Искусственные органы сегодня не фантастика, а реальность: «в пробирках» уже выращивают сосуды и кожу, активно разрабатываются технологии производства новых легких и сердца. Но один из главных вызовов для ученых — хотя бы отчасти воссоздать сложнейшую структуру нашего мозга, чтобы больше узнать о том, как он работает. Сделать первые шаги к этому позволяют мини-мозги — органоиды, выращенные из стволовых клеток. Почитайте о том, как их создают, как они помогают исследовать процессы, связанные со старением организма и развитием болезни Альцгеймера, и могут ли миниатюрные фрагменты тканей научиться мыслить так же, как мы.
Что такое мини-мозг?
Говоря о головном мозге, многие представляют привычную картинку — крупный орган со множеством извилин. Иногда СМИ иллюстрируют так и статьи об органоидах, поэтому, когда речь идет об искусственных тканях, легко вообразить себе нечто вроде гигантских светящихся мозгов из «Футурамы». На деле органоиды мозга выглядят куда скромнее. Кусочки вещества в лабораторных чашках Петри обычно не превышают размеров горошины или ластика на конце карандаша, а порой для экспериментов достаточно фрагмента с булавочную головку.
Для чего же нужны миниатюрные органоиды? Прежде всего, это отличный способ исследовать человеческий мозг. Несмотря на развитие технологий, изучать его по-прежнему непросто — настолько хорошо развиты структуры, защищающие орган от внешних воздействий. Поэтому науке приходится искать обходные пути: изучать активность мозга с помощью нейровизуализации (например, магнитно-резонансной томографии) или проводить эксперименты с лабораторными животными. Но эти методы не идеальны: для некоторых исследований у томографии не хватает точности, а мозг мышей и обезьян всё же сильно отличается от нашего.
Органоиды, созданные в лабораториях, позволяют работать с тканями, похожими на человеческий мозг, напрямую.
Таким образом, можно «вживую» увидеть, как на них воздействуют возбудители различных болезней (скажем, вирус Зика) или протестировать новые лекарства перед тем, как проводить испытания с участием людей. Это далеко не все сферы, где могут пригодиться мини-мозги, — а ведь технологии не исполнилось и десяти лет!
Волшебные коктейли: как вырастить органоид мозга?
Чтобы создать такой органоид, нужно прежде всего обзавестись строительным материалом — клетками, подобными нейронам и глиальным клеткам человеческого мозга. Как и множество сегодняшних технологий создания искусственных тканей, эта методика не обходится без стволовых клеток (СК). Почему именно они? Дело в том, что большая часть клеток человеческого тела способна давать начало только клеткам того же типа, что и они сами: «потомки» обладают теми же размерами, формой и функциями, что и «родители». Стволовые клетки, напротив, династий не создают: представители новых поколений могут развиваться по-разному и со временем входить в состав разных тканей организма.
Особенно перспективны плюрипотентные СК — те, что способны дифференцироваться («превращаться») почти во все типы клеток, присутствующих во взрослом организме. Где искать такие клетки? Например, ими обладают эмбрионы, из этих СК постепенно развиваются ткани растущего зародыша. Часть СК для исследований получают из бластоцист (эмбрионов на одной из самых ранних стадий развития), оставшихся невостребованными при процедурах экстракорпорального оплодотворения. Поскольку для ЭКО нужны не все полученные в лаборатории зародыши, доноры могут разрешить ученым использовать «лишние» эмбрионы для научной работы.
C использованием зародышей связано немало этических проблем, поэтому ученые искали способ создать плюрипотентные клетки искусственно. В 2006 году эту задачу решили японские исследователи под руководством Синъи Яманаки (спустя несколько лет он получил за открытие Нобелевскую премию). Они выяснили, что можно превратить соматические («обычные», не стволовые) клетки взрослого человека — например, клетки кожи — в плюрипотентные СК. Для этого в их геном ввели четыре транскрипционных фактора (ТФ) — это белки, которые влияют на активность определенных генов. Нужную комбинацию ТФ искали долго, и японцы первыми создали работающий рецепт. Эти гены до сих пор называют «волшебным коктейлем Яманаки».
Но получить необходимый материал — это лишь полдела. Дальше начинается настоящее строительство: все клетки должны занять свои места в объемной структуре. Впервые добиться этого смогла команда британских и австрийских биологов под руководством Мэдлин Ланкастер. Ученые сформировали из клеток небольшие объемные скопления, а затем поместили их в капли специального белкового желе. Несколько недель эти капли держали в биореакторе, аккуратно перемешивая их в теплом насыщенном «бульоне», чтобы клетки получали достаточно кислорода и питательных веществ. Спустя месяц небольшие комочки ткани приобрели структуру, характерную для конкретных областей человеческого мозга.
Ученым удалось обеспечить образцам три месяца «жизни» — за это время модели прошли те же этапы формирования, что и развивающийся мозг.
Такой принцип создания органоидов используют и сегодня, но ученые по всему миру то и дело предлагают новые детали, улучшающие технологию. Например, группа Паолы Арлотты из Гарварда нашла способ поддерживать развитие тканей в биореакторе в течение полугода. Чем больше времени проходит, тем больше необходимых структур успевают развить мини-мозги — а значит, модели становятся всё более похожими друг на друга и лучше подходят для исследований.
Арлотта говорит: «Раньше каждый органоид был „уникальной снежинкой“, в которой специфический набор типов клеток располагался таким образом, что предугадать это изначально было невозможно. Мы решили эту проблему».
