне возможно тестирование индивидуальных характеристик болезни и эффективности соответствующих лекарств. Более смелые мечты предполагают использование мини-брейнов в прецизионной медицине – области медицины, которая учитывает индивидуальные генетические и физиологические особенности и образ жизни конкретного человека, чтобы разработать персонализированные стратегии его лечения.
Мини-брейны также заражают вирусами, чтобы посмотреть, как будет развиваться инфекция и какие изменения вызовет в органоиде, тестируют на них фармакологические препараты, изучают аутизм. Их также уже использовали для изучения проникновения SARS-CoV-2 в головной мозг.
Также одно из интересных направлений, в котором используются мини-брейны – изучение электрической активности нервной системы. Органоиды способны даже воспроизводить электрическую активность, напоминающую таковую у живого мозга. Уловив тенденцию, некоторые исследователи даже приступили к созданию микроэлектродных матриц для органоидов, что могло бы дать немало информации о том, как определенные факторы влияют на электрическую активность головного мозга.
В целом, с помощью мини-брейнов уже достигнуто немало важных результатов. Помимо прочего, мини-брейны используются для тестирования таких гипотез как влияние алкоголя на мозг эмбриона, изучения циркадных ритмов, работы нейронных сетей, и даже головного мозга неандертальцев! И, естественно, одно из основных направлений – изучение того, как мозг человека развивается со временем.
Как создают мини-брейны?
Основная проблема в «цикле производства» органоидов мозга состояла в подборе идеальной комбинации углеводов, белков, витаминов и минералов для питательной среды, на которой стволовые клетки действительно смогли бы переквалифицироваться в нервные клетки. Помимо правильного состава среды нужно было также смоделировать подходящие физические факторы: окружающую температуру, которая свойственна телу человека, и устройства, которое имитировало бы поток в кровяном русле. Если все пойдет по плану, плюрипотентные клетки превратятся в органоиды мозга, составленные из 100 000 нейронов. Для этого их также нужно подпитывать специальными факторами роста нейронов.
Стволовые клетки исследователи берут из клеток кожи человека, которые затем перепрограммируют в стволовые клетки помощью передовых методов редактирования генома, а потом — в нейроны. В подходящей среде нейроны способны образовывать связи и создавать простые нейронные сети. Не вдаваясь в подробности, мы можем отметить, что существует несколько способов выращивания органоидов: в чашках Петри, с помощью микропор, микрофлюидов и даже через биопечать и пр. С подробностями особо заинтересованные могут ознакомиться, например, здесь, или же посмотреть интересные видео о протоколах выращивания из лабораторий (здесь или здесь). Методы редактирования генома дают возможность создавать сложные и простые, 2D и 3D модели мозга человека.
Преимущества и недостатки технологии
Важная особенность мини-брейнов состоит в том, что они повторяют особенности развития мозга человека в эмбриональной стадии. Даже ориентация деления предшественников стволовых клеток очень напоминает тенденцию в человеческом мозге, а не в мозге мыши. Более того, нейроны в органоидах также демонстрируют миграцию, характерную для мозга человека. Они образуют некий каркас, который регулирует мигрирующие позже нейроны. Кроме этого, они образуют и промежуточную зону с редким количеством клеток, через которую нейроны мигрируют из глубоко в мозге к более поверхностным областям, таким образом формируя «кору». Конечно, образовавшаяся «кора» с трудом напоминает таковую у нормального мозга человека, однако они удивительно похожи. Воссоздаются также отдельные области мозга: передний, средний, задний мозг, мозговые оболочки и даже сосудистые сплетения, гиппокамп и сетчатку.
Несмотря на все прекрасные возможности для изучения мозга, которые предоставляет технология мини-брейнов, эти структуры имеют свои недостатки, а сама технология, естественно, очередные ограничения. Из самых очевидных недостатков – органоиды быстро погибнут, если их среду будут регулярно накачивать питательными веществами. Далее, несмотря на то, что органоиды копируют ткани настоящего мозга, они все же не организованы ровно таким же образом. Мини-брейны не вырастают более чем на 4 мм по диаметру и не содержат такое же огромнейшее количество нейронов, что и живой мозг. Многие части мозга в них не развиваются, как многие части клеток. Соответственно, не ясно насколько совпадают электрические потенциалы органоидов с потенциалами мозга. В конце концов, хотя органоиды мозга и пригодны для многих исследований (от базовой биологии развития до моделирования заболеваний и терапии), одним из основных недостатков является отсутствие в них системы кровоснабжения. Ее заменяют специальные средства перфузии. Из-за этого питательные вещества с трудом циркулируют по структуре, газообмен недостаточный, продукты метаболизма выводятся плохо и накапливаются, что приводит к некрозу тканей. Для совершенствования технологии исследователи планируют каким-то образом включить в среду микроглию (как иммунные клетки), что может сделать органоиды больше, сложнее и живучее.
Вероятно, еще один вопрос может возникнуть у человека, только что узнавшего о мини-брейнах. Обладают ли они сознанием? Исследователи дают четкий ответ – нет, не обладают. Не обладают в силу вышеперечисленных, вероятно, критических для формирования сознания, недостатков, и вряд ли даже усовершенствованная технология сможет скопировать сознание. По крайней мере в ближайшем будущем. Подробнее о причинах можно узнать из этого видео.
Таким образом, мини-брейны представляют собой действительно поразительную и крайне полезную технологию для изучения мозга, а потенциальные пути для ее совершенствования способны сильно расширить возможности изучения мозга, раскрыть его секреты и, наверняка, решить многие вопросы в терапии заболеваний нервной системы.
Текст: Анна Удоратина