В 2013 году Мэдлин Ланкастер и её коллеги опубликовали в Nature работу, описывающую метод выращивания трёхмерных структур из стволовых клеток человека — структур, содержащих нейроны нескольких типов и напоминающих по организации участки развивающегося мозга. Так вошёл в широкий научный обиход термин «органоид мозга» (церебральный органоид). С тех пор эта технология стала одним из самых активно обсуждаемых инструментов нейробиологии — и одним из наиболее часто переоцениваемых.
Как получают органоиды мозга
В основе метода — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). Их получают из клеток кожи или крови взрослого человека, обрабатывая специальным набором молекул, который «откатывает» клетки к плюрипотентному состоянию — способности дифференцироваться в различные типы тканей. Альтернативный источник — эмбриональные стволовые клетки (ESC).
Стволовые клетки помещают в особые условия: специальные питательные среды, трёхмерные матриксы и биореакторы с перемешиванием. Под воздействием определённых сигнальных молекул они начинают самоорганизовываться — делиться, специализироваться и формировать структуры, напоминающие участки коры головного мозга или других отделов. Различают два основных типа: «самоорганизующиеся» органоиды, где клетки принимают идентичность нескольких мозговых регионов одновременно, и «преддифференцированные» (patterned), направленно выращиваемые для воспроизведения конкретного участка — коры, полосатого тела, сетчатки.
Что органоиды уже позволяют изучать
Основная ценность органоидов — возможность работать с живыми человеческими нейронами, не прибегая к операциям или посмертным исследованиям. Клетки мыши, которые традиционно использовались для моделирования болезней мозга, существенно отличаются от человеческих по составу, организации и фармакологическому ответу.
Ланкастер и коллеги показали, что органоиды, выращенные из iPSC пациента с микроцефалией, воспроизводят ключевые особенности этого заболевания — что открывает путь к изучению механизмов патологии. Органоиды из клеток пациентов с расстройствами аутистического спектра позволили обнаружить молекулярные нарушения в балансе возбудительных и тормозных нейронов. На органоидах изучались последствия вируса Зика для развития нервной системы плода.
В период пандемии COVID-19 органоиды хориоидального сплетения (структуры, образующей спинномозговую жидкость) помогли исследователям понять, как SARS-CoV-2 влияет на гематоэнцефалический барьер.
Органоиды генерируют электрическую активность — спонтанные разряды нейронов, которые можно регистрировать с помощью многоэлектродных матриц и адаптированных методов ЭЭГ. Это позволяет изучать, как нейронные сети формируются и изменяются при различных условиях.
Ограничения: чего органоидам не хватает
Органоид — это не мини-мозг, и это не преувеличение. Между ними фундаментальная разница в масштабе, составе и организации.
Размер. Типичный органоид не превышает 4 мм в диаметре и содержит несколько миллионов клеток. Мозг взрослого человека объёмом около 1350 кубических сантиметров содержит примерно 100 миллиардов нейронов. Это разница в 40 000 раз.
Отсутствие сосудов. У органоидов нет кровеносных сосудов. Без постоянного снабжения кислородом и питательными веществами внутренние клетки становятся гипоксическими и нередко отмирают, образуя некротическое ядро. Именно это ограничение сдерживает рост органоидов до значимых размеров. Исследователи работают над созданием искусственной сосудистой сети и пересадкой органоидов в мозг мышей, где они получают собственное кровоснабжение от хозяина.
Отсутствие иммунных клеток и глии. В органоидах, как правило, нет микроглии — иммунных клеток мозга, и многих типов астроцитов, критически важных для поддержания нейронного метаболизма и синаптической передачи. Именно эти клетки обеспечивают значительную часть функций, которые мы ассоциируем с «умным» мозгом.
Незрелость. Нейроны в органоидах, даже при многомесячном культивировании, остаются соответствующими уровню новорождённого — они не достигают зрелого состояния взрослого мозга. Паттерны генной экспрессии и электрофизиологические характеристики отличаются от таковых в мозге взрослого человека.
Отсутствие межрегиональных связей. Даже самые сложные органоиды не воспроизводят долгосрочные связи между отдалёнными отделами мозга, которые лежат в основе интеграции информации. Для частичного решения этой проблемы разработан метод «ассемблоидов»: отдельно выращенные органоиды, представляющие разные регионы, помещают в непосредственный контакт, и между ними формируются межрегиональные соединения.
Электрическая активность: что она означает
Нейроны в органоидах генерируют потенциалы действия и образуют синапсы. Зарегистрированная электрическая активность напоминает паттерны, наблюдаемые в развивающемся мозге. Некоторые публикации сравнивали эти паттерны с активностью мозга недоношенных новорождённых.
Это не означает, что органоид «думает», испытывает восприятие или обладает сознанием. Электрическая активность сама по себе не служит доказательством сознания. Современные органоиды не воспроизводят полноценное разнообразие клеток, сложность дальних связей и взаимодействие сенсорных и двигательных систем целого мозга.
Этические вопросы
Развитие технологии органоидов ставит реальные этические вопросы, которые научное сообщество воспринимает серьёзно. Главный из них — граница: при какой сложности органоида стоит ввести дополнительные ограничения или стандарты наблюдения?
Национальная академия наук США в 2021 году рекомендовала разработать консенсусные определения и операциональные критерии — не потому, что нынешние органоиды вызывают этические опасения, а потому что технология развивается, и лучше иметь стандарты заранее. Вопросы включают источник клеток (iPSC пациентов с тяжёлыми неврологическими заболеваниями), согласие донора и долгосрочное хранение линий.
Использование органоидов в исследованиях предполагает стандарты, применяемые к клеточным культурам, а не к животным. При усложнении конструкций эта классификация может быть пересмотрена.
Читайте также: Стрессовый сигнал CRH и ремонт миелина: новый механизм в клетках мозга мышей