Как думаете, если подсадить человеческий мозг другому животному, оно станет умнее? В Стэнфорде провели такой эксперимент с мышами (и нет, это не пересказ эпизода «Пинки и Брэйна»)
0
Команда ученых из Стэнфордского университета в сентябре рассказала о необычном эксперименте: исследователи вырастили миниатюрные фрагменты нервной ткани человека — и трансплантировали их в мозг мышей, у которых собственная кора почти не развилась. В результате человеческая ткань заняла почти все пространство коры и «объединилась» с нервной системой мыши. Это повлияло на некоторые аспекты поведения и на то, как мозг мышей реагировал на повреждения. Звучит странно и немного пугающе, но в будущем подобные эксперименты могут помочь в лечении серьезных заболеваний — например, последствий кислородного голодания мозга при родах или нарушений развития мозга. Рассказываем, как создание миниатюрных версий человеческого мозга — органоидов — возникло как отдельная отрасль биологии и чем органоиды могут помочь в борьбе с заболеваниями человека.
В отличие, к примеру, от онкологии или расстройств иммунной системы, в психиатрии за последние 50 лет почти не появилось по-настоящему инновационных лекарств. Подавляющая часть средств от психоза, депрессии и тревожного расстройства, одобренных американским Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами (FDA) за эти десятилетия, обладает лучшей переносимостью, но по эффективности и механизму действия не отличается
от веществ, открытых еще в 1950–1960-е.
Разработка нового лекарства занимает около 13 лет и обходится в сумму от одного до нескольких миллиардов долларов. При этом критерии многих психических заболеваний окончательно не определены, так что один диагноз может объединять несколько разных по природе расстройств.
Еще одна причина слабого прогресса связана с невероятной сложностью человеческого мозга. В отличие от многих видов рака или, например, инфекционных заболеваний, у которых часто можно указать конкретную причину вроде мутации или опасного микроорганизма, психические заболевания не имеют конкретной простой причины. Они затрагивают взаимосвязанные нейронные цепи и сети, которые широко распределены в разных участках мозга.
Разбираться с устройством и работой зрелого человеческого мозга невероятно тяжело. Прежде всего потому, что мозг человека значительно отличается от мозга доступных модельных животных, на которых можно было бы проводить исследования. А придумать этически безупречное исследование на человеческом мозге крайне непросто
.
Для примера можно вспомнить излюбленный лабораторный объект — мышь, на которой получено огромное количество результатов, релевантных для иммунитета, онкологии и другой человеческой физиологии. Мыши не только не болеют шизофренией или биполярным расстройством (по крайней мере, об этом пока ничего не известно) — но даже анатомия их нервной системы существенно отличается от человеческой. Например, у мышей мозг гладкий, а кора человеческого мозга складчатая. Нейроны мыши в среднем меньше и имеют менее длинные и ветвистые отростки. Наконец, в коре мозга людей есть типы клеток, которых у мышей нет — например, специализированные нейроны-«шиповники», тормозящие некоторые электрические сигналы.
И это только анатомические отличия. Что говорить о наличии у человека языка и сложной психической жизни, нарушения которой невозможно воспроизвести на относительно простом мышином мозге. Бредовые идеи или галлюцинации, важные для симптоматики шизофрении, для мышей недоступны. С некоторыми другими заболеваниями ситуация может быть попроще. Например, мышиные модели более-менее годятся для изучения обсессивно-компульсивного расстройства — ведь у них тоже есть повторяющееся поведение
вроде чрезмерного ухода за собой. Но даже эта модель не идеальна: уверенности в том, что мышиные компульсии имеют ту же природу, что и человеческие, нет.
Все эти ограничения животных моделей в какой-то момент привели ученых к пониманию необходимости создания иного подхода, который бы дополнял животные модели (отказываться от них никто не собирается). Подхода, который бы не игнорировал нейробиологические отличия человека от животных, а, наоборот, фокусировался на них.