Технология получения мини-мозгов очень молода, и ученым предстоит решить еще немало задач. Одна из главных сложностей в том, что жизнь сегодняшних органоидов коротка: спустя несколько месяцев они перестают развиваться, а иногда и «задыхаются» от недостатка кислорода. Чтобы увеличить срок существования моделей, биологи планируют обеспечить их аналогом кровеносных сосудов — это позволит лучше снабжать органоиды кислородом. Первые подобные технологии уже появились, но им предстоит долгий путь развития.
Болезни, космос, неандертальцы: как проводят эксперименты с органоидами
Где применяются мини-мозги? В первую очередь, они отлично подходят для моделирования различных заболеваний. Для этого они и создавались: группа Мэдлин Ланкастер искала новый способ изучения микроцефалии. Эта редкая болезнь проявляется на ранней стадии развития организма и ведет к значительному уменьшению размеров мозга.
Одна из перспективных сфер применения новой технологии — исследования нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера. Неоднократно случалось, что новые методики, отлично работающие на лабораторных мышах со схожими нарушениями работы мозга, оказывались бесполезны для людей. Мини-мозги здесь незаменимы — особенно если учесть, что они помогают моделировать ранние стадии болезни. Изучая органоиды, ученые могут наблюдать, как в тканях накапливаются бета-амилоиды и формируются характерные скопления этих веществ.
Кроме того, на мини-моделях можно тестировать лекарства. Речь не только о проверке новых препаратов — в перспективе таким образом можно будет выяснить, как определенное средство подействует на конкретного человека, вырастив органоид из его клеток. Недавно с помощью такой технологии предложили тестировать препараты для химиотерапии.
Что еще можно сделать с мини-мозгами? Например, отправить их в космос. Такой эксперимент впервые провели в NASA летом 2019 года, тогда на МКС разместили около тысячи органоидов. Работники станции следили за тем, что происходит с образцами под воздействием минимальной гравитации.
Это исследование важно не только для тех, кто мечтает когда-нибудь стать космонавтом.
Изменения, вызванные невесомостью, во многом схожи с признаками старения организма: например, стенки сосудов становятся жестче и толще.
Условия МКС заставят органоиды стареть быстрее, чем на Земле. Значит, ученым не придется беспокоиться о том, как продлить срок жизни мини-мозгов, чтобы увидеть, как они меняются со временем: важные процессы можно будет наблюдать в «ускоренной перемотке». Один из руководителей проекта, Алиссон Муотри, надеется, что со временем органоиды получится выращивать прямо на космических станциях, чтобы не терять драгоценное время.
Мини-мозги помогают изучать не только будущее человечества, но и его прошлое. Другая амбициозная идея Алиссона Муотри и его коллег — органоид из клеток, в ДНК которых внесена мутация, свойственная геному неандертальцев (ученые прозвали эти органоиды неандероидами). Биологи обнаружили, что такой мини-мозг заметно отличается от моделей без мутаций. Нейроны в нем мигрировали быстрее. Возможно, это связано с формой получившегося органоида: в отличие от почти сферического мини-мозга Homo sapiens, неандероид напоминает завитушки попкорна. Отличался и характер связей между клетками.
Биологи считают, что делать выводы о мышлении неандертальцев на этом основании не стоит — слишком мало нам известно о «несостоявшемся человечестве». Зато эта работа может стать основой для новых исследований. Результатами уже заинтересовался шведский биолог Сванте Паабо: по его словам, неандероиды можно сравнивать и с уже привычными органоидами, и с теми, что созданы на основе клеток шимпанзе.
Думай, как я: может ли мини-мозг мыслить?
Исследования органоидов приносят немало интересных результатов, но и вопросов вызывают не меньше. В последнее время многие из этих вопросов этические. Особенно часто этику стали обсуждать после появления новостей о том, что тому же Алиссону Муотри удалось довести срок «жизни» модели до 10 месяцев. Полученный органоид по характеру электрической активности напоминал мозг недоношенного ребенка.
Несколько исследователей высказали свои опасения: не приближаются ли Муотри с коллегами к той грани, за которой эксперимент становится неэтичным? Иными словами, можем ли мы быть уверены в том, что мини-мозг не страдает при опытах? Самые решительные из скептиков даже призвали фонды не финансировать работы, связанные с перспективой вживления «человеческих» мозговых органоидов в лабораторных животных.
Значит ли это, что со временем мини-мозги обретут собственный разум? Большинство ученых считают, что это не так — по крайней мере, в ближайшее время.
Мэдлин Ланкастер отмечает, что органоиды ничтожно малы по сравнению с мозгом человека, к тому же они еще долго не разовьют того разнообразия структур, что есть у нас.
Исследовательница сравнивает такой органоид с самолетом, который разобрали, а затем вновь скрепили его детали в случайном порядке. Рассматривать и изучать его можно, но такой самолет уже никогда не взлетит.
Подобные вопросы вряд ли заставят ученых отказаться от экспериментов с мини-мозгами. Скорее, научное сообщество выработает единый свод этических правил, которые будут регулировать эти исследования. Создать такие документы уже призвали специалисты в области нейронаук из Пенсильванского университета.
Пожалуй, самое интересное в органоидах мозга — то, что главные научные результаты, которые способна принести эта технология, еще впереди. Мы своими глазами видим, как зарождается новое научное течение, и тем увлекательнее следить, к чему это приведет.
Оценили 7 человек
7 кармы