Лаборатория в Дюссельдорфе, 2021 год. Биолог склоняется над чашкой Петри. Внутри плавает что-то размером с горошину, похожее на крошечный комок ткани. Он берёт пипетку, аккуратно переносит образец под микроскоп и замирает.
На поверхности этого комка две симметричные выпуклости. Тёмные, округлые, с чёткой структурой слоёв. Они удивительно похожи на глаза.
Проблема в том, что это не эмбрион и не животное. Это горстка нервных клеток, выращенных в лаборатории из перепрограммированных стволовых клеток. И никто не давал этим клеткам инструкцию «отращивайте глаза». Они сделали это сами.
Добро пожаловать в мир органоидов мозга.
Что вообще происходит
Настоящим мозгом органоид назвать нельзя. Это комок нервных клеток, который плавает в чашке Петри и помещается на кончике пальца. Но выращивают его хитро. Берут обычные клетки кожи (с руки, с плеча, откуда угодно) и откатывают их в состояние стволовых. Грубо говоря, заставляют взрослую клетку забыть свою специализацию и снова стать универсальной, как в первые дни эмбриона. После этого ей дают химический сигнал: становись нервной.
А дальше клетки делают то, чего от них никто не просил. Без инструкций и внешнего управления они начинают собираться в подобие раннего мозга. Появляются слои, зоны, намёки на связи. Если честно, до сих пор не до конца понятно, как именно клетки «знают», в каком порядке действовать.
В 2013 году Мадлен Ланкастер, работавшая тогда в Институте молекулярной биотехнологии в Вене, получила первый такой органоид. Команда просто поместила стволовые клетки в питательную среду и стала ждать. Никто не лепил из них мозг вручную. Через несколько недель комок клеток самостоятельно приобрёл структуру, напоминающую кору головного мозга.
А потом в 2021 году команда Джея Гопалакришнана из Университетской больницы Дюссельдорфа пошла дальше. Они выращивали органоиды по стандартной методике. И на тридцатый день заметили: на поверхности некоторых образцов появились странные выпуклости. К пятидесятому дню эти выпуклости превратились в структуры, которые любой эмбриолог узнал бы с первого взгляда.
Глазные бокалы — заготовки, из которых в утробе формируется сетчатка.
Могут ли они видеть
Короткий ответ: нет, не могут.
Эти структуры содержат клетки сетчатки. Там есть фоторецепторы — палочки и колбочки, те самые клетки, которые в настоящем глазу реагируют на свет. Учёные проверили: когда на органоид светили, фоторецепторы действительно откликались электрическим сигналом.
Но дальше этому сигналу некуда идти. У органоида нет ни зрительного нерва, ни коры для обработки картинки, ни полноценного мозга, который понимал бы, что это свет. Органоид реагирует на фотоны, но не видит. Он даже не знает, что такое «видеть».
И всё же сам факт поражает. Потому что никто не программировал эти клетки строить глаза. Они просто это умели. Информация была записана внутри них, в генах, в биохимических сигналах, которыми клетки обмениваются друг с другом.
Мозг и глаза развиваются вместе в эмбрионе. Глаз вообще начинается как вырост мозга, а не как отдельный орган. И органоид повторил этот сценарий самостоятельно.
Зачем такое выращивать
Допустим, мы хотим понять, почему у некоторых детей рождается врождённая слепота. Или почему сетчатка разрушается при диабете. А может, нужно проверить новое лекарство для глаз, не испытывая его на людях сразу.
Для всего этого нужна модель. Живая ткань, на которой можно экспериментировать.
Раньше учёные работали либо с животными (мыши, крысы), либо с клетками, выращенными плоским слоем в чашке. Животные не всегда точно повторяют процессы человеческого организма. А плоские культуры слишком примитивны: они не воспроизводят, как клетки взаимодействуют в объёме, как формируют слои и связи.
Органоиды занимают промежуточную ступень между плоской культурой и целым органом. Они воспроизводят ключевые этапы развития в трёх измерениях. И их можно вырастить из клеток конкретного пациента: взять кусочек кожи человека с редким заболеванием сетчатки, получить органоид и изучать болезнь прямо на его клетках.
В эксперименте Гопалакришнана 72% органоидов из 314 образцов сформировали глазоподобные структуры. Это высокий процент воспроизводимости, что делает метод пригодным для систематических исследований. Теперь можно изучать, как развивается глаз, что идёт не так при мутациях, какие вещества способны защитить клетки сетчатки от гибели.
Этический вопрос, который не уходит
Когда мы видим заголовок «мини-мозг с глазами», первая мысль из научной фантастики. Он начнёт думать? Осознает себя?
На сегодняшний день научный консенсус однозначен: органоиды мозга слишком просты для чего-то похожего на сознание или ощущения. В них нет ни сложных нейронных сетей настоящего мозга, ни входящих сигналов от тела, потому что тела попросту нет. По сути, это биологический макет, черновик ранней стадии развития.
Но вопрос остаётся открытым. По мере того как органоиды становятся сложнее (а учёные уже выращивают структуры с зачатками кровеносных сосудов), этические дискуссии будут обостряться. В 2018 году журнал Nature опубликовал редакционную статью с призывом заранее обсудить границы. Где проходит черта между лабораторной моделью и чем-то, что может требовать этической защиты?
Пока мы далеко от этой черты. Но двигаемся в её сторону.
Что это может изменить
В ближайшие годы эта технология вряд ли затронет нашу повседневную жизнь напрямую. Это фундаментальная наука: лаборатории, чашки Петри, микроскопы.
Но через десять-пятнадцать лет дело может выглядеть иначе. Вот конкретный сценарий: у пациента с дистрофией сетчатки берут клетки кожи, выращивают из них органоид и тестируют на нём десяток лекарств. Мыши для таких тестов подходят плохо, потому что их глаз устроен иначе. А тут модель из собственных клеток пациента, с его генетикой и его мутациями. Точное попадание вместо стрельбы вслепую.
Звучит как нечто недостижимое. Но технология движется быстро.
Клетки помнят, как строить тело
Вот что по-настоящему завораживает в этой истории. Клетки кожи, которые годами спокойно сидели на чьём-то плече, после перепрограммирования вспомнили, как строить мозг. А заодно и глаза.
Информация была в них всё время. Записана в ДНК, в сигнальных путях, в белках, которые включают и выключают гены в нужный момент. Учёные просто дали клеткам подходящие условия. А дальше клетки сами разобрались.
Никто не объяснял им, в каком порядке делиться. Какие слои формировать первыми. Когда начинать строить глазные бокалы. Программа была записана заранее.
Мы привыкли думать, что сложные конструкции требуют управления извне: чертежей, проектировщика, контроля. А тут горстка клеток в чашке строит подобие органа, повторяя шаги, которые природа оттачивала сотни миллионов лет. И справляется без единой инструкции от человека.
Где-то в Дюссельдорфе сейчас плавает в питательной среде новая партия органоидов. Через тридцать дней на некоторых из них появятся тёмные симметричные выпуклости. Они не увидят свет, но, возможно, помогут кому-то другому его сохранить.
Основные источники:
Оригинальная статья Gopalakrishnan et al. (Cell Stem Cell, 2021), Статья Lancaster et al. (Nature, 2013), Редакционные статьи Nature (2018) и Journal of Medical Ethics (Lavazza & Massimini, 2018), Работы Яманаки (2006) и информация о Нобелевской премии (2012).
Ирина Р.
Подписывайтесь на канал. Впереди много интересного и полезного.