Учёные вырастили человеческие клетки мозга в головах мышей — новый шаг в изучении мозга

В новом исследовании учёные вырастили лабораторных мышей, у которых отсутствовали участки мозга, а затем заменили недостающую ткань человеческими клетками.

Эксперимент представляет собой шаг вперёд в изучении органоидов человеческого мозга — миниатюрных моделей мозга человека, выращенных из стволовых клеток. В долгосрочной перспективе учёные намерены использовать органоиды для лучшего понимания того, как развивается мозг и как меняются его структура и функция при заболеваниях.

«Это, безусловно, прогресс в этой области», — сказал доктор Х. Айзек Чен, доцент кафедры нейрохирургии Медицинской школы Перельмана при Пенсильванском университете. Чен не участвовал в текущем исследовании, но проводил эксперименты по трансплантации органоидов человеческого мозга в головы грызунов.

Органоиды открывают окно в раннее развитие мозга, которое невозможно подробно наблюдать у человека, поскольку оно происходит внутри развивающегося плода. Хотя органоиды не являются точными копиями полноразмерного человеческого мозга, учёные считают их полезными моделями для изучения развивающегося мозга как в норме, так и при патологии.

Модель, представленная в новом исследовании, «безусловно, создаёт довольно интересные возможности для моделирования развития нервной системы человека и различных типов нарушений нейроразвития», — сказал Чен. «Если вы ищете модель, которая действительно позволяет рассматривать более крупные области человеческой нервной ткани с клеточной и молекулярной точки зрения, я думаю, эта модель может многое предложить».

Создание пространства для человеческих клеток

Часто органоиды мозга выращивают вне живых организмов — либо в лабораторных чашках, либо в устройствах, которые поддерживают эти «минимозги» во взвешенном состоянии в растворе. Несколько органоидов, представляющих разные части мозга или даже мозг разных людей, можно объединять для формирования более сложных структур.

Почему же тогда некоторые учёные выращивают человеческие органоиды внутри мышей? Одна из причин заключается в том, что внутри живых организмов есть «секретный ингредиент», который помогает органоидам созревать лучше, чем в лабораторных чашках. В организме (in vivo) существуют загадочные сигналы, которые направляют развитие и организацию нейронов, и этих сигналов нет в лабораторных чашках (in vitro).

«Есть некоторые сигналы, присутствующие in vivo, которые действительно важны, и мы просто не знаем, что именно нужно добавлять in vitro», — сказал соавтор исследования доктор Серджиу Пашка, профессор психиатрии и поведенческих наук Стэнфордского университета. Команда продемонстрировала это явление, пересадив органоиды лабораторным крысам в исследовании, опубликованном в 2022 году; пересаженные органоиды росли крупнее, формировали лучшие связи и были более активными, чем органоиды, выращенные в чашках.

Но трансплантация человеческих клеток мозга грызунам сопряжена с разными проблемами. Одна из них — человеческий мозг созревает медленнее, чем мозг грызунов. «Даже когда их помещают в животное — в мышь или крысу, — они всё равно развиваются примерно в 20 раз медленнее, чем мышь или крыса», — сказал Пашка в интервью Live Science.

Клетки мозга хозяина быстро растут и образуют новые связи, а человеческие клетки отстают и оказываются в проигрыше, объяснил Пашка. Это ограничивает объём пространства, которое могут занять человеческие клетки. По мере созревания нейроны миелинизируются — приобретают жировую изоляцию, помогающую им эффективнее передавать сигналы. Нейроны грызунов миелинизируются быстрее человеческих, и этот жир создаёт физический барьер, который человеческим клеткам трудно преодолеть, сказал Пашка.

В своём исследовании, описанном в среду (16 сентября) в журнале Nature, Пашка и коллеги поставили цель дать человеческим нейронам преимущество. Они не могли решить проблему медленного созревания человеческих клеток, но могли предоставить им дополнительное пространство для роста.

В результате многолетней работы они разработали генетически модифицированную мышь, у которой развивается лишь 2% коры головного мозга. Большая часть гиппокампа — важного центра памяти в мозге — также отсутствует. В течение нескольких дней после рождения мыши команда пересаживает человеческую нервную ткань в это свободное пространство, и примерно в 90% случаев человеческая ткань успешно приживается и начинает расти, сказал Пашка.

Мозг обычных лабораторных мышей выглядит как мозг слева, тогда как в центральном мозге отсутствует 98% коры и гиппокампа. В мозг справа добавлена человеческая кортикальная ткань. (Здесь «XCX» — сокращение от «xenocortical», где «xeno» указывает на перенос тканей от одного вида другому.)

