Популярный научно-популярный YouTube-канал StarTalk во главе с астрофизиком Нилом Деграссом Тайсоном, а также соведущими Гари О’Рейли и Чаком Найсом представил специальный выпуск, посвященный революционным рубежам нейробиологии. В гостях программы — выдающийся нейробиолог, специалист по стволовым клеткам, профессор психиатрии и поведенческих наук Стэнфордского университета Серджио Паска. В центре дискуссии находится разработанная в его лаборатории прорывная технология создания «ассемблоидов» — трехмерных клеточных структур, позволяющих воссоздавать живые цепи человеческого мозга в лабораторной чашке Петри для детального изучения и лечения сложнейших психиатрических и неврологических заболеваний.
🧫 От стволовых клеток к мини-органам: Что такое органоиды 4:12
Для понимания сути ассемблоидов необходимо вернуться к базовым понятиям клеточной биологии. Долгое время изучение живого человеческого мозга оставалось практически невыполнимой задачей из-за его физической труднодоступности — ученые называют это «вынужденной и невыносимой изолированностью человеческого мозга внутри черепной коробки». В отличие от других органов, у живого пациента нельзя просто так взять биопсию мозга для исследования. Попытки использовать животные модели (например, мышей) для изучения таких тонких состояний, как расстройства аутистического спектра, по словам Серджио Паски, малоэффективны, так как поведение животных принципиально отличается от человеческого.
Ситуация кардинально изменилась примерно 20 лет назад. До этого исследования стволовых клеток были сопряжены с жесткими этическими и политическими ограничениями, поскольку их приходилось извлекать непосредственно из человеческих эмбрионов. В 2006 году японский ученый Синъя Яманака совершил революционное открытие, сопоставимое, по мнению Паски, с «клеточной алхимией». Он экспериментально доказал, что любую уже дифференцированную клетку взрослого организма (например, обычную клетку кожи) можно «перемотать назад во времени», вернув её в эмбриональное состояние.
Яманака проанализировал основные гены, активно экспрессирующиеся в эмбриональных стволовых клетках, и методом комбинаторного подбора обнаружил уникальный коктейль.
Ключевые особенности этой технологии:
- Для перепрограммирования достаточно всего четырех специфических генов, которые вводятся в клетку кожи.
- Полученные клетки называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPSCs).
- Они обладают двумя фундаментальными свойствами: способностью превращаться в абсолютно любой тип клеток человеческого тела (нервные, мышечные и т.д.) и способностью к самообновлению в течение долгого времени.
- Этот метод полностью неинвазивен, а полученный биоматериал можно хранить, замораживать и пересылать в другие лаборатории по всему миру.
Около 10 лет назад ученые перешли от простых двумерных культур клеток на плоских чашках к трехмерному выращиванию. Так появились органоиды (от греческого «подобный органу») — трехмерные скопления клеток, которые частично моделируют структуру и функции реальных органов. Профессор Паска подчеркивает, что органоид мозга — это не «мозг в миниатюре» и не копия цельного органа, а лишь точечная модель его отдельных областей или тканевых характеристик.
🧠 Сила самоорганизации и рождение ассемблоидов 11:24
Главное чудо биологии органоидов заключается в феномене самоорганизации. Серджио Паска признается, что в начале своего пути он рассуждал как инженер: полагал, что для построения нейронной цепи в чашке необходимо знать детальный чертеж и вовремя предоставлять клеткам нужные инструменты и молекулярные сигналы, подобно строительству дома. Однако выяснилось, что живые клетки уже содержат в себе генетические инструкции. При контакте с другими клетками запускаются каскады новых инструкций, формируя упорядоченные структуры из изначально однородной массы. Этот фундаментальный принцип упорядочивания материи известен в физике и химии еще с XIX века (например, конвекция Рэлея — Бенара), но биология выводит его на принципиально новый уровень.
