Исследователи создают персонализированные лекарства с помощью органоидов мозга.
Мозг пятилетней девочки лежит в основе революционных исследований по лечению изнурительных генетических заболеваний у детей. Дениз Каллен исследует границы персонализированной медицины. Эта статья была впервые опубликована в журнале Cosmos Print Magazine в сентябре 2024 года.
Органоиды мозга
Откройте дверь инкубатора в закрытой лаборатории на четвёртом этаже Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий (AIBN) Университета Квинсленда, и вы увидите сотни крошечных «мозгов», принадлежащих пятилетней девочке по имени Таллула Мун.
Они устроены рядами в чашках Петри и погружены в раствор, содержащий соли, сахара, витамины и факторы роста. Каждый из них размером не больше зёрнышка сырого кускуса.
Хотя они крошечные, они спят и видят сны, растут и меняются, развивают новые синаптические связи и избавляются от старых, а также демонстрируют те же альфа-, бета- и гамма-волны, что и любой живой человек, если подключить их к электроэнцефалограмме (ЭЭГ).
Хотя исследователи называют их «мини-мозгами», старший научный сотрудник AIBN Ханна Лисон признаёт, что это не совсем подходящее название.
«Это кортикальные органоиды, у них нет среднего и заднего мозга, и нет мозжечка», — говорит она.
Более правильно было бы назвать их органоидами мозга — миниатюрными, упрощёнными частями коры головного мозга, выращенными in vitro из стволовых клеток. Они могут имитировать структуру и функции реального мозга, но в гораздо меньшем масштабе.
Создание органоидов мозга
В течение пяти лет Лисон пытается разгадать тайны, которые они содержат, наблюдая за их электрической активностью.
Они были созданы с использованием клеток кожи Таллулы, которой на тот момент было три года, после того как у неё диагностировали редкое генетическое заболевание — наследственную спастическую параплегию типа 56 (SPG56).
Это дегенеративное заболевание вызывает прогрессирующую слабость и спастичность (скованность) нижних конечностей и возникло из-за мутации всего в одном из 30 000 генов Таллулы — гене CYP2U1.
История Таллулы
Кошмар для Криса и Голден Уитрод, родителей Таллулы, начался в 2020 году, когда ей было 14 месяцев.
В течение нескольких месяцев жизнерадостный малыш вернулся к ползанию, а вскоре Таллула больше не могла говорить или даже держать голову.
«Когда она начала давиться едой и питьём, мы впали в состояние всепоглощающего ужаса, и срочные направления к неврологам, анализы крови, МРТ и исследования нервной проводимости не могли появиться достаточно быстро», — говорит Голден в заявлении на сайте семьи Our Moon’s Mission.
После месяцев медицинских исследований секвенирование всего генома (WGS) позволило сопоставить каждый ген в организме Таллулы и выявить мутацию, вызывающую заболевание.
Ошеломляющим известием стало то, что лечения и лекарства не существует.
В августе 2021 года семья Мун основала благотворительный фонд под названием Genetic Cures for Kids, первой миссией которого стало поиск лекарства от SPG56.
Крис и Голден встретились с исследователями из AIBN в 2021 году, чтобы наметить дальнейший путь.
Генная терапия
Лисон начала с того, что взяла образец клеток кожи Таллулы с помощью простого кожного прокола. Затем она использовала новаторский процесс, называемый перепрограммированием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), чтобы вернуть эти клетки в плюрипотентное состояние. В этом состоянии они обладали потенциалом развиться в любой тип клеток в организме, включая клетки мозга.
Она взяла те же образцы у родителей Таллулы, которые использовались в качестве контроля. Лисон подсчитала, что она создала около 800 органоидов мозга для Таллулы, Криса и Голден. На момент написания статьи Лисон находилась в процессе создания ещё сотен.
Затем, тщательно наблюдая и сравнивая органоиды мозга с помощью мультиомного анализа (который объединяет данные из геномики, транскриптомики, эпигенетики и протеомики) и измеряя нейронную активность с помощью многоэлектродного массива, она стремилась выявить что-то особенное в заболевании.
«Я искала различия, характерные для пациента, потому что, если вы видите где-то разницу, то у вас есть что измерить, когда дело доходит до поиска лечения», — объясняет Лисон.
Выяснилось, что мутировавший ген CYP2U1 у Таллулы по-разному метаболизирует глюкозу. Лисон также наблюдала изменения в уровне жирных кислот, которые имеют решающее значение для здоровой работы мозга.
«Обычно вы получаете молекулы сахара, которые затем попадают в цикл лимонной кислоты, и это создаёт аденозинтрифосфат (АТФ)», — объясняет она. АТФ — это важнейшая молекула в клеточном метаболизме, которая действует как основной поставщик энергии. «Эти клетки, похоже, не следуют тому же механизму».
Потребовалось два года исследований, чтобы сложить воедино все кусочки головоломки, но многие неизвестные остаются.
