Аннотация:
Исследователи из Стэнфордского университета в США завершили знаковый эксперимент: они трансплантировали кортикальные органоиды, выращенные из стволовых клеток человека, генетически модифицированной мыши, у которой часть ткани головного мозга не смогла нормально развиваться, установив обширные и стабильные связи между нервной тканью человека и развивающейся нервной системой мыши. Результаты экспериментов показали, что пересаженная человеческая ткань не только продолжала расти у мышей, но также формировала нейронные связи с головным и спинным мозгом мышей и оставалась активной, пока животные бодрствовали.
Исследование было опубликовано в журнале Nature. Исследователи полагают, что этот метод размещения органоидов человеческого мозга в нервной системе живых животных, как ожидается, станет новым инструментом для изучения развития человеческого мозга, неврологических заболеваний и персонализированного лечения. Это также позволит ученым впервые наблюдать, как нервная ткань человека растет, соединяется и работает в более близкой к реальной физиологической среде.
В последние годы использование стволовых клеток человека для выращивания трехмерных органоидов стало важной технологией в биомедицинских исследованиях. Исследователи могут использовать органоиды для моделирования человеческих тканей, таких как мозг, печень и кожа, для изучения механизмов заболеваний, наблюдения за процессами развития тканей и тестирования лекарств. Однако ведь органоиды в лабораторных чашках представляют собой лишь относительно изолированную модель ткани, лишенную сложного кровоснабжения, нервных связей и взаимодействий между различными органами реального человеческого организма, поэтому все еще существуют очевидные ограничения в изучении некоторых сложных заболеваний.
Трансплантация органоидов живым животным могла бы решить некоторые из этих проблем, но предыдущие исследования также столкнулись с важным ограничением. Мозговая ткань человека не развивается с такой же скоростью, как у грызунов, и если бы человеческие корковые органоиды были имплантированы непосредственно в нормально развивающийся мозг мыши или крысы, нервная система животного-хозяина могла бы быстро созреть, ограничивая пространство для продолжения роста человеческой ткани и построения сложных связей.
Поэтому исследовательская группа Стэнфордского университета использовала специальную модель мыши. Они генетически модифицировали мышей, у которых не было частей ткани, необходимой для формирования гиппокампа и внешней коры головного мозга, оставив достаточно места для трансплантированных человеческих корковых органоидов. Таким образом, нервная ткань человека может продолжать расти по мере развития мозга мыши и более естественным образом соединяться с нервной системой хозяина.
Затем исследователи трансплантировали кортикальные органоиды, выращенные из стволовых клеток человека, в мозг этих мышей. Результаты показали, что человеческая ткань не только выжила, но и продолжала разрастаться у мышей, составляя в конечном итоге примерно 92% кортикальной ткани мыши. Этот масштаб намного выше, чем обычно достигается в традиционных экспериментах по трансплантации органоидов.
Что еще более важно, эти человеческие нервные ткани не стали «подключаемым органом», независимым от мозга мыши. Используя флуоресцентные метки, исследователи заметили, что нейроны в органоидах человека распространяют многочисленные нейриты в нервную ткань мыши и устанавливают связи с нервной системой хозяина. В то же время обнаружение электрической активности также выявило обмен нервными сигналами между тканями человека и мозгом мыши.
Эксперименты также показывают, что это соединение уже имеет некоторую функциональность. Наблюдая за двигательным поведением мышей, исследователи обнаружили, что пересаженная нервная ткань человека может влиять на двигательную активность конечностей мыши, а это означает, что человеческая ткань не просто пассивно существует в мозге мыши, но и в определенной степени участвует в функционировании нервной системы хозяина.
Брайс Виссел, нейробиолог из больницы Св. Винсента, не принимавший участия в исследовании, считает, что результаты могут открыть новые возможности для разработки индивидуальных методов лечения неврологических заболеваний. Он сказал, что трансплантированная человеку ткань способна соединяться с головным и спинным мозгом мышей и оставаться активной, пока животные бодрствуют, что открывает новые возможности для будущих исследований о том, как восстановить больной мозг.
Однако этот эксперимент также поднимает очевидные этические проблемы. Исследователи фактически создали гибридную нервную систему, состоящую из нервной ткани человека и мыши. Поскольку человеческая ткань занимает все большую долю в организме животного-хозяина и становится более зрелой, то, как определить, обладает ли это животное неврологическими способностями, отличными от обычных мышей, становится неизбежной проблемой.
Виссел считает, что по-настоящему решающим последующим экспериментом будет активное усиление или подавление трансплантированной нервной ткани человека, а затем наблюдение за тем, изменится ли соответственно восприятие, способность к обучению или поведение мыши. Если эти способности у мышей действительно изменяются в ответ на активность тканей человека, это будет означать, что нервная ткань человека уже причинно вовлечена в собственные способности животного.
Адил Рази, вычислительный нейробиолог из Университета Монаша, также считает, что по мере того, как зрелость, масштаб и функциональная интеграция трансплантированных тканей в будущем будут продолжать расти вместе с нервной системой животных, соответствующие этические проблемы будут становиться все более и более заметными. Он считает, что настоящая проблема, достойная изучения, заключается не просто в том, чтобы определить, «был ли мозг мыши гуманизирован», но и в наблюдении за тем, как изменятся методы нейронного расчета клеток человеческого мозга после того, как они развиваются и обучаются в среде животных, отличной от людей.
Исследовательская группа заявила, что этот эксперимент соответствовал действующим в настоящее время этическим нормам и требованиям безопасности. Однако исследователи также четко указали, что если в будущем доля человеческой нервной ткани в мозге мыши будет еще больше увеличена или трансплантированная человеческая ткань станет более зрелой, соответствующие этические нормы должны быть установлены заранее, а не пассивно решать эти проблемы после того, как технология станет зрелой.
Несмотря на этические противоречия, эта технология по-прежнему имеет большое значение для медицинских исследований. Исследователи надеются использовать эту модель, объединяющую ткань головного мозга человека с тканью живых животных, для более глубокого изучения процесса развития человеческого мозга и изучения того, как использовать собственные клетки пациентов для выращивания нервной ткани и разработки более персонализированных методов лечения. В будущем такие модели могут также использоваться для изучения неврологических заболеваний и помочь ученым искать связанные с заболеванием биологические изменения до того, как у пациентов появятся очевидные симптомы.
Значение этого исследования заключается в том, что оно еще больше преодолевает ограничения традиционных органоидов мозга. Раньше ученые могли наблюдать только относительно изолированную массу нервной ткани человека в чашке Петри. Теперь органоиды человеческого мозга могут продолжать развиваться в мозговой среде живых животных и формировать настоящие функциональные связи с нервной системой хозяина. По мере дальнейшего развития соответствующих технологий вопрос о том, в какой степени человеческая нервная ткань может развиваться у животных и как эту гибридную нервную систему следует определять с этической точки зрения, станет важным вопросом, которым необходимо будет заняться в будущих исследованиях в области нейробиологии.
Комментарии