Как вырастить мозг в пробирке
Стволовые клетки, отправленные в свободное плавание, сформировали структуры, очень похожие на кору полушарий человеческого мозга.
О том, что происходит внутри мозга, мы можем узнать с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) – она позволяет увидеть активность в тех или иных участках нервной ткани и довольно точно сопоставить эту активность с выполнением той или иной задачи. Но мы не сможем узнать о мозге всё, если не проникнем на клеточный уровень, на уровень нейронов и межнейронных контактов – синапсов, на уровень вспомогательных глиальных клеток, которые не только питают нейроны, но и вмешиваются в проведение нейрохимического сигнала. Причём следует помнить, что нейронных разновидностей существует много. Например, если мы внимательно рассмотрим кору полушарий, мы обнаружим в ней шесть слоёв, отличающихся друг от друга по соотношению нейронов разного типа. Чтобы понять, как на молекулярно-клеточном уровне реализуются высшие когнитивные функции (а именно ими и занимается кора), нам нужно до тонкостей понять устройство и взаимосвязь её слоёв между собой.
Что-то, конечно, можно исследовать на мозгах грызунов и приматов. Кроме того, часто взаимодействие нейронов изучают в клеточной культуре: клетки живут в питательной среде на дне какой-нибудь лабораторной посудины, а нейробиологи следят, как у них, к примеру, меняется сила синапсов в ответ на те или иные раздражители. В результате можно сделать некие выводы о причинах шизофрении, аутизма и других когнитивных нарушений – ведь в случае таких патологий нарушается как раз нейронная архитектура, взаимосвязь нейронов друг с другом. Но плоский слой культуры клеток – всё-таки не кора с её шестью слоями. Другой способ состоит в анализе образцов, взятых у умерших людей. Надо ли говорить, что тут всё время нужно помнить о посмертных изменениях в клеточном устройстве, да и проведение сигнала в таких образцах изучать невозможно. В идеале хотелось бы, чтобы у нас в руках была объёмная клеточная модель, полностью воссоздающая тот или иной элемент структуры мозга, если не весь мозг. Эксперименты исследователей из Стэнфордского университета нас к такому идеалу заметно приближают.
Разумеется, дело не обошлось без стволовых клеток – Серджиу Паска (Sergiu Pasca) и его коллеги получили из человеческой кожи индуцированные стволовые клетки и затем превратили их в нейроны. Сейчас это уже почти стандартная процедура: дифференцированные клетки заставляют «вспомнить молодость», когда они были стволовыми и не умели ничего делать, кроме как делиться. Зато их можно превратить в любой другой клеточный тип, нужно лишь направить их по нужному пути с помощью молекулярных сигналов. Поначалу всё шло как обычно: искусственные стволовые клетки росли плоским слоем в культуральной посуде. Но потом их отделили со дна и пересадили в специальное новое «место жительства», где они уже не могли прочно прикрепиться к стенкам или ко дну. За несколько часов клетки объединились в микрошарики, в которых продолжали делиться. И вот тут-то у них запустили превращение в клетки нервной ткани.
Как пишут авторы работы в Nature Methods, через семь недель 80% клеток по молекулярным и прочим признакам стали похожи на нервные. Причём 7% превратились не в нейроны, а в глиальные астроциты, которые поддерживают и питают нейроны, защищают их от проникновения вредных веществ из крови, а также регулируют нейронную активность. До сих пор не удавалось вырастить и нейроны, и поддерживающие их клетки из одного стволового материала, приходилось пользоваться сторонними астроцитами, полученными от другой линии стволовых клеток, что означало, что генетически те и другие оказывались различны – тогда как в мозге все клетки несут одинаковые гены. Теперь же, по-видимому, это затруднение исчезнет.
Но самое главное выяснилось, когда проанализировали структуру клеточных комплексов (их назвали кортикальными сфероидами) – оказывается, их архитектура была похожа на ту, которая есть в коре полушарий. Причём 80% нейронов отвечали на внешний стимул, а 86% демонстрировали спонтанную активность и образовывали друг с другом нейронные цепочки, передавая сигнал друг другу. Иными словами, удалось получить довольно правдоподобную трёхмерную модель коры мозга.
В последнее время исследователи всё чаще обращаются к методам 3D-культивирования клеток, поскольку так мы лучше понять то, что происходит в природе. Ведь когда формируется ткань или орган, они растут и развиваются по всем направлениям, клетки, входящие в их состав, чувствуют своих соседей со всех сторон. Именно такой всесторонний контакт необходим для правильного развития, правильной реализации генетических программ, для правильной дифференцировки. Уловки тут используют самые разные: например, сотрудники Университета Райса выращивали лёгочную бронхиолу с помощью магнитной левитации – той самой, с помощью которой перемещаются маглевы, поезда на магнитной подушке.
И это, конечно, не первая работа, в которой пытаются сделать орган или хотя бы его модель «с нуля», со стволового клеточного материала. Однако чаще речь идёт о более простых органах – например, в прошлом году мы писали о «минижелудке», который удалось сделать в Медицинском центре при детской больнице Цинциннати. Что же до мозга, то два года назад в Nature была опубликована статья с описанием так называемого церебрального органоида – в Институте молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук из индуцированных стволовых клеток удалось получить трёхмерную структуру, очень похожую мозг 9-недельного зародыша человека. На ней вполне можно изучать ранние процессы развития центральной нервной системы, однако устройство такого протомозга намного проще устройства даже небольшого участка полностью сформированной коры. Однако вышеописанные свежие результаты позволяют надеяться, что скоро у нейробиологов в руках будет настоящий «мозг из пробирки» – ну или хотя бы какая-то его часть.
1 июня 2015
Статьи по теме:
