Исследователи из Университета Джонса Хопкинса создали нечто особенное – миниатюрную модель целого мозга. В ней есть не только нейронные ткани, но и зачатки кровеносных сосудов. Этот прорыв может кардинально изменить подход к изучению таких заболеваний, как аутизм и шизофрения.

Мы создали следующее поколение органоидов мозга, – говорит ведущий автор работы Энни Катурия, профессор, изучающая развитие мозга и нейропсихиатрические расстройства. – Большинство моделей, которые вы видите в научных статьях, воспроизводят лишь один его участок: кору, задний или средний мозг. А мы вырастили базовую модель целого мозга. Мы называем его мультирегиональным мозговым органоидом.

Работа, опубликованная в журнале Advanced Science, – один из первых случаев, когда ученым удалось создать органоид, объединяющий ткани из разных отделов мозга, которые действуют согласованно. Такая модель на основе человеческих клеток открывает двери для изучения болезней, затрагивающих весь мозг, – той работы, которая сегодня в основном проводится на животных.

Как же собрали этот цельный мини-мозг? Сначала команда Катурии вырастила в отдельных чашках Петри нервные клетки из разных регионов мозга и простейшие формы кровеносных сосудов. Затем эти отдельные части «склеили» с помощью липких белков – своего рода биологического суперклея – и дали тканям возможность сформировать связи. Когда ткани начали срастаться, в них появилась электрическая активность, и они стали работать как единая сеть.

Эта мультирегиональная миниатюра мозга сохранила широкий спектр типов нервных клеток, характерных для мозга 40-дневного человеческого эмбриона. Около 80% разнообразия клеток, которые обычно наблюдаются на ранних стадиях развития человеческого мозга, присутствовало и в этой лабораторной модели. Конечно, он гораздо меньше настоящего мозга: 6-7 миллионов нейронов против десятков миллиардов у взрослого человека. Но именно это делает органоиды уникальной платформой для изучения развития всего мозга.

Исследователи также увидели формирование раннего гематоэнцефалического барьера – особого клеточного слоя, который окружает мозг и контролирует, какие вещества могут в него проникнуть.

Чтобы понять нейроразвивающиеся или нейропсихиатрические расстройства, нам нужны модели с человеческими клетками. Но я же не могу попросить человека: «Позвольте заглянуть вам в мозг, чтобы изучить аутизм», – объясняет Катурия. – Органоиды целого мозга позволяют нам наблюдать за развитием нарушений в реальном времени, проверять, работают ли методы лечения, и даже подбирать терапию для конкретного пациента.

Использование таких органоидов для тестирования экспериментальных препаратов может также повысить успешность клинических испытаний. Примерно 85-90% лекарств проваливаются на первой фазе. Для нейропсихиатрических препаратов этот показатель ближе к 96%. Причина в том, что на ранних этапах разработки лекарств ученые в основном изучают животных. Органоиды целого мозга гораздо ближе к естественному развитию человеческого мозга и, вероятно, станут лучшими объектами для тестов.

Такие болезни, как шизофрения, аутизм и болезнь Альцгеймера, затрагивают весь мозг, а не одну его часть. Если мы поймем, что идет не так на раннем этапе развития, мы сможем найти новые цели для скрининга лекарств, – говорит Катурия. – Мы можем тестировать новые препараты или методы лечения на органоидах и определять, оказывают ли они реальное воздействие.

Реальная польза этого исследования носит фундаментальный и прикладной характер.

• Во-первых, мы получаем беспрецедентное окно в самые ранние, ранее недоступные этапы развития человеческого мозга. Это ключ к пониманию истоков многих расстройств, которые «закладываются» именно в этот период.
• Во-вторых, это мощнейший инструмент для персонализированной медицины. Теоретически, можно создать органоид из клеток конкретного пациента с, например, аутизмом, и в лаборатории, в ускоренном режиме, протестировать на нем десятки потенциальных терапий, чтобы найти наиболее эффективную.
• В-третьих, это шанс резко сократить количество неудачных клинических испытаний и страдания лабораторных животных, заменив их на более релевантные человеческие модели на ранних этапах скрининга лекарств.

Польза – в ускорении открытий и снижении издержек, как финансовых, так и этических.

Основное критическое замечание лежит в плоскости сложности моделирования. Органоид, эквивалентный мозгу 40-дневного эмбриона, – это лишь самый начальный этап развития. До моделирования сложнейшей архитектуры и связей зрелого мозга, где и проявляются полноценно изучаемые заболевания, – дистанция огромного масштаба. Кроме того, отсутствие иммунной системы, сенсорного потока извне и многих других факторов делает такую модель все же серьезным упрощением. Есть риск получить артефакты, свойственные именно искусственной среде выращивания, и принять их за биологические закономерности. Важно не преувеличивать степень зрелости модели, но признавать ее огромный потенциал как стартовой площадки.

Ранее мы разбирались, чем заменят лабораторных животных.