Сложные клеточные культуры могут стать основой для новых методов лечения болезни Паркинсона и Альцгеймера.
Инженеры в области биомедицины совершили крупный прорыв в исследованиях органоидов, приблизив нас к новой эре нейрофизиологического анализа и лечения. Команда из Университета Джонса Хопкинса создала одни из первых органоидов всего мозга, которые включают взаимосвязанные функциональные ткани из каждой области человеческого мозга.
Согласно их статье, опубликованной в журнале Advanced Science, эти скопления нейронов демонстрируют активность, аналогичную той, что наблюдается у 40-дневного человеческого эмбриона, и вскоре могут стать основой для более эффективных методов лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.
Развитие органоидов мозга — одно из самых многообещающих, сложных и зачастую сюрреалистичных направлений в биомедицине. Эти выращенные в лаборатории культуры, полученные из плюрипотентных человеческих стволовых клеток, функционируют как рудиментарные «мозги», не обладающие сознанием, но сохраняющие базовые когнитивные функции, такие как память и способность к обучению. Хотя изначально они были ограничены двухмерными формами, новые трёхмерные композиции уже способны играть в простые игры, такие как понг и управлять небольшими роботами.
Подобные демонстрации — это не просто впечатляющие лабораторные трюки. Эти сложные, настраиваемые клеточные сгустки могут положить начало новой эре нейропсихиатрических исследований и лечения, интерфейсов «мозг — компьютер» и даже совершенно новым формам искусственного органоидного интеллекта. Однако в течение многих лет эта область исследований была ограничена недостаточной сложностью.
“Большинство органоидов мозга, которые вы видите в статьях, представляют собой одну область мозга, такую как кора, задний или средний мозг”, - сказала в своем заявлении инженер-биомедицин и ведущий автор исследования Энни Катурия.
В идеале Катурия и его коллеги должны были бы наблюдать за тем, как все области мозга работают в тандеме, чтобы иметь возможность изучать развитие нервной системы в целом. Но это легче сказать, чем сделать.
«Если вы хотите понять, что такое нарушения развития нервной системы или нервно-психические расстройства, вам нужно изучать модели с человеческими клетками, но я не могу попросить человека позволить мне взглянуть на его мозг только для того, чтобы изучить аутизм, — сказала Катурия. — Органоиды всего мозга позволяют нам наблюдать за развитием расстройств в режиме реального времени, проверять эффективность лечения и даже подбирать терапию для отдельных пациентов».
После нескольких лет экспериментов Катурия и его коллеги стали одной из первых в мире команд, вырастивших то, что они называют мультирегиональным органоидом мозга (MRBO). Для этого исследователи сначала вырастили нервные клетки из отдельных областей мозга вместе с базовыми кровеносными сосудами в нескольких лабораторных чашках. Затем они соединили отдельные области с помощью липких белков, которые называют «биологическим суперклеем», способствующим установлению связей между тканями. После этого области начали генерировать электрическую активность как единая сеть. Авторы исследования даже отметили формирование раннего гематоэнцефалического барьера — слоя клеток, окружающих мозг и контролирующих проникновение в него молекул.
Эти микроскопические эмбриональные органоиды намного меньше человеческого мозга, и в каждом из них содержится 6–7 миллионов нейронов. Для сравнения: во взрослом мозге содержатся десятки миллиардов нейронов. Но поскольку 80 % клеток обычно появляются на ранних стадиях развития мозга плода, эти эмбриональные органоиды предоставляют беспрецедентные возможности для анализа. Например, использование микроскопических эмбриональных органоидов в экспериментальных исследованиях лекарственных препаратов может повысить шансы на успех. По данным команды исследователей из Университета Джонса Хопкинса, 85–90 % всех лекарственных препаратов терпят неудачу на первом этапе клинических испытаний, а для нейропсихиатрических препаратов этот показатель приближается к 96 %. Во многом это связано с тем, что большинство исследователей в области биомедицины на ранних этапах разработки полагаются на модели на животных. Замена лабораторных крыс на органоиды всего мозга, которые больше похожи на естественный человеческий мозг, скорее всего, позволит добиться более быстрых и качественных результатов.
«Шизофрения, аутизм и болезнь Альцгеймера поражают весь мозг, а не только его часть, — говорит Катурия. — Если мы сможем понять, что именно идёт не так на ранних этапах развития, мы сможем найти новые мишени для тестирования лекарств».