«Мы просто взяли кортикальные органоиды, около четырёх, и перенесли их шприцем в это свободное пространство», — сказал он. «Вот и всё. Они попадают туда, приживаются, и через несколько недель начинают расти. А через несколько месяцев они занимают большую часть этого объёма».

В недели, следующие за процедурой трансплантации, человеческие клетки мозга в головах мышей росли, формировали связи и протягивали отростки в нижележащую ткань мыши. Человеческая ткань не организовывалась в отдельные слои, как это обычно происходит в голове человека, но включала многие типы клеток, типичные для коры головного мозга человека.

Будущее области

Исследователи сравнили мышей с органоидами мозга с мышами, у которых отсутствовал тот же объём мозговой ткани, но которым не пересаживали органоиды. Они также сравнили обе группы с немодифицированными лабораторными мышами.

Возможно, что удивительно, но мыши, лишённые больших участков мозга, всё ещё функционировали довольно хорошо. «Посмотришь на них — и честно говоря, не скажешь», — сказал Пашка. Однако при более внимательном рассмотрении у мышей обнаруживались тонкие дефициты мелкой моторики, рабочей памяти и социализации, отметил он.

«С нашей человеческой точки зрения, так много из того, что мы делаем ежедневно, зависит от коры», — заметил Чен. Но у мыши кора составляет меньшинство от общего объёма мозга, и различные исследования предполагают, что животные могут обходиться без неё, сказал он. «Я не думаю, что сам процесс трансплантации значительно вредит животному», — добавил он.

«Было бы гораздо проблематичнее, если бы это происходило у вида с более крупным мозгом и более близкого к человеку эволюционно».

Доктор Серджиу Пашка, профессор психиатрии и поведенческих наук Стэнфордского университета

В будущем возможность сравнивать эти три группы мышей — с органоидами, без органоидов и немодифицированных — может помочь учёным разобраться, как человеческая ткань влияет на тот или иной экспериментальный результат. Пашка предполагает, что этот подход будет полезен для изучения последствий повреждений мозга, таких как гипоксия (нехватка кислорода) и воздействие токсинов или лекарств в утробе матери. Кроме того, генетику человеческих органоидов можно будет изменять, чтобы увидеть, как эти изменения влияют на развитие, структуру и функцию мозга. Это может быть полезно для изучения детского церебрального паралича или аутизма, предположил он.

Чен ожидает, что этот новый подход будет полезен для изучения аспектов раннего развития мозга на молекулярном и клеточном уровнях. Новая модель включает больший объём человеческой ткани, чем предыдущие модели, и это дополнительное преимущество. Человеческая ткань не организуется в слои или доли, как в настоящем человеческом мозге, отметил он, но, по его мнению, из неё всё ещё можно многое узнать.

С этической точки зрения Пашка консультировался с экспертами Стэнфорда и внешним комитетом по этике относительно благополучия животных, использованных в исследовании. Исследования, связанные с помещением человеческой мозговой ткани в животных, также поднимают вопросы о том, может ли эта добавленная ткань дать животным новые когнитивные способности — по сути, сделать их более похожими на человека. Комитет по этике также рассматривал эти concerns.

«Мы не наблюдали появления каких-либо новых свойств», — отметил Пашка. «Это неудивительно, потому что мы всё ещё находимся на очень ранней стадии развития». Они выращивали органоиды всего шесть месяцев, поэтому человеческие органоиды были примерно так же развиты, как мозговая ткань шестимесячного плода.

Если бы органоиды созревали до более человеческого состояния — с развитием слоёв и долей, — это могло бы вызвать больше опасений. Но и Пашка, и Чен сказали, что такой тип развития, вероятно, трудно воспроизвести у мыши.

Чен утверждал, что сам размер человеческого мозга способствует его сложности, а также содержит специализированные области, которые работают вместе для выполнения различных задач. Голова мыши не может поддерживать масштаб человеческого мозга, и на данный момент органоиды не развивают ту же организацию и специализацию, которые мы видим у людей, сказал он.

«Было бы гораздо проблематичнее, если бы это происходило у вида с более крупным мозгом и более близкого к человеку эволюционно», — возразил Пашка. Свиньи и нечеловеческие приматы, например обезьяны, были бы примерами. Особенно в отношении трансплантации человеческих органоидов обезьянам, «это был бы эксперимент, который, на мой взгляд, на данный момент не оправдан», — сказал Пашка.