Один из базовых вариантов — выращивание отдельных нейронов в чашках Петри. К настоящему мозгу такая нервная ткань имеет отдаленное отношение. Так, в ней есть всего несколько типов клеток, тогда как у людей, по некоторым оценкам, их более трех тысяч. А отдельная серьезная проблема заключается в том, что эти клетки живут в ряд на плоской поверхности. В итоге питательные вещества и кислород в них распределяются равномерно. И это при том, что в настоящем объемном мозге вещества путешествуют по сложным траекториям, а клетки объединены в сложные пространственные сети. Чтобы изучать молекулярные и нейронные механизмы, лежащие в основе нейропсихиатрических расстройств, нужна объемная модель со сложной тканевой архитектурой и максимально похожей средой, в которой будут жить если не все, то хотя бы основные клетки мозга. Но сначала такую модель нужно было создать — а это само по себе оказалось «задачей со звездочкой».
Как появились органоиды мозга — и что это вообще такоеПуть к эксперименту стэнфордских ученых, объединивших нервную ткань человека и мыши в единый мозг, можно отсчитывать от 2006 года. Ровно 20 лет назад японского исследователя и будущего нобелевского лауреата Синью Яманаку заинтересовал ответ на простой вопрос: где взять побольше человеческих стволовых клеток. Из этих незрелых клеток можно вырастить любые другие, от кожи до мышц, поэтому ценность их для науки и медицины очевидна. Проблема заключалась в том, что в те времена единственным источником «универсальных»
стволовых клеток человека были эмбрионы, которых для получения «сырья» нужно было уничтожать.
Яманака пошел другим путем. Он разработал технологию получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток
(iPSC). iPSC напоминают эмбриональные стволовые клетки, только их получают не из эмбрионов, а из клеток взрослого организма в результате репрограммирования. Проще говоря, ученые искусственно «возвращают эти клетки в детство»: добавив всего четыре гена-«переключателя», они придают им эмбрионоподобное состояние.
Дальше, если сильно упрощать, до получения трехмерных моделей человеческих тканей оставался всего один шаг. Нужно было объединить iPSC с открытием
, которому больше ста лет: со способностью клеток к самоорганизации. Дело в том, что многие клетки — если создать им правильные условия в подходящей среде — способны сами, без дополнительных инструкций, формировать структуры, очень похожие на настоящие человеческие ткани. Так в 2009 году команде Ханса Клеверса удалось вырастить «мини-кишечник» из одной-единственной стволовой клетки кишки мыши. А вскоре органоиды кишечника вырастили и из человеческих iPSC.
В более поздние годы результаты повторили на других тканях, в том числе и на мозге. В результате в 2013 году Мадлен Ланкастер и Юрген Кноблих получили первые органоиды мозга — классические самоорганизующиеся трехмерные клеточные модели, выращенные из человеческих стволовых клеток. Что самое важное, в этих «минимозгах» размером в несколько миллиметров клетки расположены в сложном порядке: выстраиваются в слои и зоны, как в мозге зародыша. Другими словами, результат оказался гораздо больше похоже на настоящую нервную ткань, чем простые слои нейронов в пластиковых чашках.
По сравнению с 2D-культурами, в 3D-органоидах даже нейроны формируются по-разному: клетки образуют более длинные отростки, ведь им нужно «дотягиваться» до соседей
Stem Cell Research
В составе большинства органоидов мозга есть как нервные клетки — нейроны, — так и астроциты, похожие по форме на звезду. Последние создают каркас для нейронов, доставляют питательные вещества и выполняют другие «сервисные» функции. В специальных «моделях» органоидов мозга могут присутствовать и другие клетки, например олигодендроциты, создающие изолирующую оболочку для аксонов — отростков нервных клеток, при помощи которых они связываются с другими нервными клетками в головном и спинном мозге.
Органоиды мозга миниатюрные — в чашке Петри может поместиться несколько десятков
Alysson Muotri / Quantamagazine
Самые продвинутые органоиды можно сравнить с настоящими «мозгами в миниатюре». Правда, есть и отличия: в органоидах представлены не все типы клеток и часто недостаточно микроглии — собственных иммунных клеток мозга. Кроме того, большинство современных органоидов все-таки не способны сформировать складчатость поверхности мозга, да и с формированием сложных нейронных цепей возникают сложности. Но главное — в органоидах нет кровеносных сосудов: кислород и питательные вещества плохо доходят до их середины, поэтому органоиды не могут вырасти большими, а их нейроны так и остаются незрелыми, примерно на уровне мозга плода.