При этом человеческий мозг невероятно сложен и гетерогенен. В отличие от относительно однородной печени, в мозге, согласно последним научным оценкам, насчитывается около 2000 изолированных типов клеток, рассредоточенных по разным ядрам и областям. Высшие функции мозга рождаются исключительно из их взаимодействия.
Чтобы заставить разные типы клеток коммуницировать, лаборатория Паски создала метод «ассемблоидов» (слово образовано от процесса сборки — assemble). Ученые выращивают органоиды разных зон мозга отдельно, а затем физически сближают их, позволяя силам самоорганизации сотворить новую нейронную сеть.
Примером такого процесса служит воссоздание коры больших полушарий:
- В развивающемся мозге человека возбуждающие нейроны рождаются непосредственно в самой коре.
- Тормозные нейроны (ГАМК-ергические) закладываются глубоко в подкорковых структурах.
- В период третьего триместра беременности тормозные нейроны начинают масштабную миграцию, буквально ползком преодолевая огромные по клеточным меркам расстояния, чтобы добраться до коры и установить идеальный баланс сил. Нарушение этого баланса (избыток возбуждения) ведет к эпилепсии.
В ассемблоиде ученые соединили органоид, производящий возбуждающие нейроны, с органоидом, генерирующим тормозные нейроны. Наблюдая за ними, исследователи впервые воочию увидели уникальное зрелище: тормозные клетки начинают «вынюхивать» направление к коре и совершают миграционные прыжки длиной около 40 микронов каждые три часа.
⏱️ Внутренние часы клеток и секрет долголетия в чашке Петри 15:03
Одно из самых поразительных открытий лаборатории Паски произошло случайно около 10 лет назад из-за банальной нехватки финансирования. Профессор потребовал от сотрудников провести ревизию инкубаторов и утилизировать все ненужные и старые клеточные культуры, чтобы сэкономить деньги на дорогостоящей питательной среде. Один из исследователей спросил, нужно ли выбрасывать образцы, которым уже исполнилось 300 дней. Паска был шокирован: до этого момента никто не предполагал, что трехмерные скопления клеток способны выживать вне организма так долго. На сегодняшний день стэнфордская лаборатория удерживает мировой рекорд по поддержанию самых долгоживущих культур органоидов — они могут существовать годами.
Изучая эти долгоживущие органоиды, ученые обнаружили феномен «внутренних биологических часов». Клетки в чашке Петри не видят смены дня и ночи, не получают сигналов от материнского организма, но при достижении возраста примерно в 9 месяцев они синхронно меняют экспрессию генов и свои функциональные свойства, переходя от эмбрионального состояния к постнатальному (состоянию новорожденного ребенка). Они с поразительной точностью знают, когда должны были бы «родиться».
Этот календарь жестко детерминирован эволюцией:
- Человеческие клетки переходят на постнатальный этап строго через 280 дней.
- Аналогичные органоиды из стволовых клеток шимпанзе или мышей завершают этот цикл гораздо быстрее, в точности копируя период гестации своего биологического вида (например, три недели для крыс).
Молекулярный механизм работы этих часов до сих пор остается неразгаданным. Жизнедеятельность клеток поддерживается искусственно: их вручную «подкармливают» специальным химическим бульоном (медиа), содержащим глюкозу, незаменимые аминокислоты и липиды (жиры).
🔬 Синдром Тимоти: Детективная работа против аутизма 24:49
Профессор Паска изначально пришел в фундаментальную науку из клинической медицины, будучи движимым желанием помочь пациентам с расстройствами аутистического спектра. В качестве модели для калибровки своих методов его лаборатория выбрала синдром Тимоти — редчайшее генетическое заболевание, вызывающее тяжелую форму аутизма, умственную отсталость, 60 приступов эпилепсии в день и опасные пороки сердца, из-за которых многие дети погибают в раннем возрасте. Во всем англоязычном мире сейчас насчитывается всего около 30–40 живых пациентов с этим диагнозом.
