Биомедицинские инженеры совершили крупный прорыв в исследованиях органоидов, приблизив нас к новой эре нейрофизиологического анализа и лечения. Команда из Университета Джона Хопкинса создала одни из первых органоидов целого мозга, включающие взаимосвязанные функциональные ткани из каждого отдела человеческого мозга.
Согласно статье, опубликованной в журнале Advanced Science, эти массы нейронных клеток проявляют активность, схожую с активностью 40-дневного человеческого плода, и в скором времени могут позволить более эффективное лечение таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.
Развитие органоидов мозга — одно из самых перспективных, сложных и зачастую сюрреалистичных направлений в биомедицине
Эти выращенные в лаборатории культуры, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, функционируют как рудиментарные «умы», лишённые сознания, но сохраняющие базовые когнитивные функции, такие как память и обучение.
Изначально органоиды были ограничены двумерными конструкциями, но новые трёхмерные композиции уже способны играть в простейшие игры типа Pong и управлять небольшими роботами.
Такие демонстрации не просто призваны впечатлять — эти сложные настраиваемые клеточные структуры могут стать началом новой эры исследований и лечения в области нейропсихиатрии, интерфейсов «мозг-компьютер» и даже совершенно новых форм искусственного органоидного интеллекта.
Однако в течение многих лет область исследований ограничивалась отсутствием сложности.
«Большинство органоидов мозга, которые вы видите в статьях, представляют собой один отдел мозга, например кору, задний или средний мозг», — заявила в заявлении ведущий автор исследования, биомедицинский инженер Энни Катурия.
В идеале Катурия и её коллеги хотели бы наблюдать за работой каждого отдела мозга в тандеме, чтобы иметь возможность изучать нейроразвитие комплексно. Но это проще сказать, чем сделать.
«Нам нужно изучать модели с человеческими клетками, если вы хотите понять нарушения нейроразвития или нейропсихиатрические расстройства, но я не могу попросить человека позволить мне заглянуть в его мозг, чтобы изучить аутизм», — сказала Катурия.
«Органоиды целого мозга позволяют нам наблюдать за развитием расстройств в режиме реального времени, проверять эффективность лечения и даже адаптировать терапию для отдельных пациентов».
Первый в мире органоид многокомпонентного мозга
После многих лет экспериментов Катурия и её коллеги стали одними из первых в мире, кто вырастил то, что они называют органоидом многокомпонентного мозга (MRBO).
Для этого исследователи сначала вырастили нейронные клетки из отдельных областей мозга вместе с базовыми кровеносными сосудами в ряде лабораторных чашек. Затем они соединили отдельные области вместе, используя липкие белки, описанные как «биологический суперклей», который способствовал связям между тканями. По мере того как они соединялись, области начали генерировать электрическую активность в виде единой сети.
Авторы исследования даже отметили формирование раннего гематоэнцефалического барьера — окружающего мозг слоя клеток, который контролирует, какие молекулы могут проникать в мозг, а какие нет.
Эти MRBO значительно меньше человеческого мозга, каждый из них содержит 6–7 миллионов нейронов — для сравнения, во взрослом мозге десятки миллиардов нейронов. Но, имея 80 процентов клеток, обычно наблюдаемых на ранних стадиях развития мозга плода, они предоставляют беспрецедентные возможности для анализа.
Например, использование MRBO в экспериментальных испытаниях лекарств может помочь повысить показатели успешности. По данным команды из Университета Джона Хопкинса, 85–90 процентов всех лекарств терпят неудачу на этапе клинических испытаний 1, а для нейропсихиатрических препаратов этот показатель приближается к 96 процентам.
Это во многом связано с тем, что большинство биомедицинских исследователей в настоящее время полагаются на модели животных на ранних стадиях развития. Замена лабораторных крыс на органоиды целого мозга, которые больше напоминают естественный человеческий мозг, вероятно, даст более быстрые и лучшие результаты.
«Шизофрения, аутизм и болезнь Альцгеймера поражают весь мозг, а не только его часть», — сказала Катурия. «Если вы сможете понять, что идёт не так на ранних этапах развития, мы, возможно, сможем найти новые мишени для скрининга лекарств».