Чтобы заставить человеческие нервные клетки в лаборатории развиваться, есть три волшебных слова: местоположение, местоположение и местоположение.
Во многих экспериментах выращивают человеческие нервные клетки в лабораторных чашках. Но новое исследование использует несколько иное, совершенно нетрадиционное место, для выращивания нейронов – мозг крысы. Имплантированные кластеры человеческих нейронов становятся больше и сложнее, чем их собратья, выращенные в лабораторных чашках, сообщают исследователи в журнале Nature.
Но это не все. Человеческие клетки также кажутся функциональными, хоть и в очень ограниченном спектре. Имплантированные человеческие клетки могут как получать сигналы от крысиных клеток, так и влиять на поведение крыс и те связи, которые «демонстрируют более существенную интеграцию пересаженных нейронов», — говорит Арнольд Кригштейн, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, участвующий в исследовании. «Это значительный прогресс».
За последнее десятилетие ученые создавали все более сложные мозговые органоиды, например, трехмерные кластеры клеток, полученных из стволовых, которые растут и имитируют человеческий мозг. Эти органоиды не воссоздают всю сложность человеческих нейронов, которые развиваются в реальном мозге. Но они могут быть окнами в непостижимый процесс — развитие человеческого мозга и то, как оно может пойти наперекосяк. «Даже если они не совсем совершенны, [эти модели] являются суррогатами человеческих клеток, в отличие от клеток животных», — говорит Кригштейн. «И это действительно захватывающе».
Чтобы приблизить эти клетки к их полному потенциалу, Серджиу Паска, нейробиолог из Стэнфордской школы медицины, и его коллеги хирургическим путем имплантировали органоиды головного мозга человека в мозг новорожденных крысят. Вместе со своими хозяевами начали расти и человеческие органоиды. Три месяца спустя объем органоидов увеличился примерно в девять раз по сравнению с исходным, и в конечном итоге они составили примерно треть одной стороны коры головного мозга крысы. «Он отталкивает крысиные клетки в сторону», — говорит Паска. «Он растет как единое целое».
Эти человеческие клетки процветали, потому что мозг крыс обладал преимуществами, недоступными для лабораторных чашек, такими как кровоснабжение, точная смесь питательных веществ и стимуляция соседних клеток. Эта поддержка окружающей среды заставила отдельные человеческие нейроны вырасти в шесть раз больше по одному показателю, чем клетки того же типа, выращенные в чашках. Клетки, выращенные в мозге крысы, также были более сложными, с более сложной структурой ветвления и большим количеством клеточных связей, называемых синапсами.
Клетки выглядели более зрелыми, но Паска и его коллеги хотели знать, будут ли нейроны вести себя таким же образом. Испытания электрических свойств показали, что поведение имплантированных нейронов больше похоже на клетки, развивающиеся в человеческом мозгу, чем на клетки, выращенные в чашках.
За несколько месяцев роста эти человеческие нейроны установили связи с клетками-хозяевами крыс. Человеческие органоиды были имплантированы в соматосенсорную кору, часть мозга крысы, которая обрабатывает входные данные от усов. Когда исследователи подули воздухом на усы крысы, некоторые человеческие клетки тоже отреагировали.
Более того, человеческие клетки могли влиять на поведение крысы. В дальнейших экспериментах исследователи генетически модифицировали органоиды, чтобы они реагировали на синий свет. По вспышке света нейроны запускали сигналы, и исследователи вознаграждали крыс водой. Вскоре крысы научились двигаться к водосточному желобу, когда их органоидные клетки человека посылали сигналы.
В поведенческих тестах крысы с человеческими имплантатами не показали признаков более высокого интеллекта или памяти, но на самом деле исследователей больше беспокоил дефицит. В конце концов, человеческие органоиды выталкивали мозг своих носителей. «Будет ли дефицит памяти? Будут ли моторные дефициты? Будут ли приступы?» — спросил Паска. Но после обширных тестов, включая поведенческие тесты, ЭЭГ и МРТ, «мы не смогли найти различий», — говорит Паска.
Другие эксперименты включали нервные клетки людей с генетическим заболеванием, называемым синдромом Тимоти, тяжелым нарушением развития, которое влияет на рост мозга. Исследователи пришли к выводу, что выращивание органоидов, созданных из клеток этих пациентов в мозгу крыс, может выявить различия, которые не могут быть обнаружены другими методами. Конечно же, нейроны в этих органоидах имели менее сложные дендриты, принимающие сообщения, чем в органоидах, полученных от людей без синдрома.
Паска говорит, что органоиды, сделанные из клеток, специфичных для пациента, однажды могут даже стать экспериментальными для лечения. «Сложные расстройства потребуют смелых подходов», — говорит он. «Нам нужно будет построить человеческие модели, которые повторяют больше аспектов человеческого мозга, чтобы изучать эти уникальные человеческие условия».
