Микромозг на троих

Чтобы изучать клетки живьём, их выращивают в клеточной культуре: множество клеток растут и делятся на дне специальной ёмкости, погружённые в питательную среду. Но всё-таки клетки, растущие монотонным слоем, не то же самое, что клетки в настоящем органе. Более полную картину дают органоиды – микроскопические подобия настоящих органов. Их создают в лаборатории из стволовых клеток, которые превращаются сразу в несколько типов специализированных клеток, образующих орган. До полноценного, настоящего органа с его настоящими размерами органоиды не вырастают – они остаются микроскопическими, и, строго говоря, они представляют собой не весь орган, а часть органа. То есть, например, кишечный органоид – это не уменьшенный кишечник, а небольшой мешочек, фрагмент кишечной стенки. Если речь идёт о мозге, то тут органоид представляет собой микрофрагмент коры – ансамбль клеток, которые образуют шесть слоёв нейронной коры полушарий. Тем не менее, органоиды чрезвычайно полезны: клетки в них формируются в трёхмерной обстановке, их со всех сторон окружают другие клетки, с которыми они обмениваются сигналами, – и это более естественная ситуация, чем когда клетки растут слоем на какой-нибудь поверхности и просто болтаются в неупорядоченной взвеси. Объёмность органоида очень сильно приближает его к настоящему органу, и во многих отношениях он и ведёт себя как настоящий орган.

Органоиды есть самых разных видов: почечные, желудочные, сердечные и даже мозговые. На них можно изучать фундаментальные закономерности развития, на них можно испытывать потенциальные лекарства, и т. д., и т. п. Но любая клетка, любой орган, любой организм формируются во взаимодействии генетической информации и окружающей среды. Если мы выращиваем мозговой органоид из одной и той же генетически одинаковой культуры стволовых клеток, то можем быть уверены, что все изменения, которые будут происходить с такими органоидами, можно отнести на счёт влияния среды. Как быть, если мы хотим проверить разные гены в одинаковых внешних условиях?

Ответ как будто лежит на поверхности: нужно просто вырастить столько генетически разных органоидов, сколько нужно, и растить их в одинаковой среде. Проблема в том, что даже небольшие отклонения в экспериментальной процедуре могут обернуться большими изменениями в состоянии клеток. В таких случаях нередко используют метафору с пекарями: представьте, что несколько пекарей пекут хлеб, но в рецептах у них есть свои особенности, и пользуются они разными печами, разной посудой, муку берут у разных поставщиков и т. д. Рецепт здесь аналогичен генам, всё остальное – среда. Хлеб у всех получится разный, но в чём причина различий, понять будет очень непросто. Так бывает даже с клетками, которые растут в обычной плоской культуре на поверхности лабораторной посуды. Что уж говорить про органоиды, где клетки взаимодействуют друг с другом более сложным образом и имеют разную специализацию. Проблема усугубляется, когда мы имеем дело с клетками и органами, особенно сильно прислушивающимися к внешним факторам – как мозг, например.

В случае с плоскими (или 2D-) культурами клеток используют подход, когда в одной и той же посуде, в одной и той же питательной среде живут несколько колоний клеток, отличающихся друг от друга генетически. В таком виде клетки растут и размножаются, не особо мешая друг другу. В случае с органоидом можно в одном органоиде объединить несколько разногенетических стволовых клеток, но всё закончится тем, что какая-то клеточная линия, которая умеет делиться быстрее прочих, просто вытеснит всех остальных. Сотрудники Гарвардского университета обошли эту трудность, создавая мозговой органоид в два этапа. Они получали стволовые клетки от разных людей (стволовые клетки были индуцированными, то есть обычные специализированные клетки человека перепрограммировали молекулярными инструментами, чтобы они отступили в стволовое состояние) и выращивали из них несколько отдельных органоидов. Выращивали их так, чтобы они постепенно теряли абсолютную «стволовость» и становились предшественниками нервных клеток. То есть на первом этапе получались разногенетические органоиды, состоящие пока что не из готовых нервных клеток, а из их непосредственных стволовых предшественников.

Дальше эти органоиды разбирали по клеткам и смешивали друг с другом. Клетки по-прежнему росли в условиях, которые благоприятствовали соединению в объёмные конгломераты. Разногенетические клетки-предшественники соединялись в такие конгломераты и продолжали путь к специализации. Ещё раз подчеркнём, что такие клетки уже не вполне стволовые, и среди них не было никого, кто мог бы энергичным делением подавить другие генетические линии. В итоге получались органоиды, нейроны которого происходили от двух, трёх, четырёх и даже пяти человек.

Формирование мозгового химероида через несколько мозговых органоидов, выросших из разногенетических стволовых клеток. (Иллюстрация: Nature)

Полученные органоиды назвали химероидами, они росли три месяца, достигали размеров 3–5 мм, и содержали все типы клеток, которые есть в коре развивающегося зародыша. В них со временем появлялись характерные розеточные структуры, что указывало на нормальное развитие (нормальное для самых начальных этапов формирования мозга). Анализ ДНК и РНК показал, что каждая такая эмбриональная клеточная розетка состоит из клеток какой-то одной генетической линии (когда  все клетки в одной и той же розетке произошли от стволовых клеток, взятых у какого-то одного человека), хотя в некоторых розетках среди основных клеток обнаруживались некоторые другие, с другим генетическим портретом.

Клетки разных генетических линий в одном и том же химероиде по-разному реагировали на неприятные вещества. Когда химероидам давали этанол, то в целом, если судить по активности генов, присутствие токсичного спирта чувствовали все. Но лишь клетки одной из генетических разновидностей оказались настолько чувствительны, что их в химероиде стало буквально меньше. Эти же клетки оказались чувствительнее других к вальпроевой кислоте, которая используется как противоэпилептический препарат: из-за неё они начинали особенно быстро расти. Известно, что с употреблением алкоголя во время беременности связан так называемый фетальный алкогольный синдром, а приём вальпроевой кислоты повышает риск аутистических расстройств у будущего ребёнка. С другой стороны, и то, и другое проявляется у разных людей по-разному, и какие-то зародыши оказываются более чувствительны к подобным веществам, какие-то менее – исследователи наглядно продемонстрировали это на примере разногенетических клеток в составе одних и тех же мозговых химероидов. Результаты экспериментов описаны в Nature.

Фундаментальная и практическая польза от подобных химероидов очевидна: они помогут лучше разобраться в генетических и внегенетических факторах, влияющих на развитие мозга; с их помощью можно будет понять не только процессы эмбрионального развития, но и то, что происходит во взрослом мозге. Опять же, химероиды наверняка попробуют сделать и для других органов – почек, кишечника, сердца и т. д. Правда, метод довольно трудоёмок, и сами исследователи пока не знают, можно ли впихнуть в один химероид больше пяти людей. С другой стороны, подобные химероиды ещё недавно сами казались фантастикой.