Ученые провели эксперимент, в ходе которого вырастили лабораторных мышей с отсутствующими участками мозга, а затем заместили недостающую ткань человеческими клетками. Исследование представляет собой продвижение в изучении церебральных органоидов (миниатюрных моделей мозга, выращиваемых из стволовых клеток). В перспективе специалисты рассчитывают использовать органоиды для более глубокого понимания развития мозга, а также изменений его структуры и функций при заболеваниях.
«Это, безусловно, шаг вперед в этой области», — заявил доктор Х. Айзек Чен, доцент кафедры нейрохирургии Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании. Чен не участвовал в текущем исследовании, но ранее проводил опыты по пересадке человеческих мозговых органоидов в головы грызунов. По его словам, органоиды дают возможность заглянуть в процессы раннего развития мозга, которые невозможно детально наблюдать у людей, поскольку они протекают внутри развивающегося плода.
Хотя органоиды не являются точными копиями полноразмерного человеческого мозга, ученые считают их полезными моделями для изучения развивающегося мозга как в норме, так и при патологиях. «Это, конечно, создает довольно интересные возможности с точки зрения моделирования развития нервной системы человека и различных типов нарушений нейроразвития», — отметил Чен. По его словам, если нужна модель, позволяющая рассматривать более крупные области человеческой нервной ткани с клеточной и молекулярной точки зрения, то этот подход может многое предложить.
Органоиды часто выращивают вне живых организмов — в лабораторных чашках или устройствах, удерживающих «мини-мозги» во взвешенном состоянии в растворе. Несколько органоидов, представляющих разные отделы мозга или даже мозг разных людей, можно объединять в более сложные структуры. Однако в живом организме присутствуют сигналы, которые помогают нейронам развиваться и организовываться, а в лабораторной посуде их нет. «Есть сигналы, которые присутствуют in vivo (в живом организме) и действительно важны, но мы просто не знаем, что именно добавлять in vitro (в лабораторных условиях)», — пояснил соавтор исследования доктор Серджиу Пашка, профессор психиатрии и поведенческих наук Стэнфордского университета.
Ранее команда продемонстрировала это явление, пересадив органоиды лабораторным крысам: трансплантированные органоиды росли крупнее, формировали лучшие связи и были активнее, чем выращенные в чашках. Однако пересадка человеческих мозговых клеток грызунам сопряжена с трудностями. Человеческий мозг созревает медленнее мозга грызунов: даже в организме мыши или крысы он развивается примерно в 20 раз медленнее. Клетки мозга хозяина быстро растут и образуют новые связи, а человеческие клетки отстают и оказываются в проигрыше, что ограничивает занимаемое ими пространство. Кроме того, нейроны грызунов быстрее покрываются миелиновой оболочкой — жировой изоляцией, помогающей эффективнее передавать сигналы, — и этот жир создает физический барьер, который человеческим клеткам трудно преодолеть.
В исследовании, опубликованном в среду в журнале Nature, Пашка и коллеги попытались дать человеческим нейронам преимущество. Они не смогли решить проблему медленного созревания человеческих клеток, но предоставили им дополнительное пространство для роста. В результате многолетней работы была создана генетически модифицированная мышь, у которой развивается лишь 2% коры головного мозга, а большая часть гиппокампа — важного центра памяти — также отсутствует. В течение нескольких дней после рождения мыши команда пересаживает человеческую нервную ткань в это свободное пространство, и примерно в 90% случаев она успешно приживается и начинает расти. «Мы просто взяли около четырех кортикальных органоидов и перенесли их шприцем в это свободное пространство, — рассказал Пашка. — Вот и все. Они попадают туда, приживаются, и через несколько недель начинают расти. А через несколько месяцев занимают большую часть этого объема».
В последующие недели человеческие мозговые клетки в головах мышей росли, формировали связи и направляли отростки в нижележащую ткань мыши. Человеческая ткань не организовывалась в отдельные слои, как это обычно происходит в человеческом мозге, но включала множество типов клеток, характерных для человеческой коры. Исследователи сравнили мышей с органоидами, мышей с отсутствующим участком мозга без органоидов и немодифицированных лабораторных мышей. Мыши с удаленными крупными участками мозга функционировали довольно хорошо, но при более внимательном изучении у них выявлялись тонкие нарушения мелкой моторики, рабочей памяти и социального поведения. В будущем сравнение трех групп мышей может помочь ученым понять, как человеческая ткань влияет на результаты экспериментов. Пашка предполагает, что подход будет полезен для изучения последствий гипоксии (нехватки кислорода), воздействия токсинов или лекарств в утробе матери, а также для исследования церебрального паралича или аутизма.
Чен ожидает, что новый подход пригодится для изучения раннего развития мозга на молекулярном и клеточном уровнях. Модель включает больший объем человеческой ткани, чем предыдущие, и это дополнительное преимущество. Хотя ткань не организуется в слои или доли, как в настоящем человеческом мозге, из нее можно многое узнать. С этической точки зрения Пашка консультировался со специалистами Стэнфорда и внешним комитетом по этике относительно благополучия животных. Исследования с пересадкой человеческой мозговой ткани поднимают вопрос, не могут ли животные приобрести новые когнитивные способности и стать более похожими на человека. «Мы не наблюдали появления каких-либо новых свойств, — отметил Пашка. — Это неудивительно, поскольку мы все еще находимся на очень ранней стадии развития». Органоиды выращивали всего шесть месяцев, поэтому они были примерно на стадии развития мозга шестимесячного плода. По словам Пашки, было бы гораздо проблематичнее, если бы это происходило у вида с более крупным мозгом и более близкого к человеку эволюционно, например у свиней или приматов.