Органоиды устроены куда проще человеческого мозга — это хорошо видно на поперечном разрезе
IMBA
Помимо того, что создавать органоиды мозга интересно само по себе — ведь это помогает изучать структуру и развитие мозга, — у них есть и вполне конкретное практическое приложение. Потенциально они могут помочь разобраться с механизмами нейродегенеративных и психиатрических заболеваний, включая расстройства аутистического спектра, или РАС, синдром Ретта
, микроцефалию, связанную с заражением вирусом Зика, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона
. На органоидах можно тестировать и новые лекарства, а таке исследовать влияние генетических мутаций, не работая напрямую со зрелой тканью мозга.
Какие органоиды мозга сейчас создают и какие из них «самые продвинутые»
В отличие, к примеру, от онкологии или расстройств иммунной системы, в психиатрии за последние 50 лет почти не появилось по-настоящему инновационных лекарств. Подавляющая часть средств от психоза, депрессии и тревожного расстройства, одобренных американским Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами (FDA) за эти десятилетия, обладает лучшей переносимостью, но по эффективности и механизму действия не отличается
от веществ, открытых еще в 1950–1960-е.
Разработка нового лекарства занимает около 13 лет и обходится в сумму от одного до нескольких миллиардов долларов. При этом критерии многих психических заболеваний окончательно не определены, так что один диагноз может объединять несколько разных по природе расстройств.
Еще одна причина слабого прогресса связана с невероятной сложностью человеческого мозга. В отличие от многих видов рака или, например, инфекционных заболеваний, у которых часто можно указать конкретную причину вроде мутации или опасного микроорганизма, психические заболевания не имеют конкретной простой причины. Они затрагивают взаимосвязанные нейронные цепи и сети, которые широко распределены в разных участках мозга.
Разбираться с устройством и работой зрелого человеческого мозга невероятно тяжело. Прежде всего потому, что мозг человека значительно отличается от мозга доступных модельных животных, на которых можно было бы проводить исследования. А придумать этически безупречное исследование на человеческом мозге крайне непросто
.
Для примера можно вспомнить излюбленный лабораторный объект — мышь, на которой получено огромное количество результатов, релевантных для иммунитета, онкологии и другой человеческой физиологии. Мыши не только не болеют шизофренией или биполярным расстройством (по крайней мере, об этом пока ничего не известно) — но даже анатомия их нервной системы существенно отличается от человеческой. Например, у мышей мозг гладкий, а кора человеческого мозга складчатая. Нейроны мыши в среднем меньше и имеют менее длинные и ветвистые отростки. Наконец, в коре мозга людей есть типы клеток, которых у мышей нет — например, специализированные нейроны-«шиповники», тормозящие некоторые электрические сигналы.
И это только анатомические отличия. Что говорить о наличии у человека языка и сложной психической жизни, нарушения которой невозможно воспроизвести на относительно простом мышином мозге. Бредовые идеи или галлюцинации, важные для симптоматики шизофрении, для мышей недоступны. С некоторыми другими заболеваниями ситуация может быть попроще. Например, мышиные модели более-менее годятся для изучения обсессивно-компульсивного расстройства — ведь у них тоже есть повторяющееся поведение
вроде чрезмерного ухода за собой. Но даже эта модель не идеальна: уверенности в том, что мышиные компульсии имеют ту же природу, что и человеческие, нет.
Все эти ограничения животных моделей в какой-то момент привели ученых к пониманию необходимости создания иного подхода, который бы дополнял животные модели (отказываться от них никто не собирается). Подхода, который бы не игнорировал нейробиологические отличия человека от животных, а, наоборот, фокусировался на них.
Один из базовых вариантов — выращивание отдельных нейронов в чашках Петри. К настоящему мозгу такая нервная ткань имеет отдаленное отношение. Так, в ней есть всего несколько типов клеток, тогда как у людей, по некоторым оценкам, их более трех тысяч. А отдельная серьезная проблема заключается в том, что эти клетки живут в ряд на плоской поверхности. В итоге питательные вещества и кислород в них распределяются равномерно. И это при том, что в настоящем объемном мозге вещества путешествуют по сложным траекториям, а клетки объединены в сложные пространственные сети. Чтобы изучать молекулярные и нейронные механизмы, лежащие в основе нейропсихиатрических расстройств, нужна объемная модель со сложной тканевой архитектурой и максимально похожей средой, в которой будут жить если не все, то хотя бы основные клетки мозга. Но сначала такую модель нужно было создать — а это само по себе оказалось «задачей со звездочкой».