«Мы не выяснили, как именно CYP2U1 контролирует эти процессы или почему это вызывает спастическую параплегию. Но теперь у нас есть что-то, с чем можно работать — у нас есть вещи, которые отличаются у пациентов по сравнению с контрольными», — говорит Лисон.
Как распространены редкие заболевания?
SPG56 — это одно из примерно 7 000 редких заболеваний — угрожающих жизни или хронически изнурительных заболеваний, которые поражают небольшой процент населения.
В Австралии заболевание считается редким, если оно затрагивает менее 5 человек из 10 000, по данным федерального Министерства здравоохранения и по уходу за престарелыми.
Помимо SPG56, существуют и другие формы наследственной спастической параплегии. Вместе они всё ещё настолько редки, что встречаются только у 0,1–9,6 человек на каждые 100 000 человек в мире, и большинство из них — дети.
Как и в случае с другими редкими заболеваниями, постановка правильного диагноза может занять время, потому что эти состояния сложны, врачи нечасто сталкиваются с ними, и для выявления мутации требуется секвенирование генома.
Между тем у крупных фармацевтических компаний минимальный интерес к инвестициям в исследования. Их инвестиции не окупятся из-за небольшого числа людей, которые получат пользу от разработанного продукта.
И даже если бы крупные фармацевтические компании были готовы, Вольветанг указывает на практические проблемы, связанные с исследованием редких заболеваний.
«Клинические испытания даже невозможны, потому что в Австралии всего пять детей с этим заболеванием», — говорит он. (Таллула — фактически единственный известный ребёнок в Австралии с SPG56.)
«Клиническое испытание с контролем и двойным слепым плацебо-перекрёстным дизайном? Забудьте об этом».
Тем не менее, по оценкам, 8% австралийцев живут с редким заболеванием, что делает их удивительно распространёнными.
Учитывая, что четыре из пяти редких заболеваний являются генетическими, ожидается, что быстро развивающиеся генные терапии дадут надежду не только людям с SPG56, но и многим другим редким заболеваниям.
Генная терапия подчёркивает современный путь к персонализированной медицине, которая фокусируется на индивидуальных различиях в генетике, окружающей среде и образе жизни для адаптации диагностики, лечения и профилактических стратегий.
Разработка «троянского коня»
После того как различия в метаболизме и электрической активности между органоидами мозга Таллулы и её родителей были выявлены, следующим шагом стало введение функционирующего гена для замены дефектного.
«Проблема в том, что это очень сложно протестировать на людях, потому что у вас есть только одна попытка», — говорит Вольветанг.
Функционирующий ген доставляется с помощью вирусного вектора — обычного аденоассоциированного вируса (AAV), который был уничтожен и заменён желаемыми генами.
«Это как троянский конь», — говорит Вольветанг. Это потому, что AAV используется для «проникновения» правильной копии гена в клетки.
Вектор помещают в раствор, окружающий органоид мозга — лабораторный эквивалент введения лекарств через спинномозговую жидкость.
В 2023 году Лисон и её ассистентка-студентка Мохита Сингх провели серию анализов, чтобы убедиться в отсутствии токсического воздействия на органоиды мозга.
Скоро они узнают, насколько эффективным будет введение функционирующего гена.
«Мы знаем, что это не будет токсично, но решит ли замена этого гена проблему?» — задаётся вопросом Лисон.
«Доставляем ли мы достаточно (генной терапии)? Попадает ли она в достаточное количество клеток?»
Другой нерешённый вопрос заключается в том, можно ли перемотать пагубные последствия SPG56 назад, или генную терапию необходимо вводить до критического периода развития.
«Таллуле пять лет, и у меня нет органоидов мозга пятилетней давности, так что я не смогу ответить на подобные вопросы», — говорит Лисон.
«Существует фактор неизвестности, когда мы в конечном итоге дойдём до стадии введения (генной терапии) Таллуле, что, как мы ожидаем, произойдёт в следующем году».
Интенсивная физиотерапия позволила сохранить часть мышечной функции Таллулы, несмотря на разрушительное воздействие SPG56, но даже сейчас она использует инвалидное кресло, и неизвестно, сможет ли генная терапия значительно изменить её состояние.
Лисон надеется на это, и она говорит о Таллуле с явной привязанностью.
«Она быстро передвигается в своём инвалидном кресле и считает забавным подкрадываться к людям сзади и стучать их по лодыжкам, как играя в салки», — говорит Лисон.
Вхождение в неизвестность
Несмотря на высокие надежды, нет никаких гарантий успеха.
Хотя генные терапии уже использовались для лечения ряда различных заболеваний, лечение Таллулы станет первым, которое будет протестировано на органоидах мозга — и это создаёт неопределённость.
«Мы не знаем, будет ли органоид мозга реагировать так же, как пациент», — говорит Лисон.
Перед этими соображениями стоит манящая возможность увидеть, как терапия изменит жизни.
«Мы многого не знаем, — говорит Лисон, — но эта работа может изменить жизнь людей — и это одновременно и увлекательно, и важно».