Как появились органоиды мозга — и что это вообще такоеПуть к эксперименту стэнфордских ученых, объединивших нервную ткань человека и мыши в единый мозг, можно отсчитывать от 2006 года. Ровно 20 лет назад японского исследователя и будущего нобелевского лауреата Синью Яманаку заинтересовал ответ на простой вопрос: где взять побольше человеческих стволовых клеток. Из этих незрелых клеток можно вырастить любые другие, от кожи до мышц, поэтому ценность их для науки и медицины очевидна. Проблема заключалась в том, что в те времена единственным источником «универсальных»
стволовых клеток человека были эмбрионы, которых для получения «сырья» нужно было уничтожать.
Яманака пошел другим путем. Он разработал технологию получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток
(iPSC). iPSC напоминают эмбриональные стволовые клетки, только их получают не из эмбрионов, а из клеток взрослого организма в результате репрограммирования. Проще говоря, ученые искусственно «возвращают эти клетки в детство»: добавив всего четыре гена-«переключателя», они придают им эмбрионоподобное состояние.
Дальше, если сильно упрощать, до получения трехмерных моделей человеческих тканей оставался всего один шаг. Нужно было объединить iPSC с открытием
, которому больше ста лет: со способностью клеток к самоорганизации. Дело в том, что многие клетки — если создать им правильные условия в подходящей среде — способны сами, без дополнительных инструкций, формировать структуры, очень похожие на настоящие человеческие ткани. Так в 2009 году команде Ханса Клеверса удалось вырастить «мини-кишечник» из одной-единственной стволовой клетки кишки мыши. А вскоре органоиды кишечника вырастили и из человеческих iPSC.
В более поздние годы результаты повторили на других тканях, в том числе и на мозге. В результате в 2013 году Мадлен Ланкастер и Юрген Кноблих получили первые органоиды мозга — классические самоорганизующиеся трехмерные клеточные модели, выращенные из человеческих стволовых клеток. Что самое важное, в этих «минимозгах» размером в несколько миллиметров клетки расположены в сложном порядке: выстраиваются в слои и зоны, как в мозге зародыша. Другими словами, результат оказался гораздо больше похоже на настоящую нервную ткань, чем простые слои нейронов в пластиковых чашках.
По сравнению с 2D-культурами, в 3D-органоидах даже нейроны формируются по-разному: клетки образуют более длинные отростки, ведь им нужно «дотягиваться» до соседей
Stem Cell Research
В составе большинства органоидов мозга есть как нервные клетки — нейроны, — так и астроциты, похожие по форме на звезду. Последние создают каркас для нейронов, доставляют питательные вещества и выполняют другие «сервисные» функции. В специальных «моделях» органоидов мозга могут присутствовать и другие клетки, например олигодендроциты, создающие изолирующую оболочку для аксонов — отростков нервных клеток, при помощи которых они связываются с другими нервными клетками в головном и спинном мозге.
Органоиды мозга миниатюрные — в чашке Петри может поместиться несколько десятков
Alysson Muotri / Quantamagazine
Самые продвинутые органоиды можно сравнить с настоящими «мозгами в миниатюре». Правда, есть и отличия: в органоидах представлены не все типы клеток и часто недостаточно микроглии — собственных иммунных клеток мозга. Кроме того, большинство современных органоидов все-таки не способны сформировать складчатость поверхности мозга, да и с формированием сложных нейронных цепей возникают сложности. Но главное — в органоидах нет кровеносных сосудов: кислород и питательные вещества плохо доходят до их середины, поэтому органоиды не могут вырасти большими, а их нейроны так и остаются незрелыми, примерно на уровне мозга плода.
Органоиды устроены куда проще человеческого мозга — это хорошо видно на поперечном разрезе
IMBA
Помимо того, что создавать органоиды мозга интересно само по себе — ведь это помогает изучать структуру и развитие мозга, — у них есть и вполне конкретное практическое приложение. Потенциально они могут помочь разобраться с механизмами нейродегенеративных и психиатрических заболеваний, включая расстройства аутистического спектра, или РАС, синдром Ретта
, микроцефалию, связанную с заражением вирусом Зика, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и болезнь Хантингтона
. На органоидах можно тестировать и новые лекарства, а таке исследовать влияние генетических мутаций, не работая напрямую со зрелой тканью мозга.