Причиной этого страшного недуга является точечная мутация — замена всего лишь одной «буквы» в генетическом коде, отвечающем за построение кальциевого канала в мембране нейронов. При передаче импульса этот канал открывается, пропуская ионы кальция внутрь клетки, трансформируя электрический сигнал в химический. Из-за мутации канал остается открытым на ничтожную долю секунды дольше, чем нужно, что приводит к избыточному накоплению кальция и буквально отравляет клетку. Поскольку эта мутация присутствует во всех клетках тела, её нельзя просто исправить с помощью технологии CRISPR в живом мозге.
Вырастив ассемблоиды из клеток кожи пациентов с синдромом Тимоти, команда Паски детально восстановила всю цепочку нарушений: из-за избытка кальция нейроны теряли способность нормально мигрировать и выстраивать связи.
Спустя 15 лет упорных исследований ученым удалось совершить чудо:
- В ходе масштабного скрининга была найдена короткая молекула нуклеиновой кислоты (антисмысловой олигонуклеотид).
- При добавлении в чашку эта молекула проникает в дефектные клетки и точечно корректирует процесс считывания гена кальциевого канала.
- Всего за пару дней терапия полностью восстановила нормальную работу каналов и исправила все клеточные дефекты, накопленные за годы болезни.
Поскольку классические мышиные модели с этой мутацией не воспроизводили симптомы человеческой болезни, ученым пришлось разработать уникальный метод in vivo тестирования. Они начали пересаживать человеческие органоиды в мозг новорожденных крыс. Развиваясь вместе с животным, человеческая ткань приживалась настолько успешно, что со временем занимала до одной трети полушария мозга крысы, что отчетливо фиксировалось на МРТ. На этой живой химерной модели ученые смогли безопасно протестировать созданное лекарство, доказав, что оно эффективно работает в живом организме и не токсично для человеческих нейронов. Сейчас Стэнфорд завершает подготовку к первым в истории клиническим испытаниям этого метода на реальных пациентах.
🫀 Трехчастные и четырехчастные цепи: Моделирование паралича и боли 32:02
Успех с двухкомпонентными ассемблоидами подтолкнул команду Паски к воссозданию более протяженных и сложных анатомических магистралей нашего тела. Около пяти лет назад они замахнулись на реконструкцию кортикоспинального тракта — двигательного пути, отвечающего за любое наше осознанное движение. В учебниках биологии эта цепь выглядит просто: нейрон коры посылает длинный отросток в спинной мозг, там соединяется со вторым (моторным) нейроном, а тот идет к мышце, заставляя её сокращаться.
Чтобы повторить это в лаборатории, ученые объединили три элемента: органоид коры, органоид спинного мозга и сформированный в виде плотного шарика образец человеческих мышечных клеток, взятый при биопсии. Клетки продемонстрировали невероятную точность: нейроны коры самостоятельно проросли в спинной мозг, нашли там нужные двигательные клетки, те, в свою очередь, протянули связи к мышечному шарику, и вся эта искусственная трехчастная система начала спонтанно и ритмично сокращаться в чашке Петри. Подавая электрический стимул на нейроны «коры», ученые вызывали направленное сокращение мышцы. Сейчас эта модель активно используется для изучения паралича, вызываемого полиомиелитом и другими вирусами.
На создание еще более сложного, четырехкомпонентного ассемблоида ушло еще пять лет кропотливой работы. Ученые воссоздали сенсорный путь — систему восприятия боли.
Она состоит из четырех последовательных звеньев:
- Нервные окончания на периферии (в коже/пальцах), содержащие специализированные рецепторы боли.
- Нейроны спинного мозга.
- Таламус (главный переключатель сенсорной информации в глубине мозга).
- Соматосенсорная кора больших полушарий.
На выращивание отдельных частей уходит около 100 дней, и еще 100 дней требуется клеткам, чтобы прорасти друг в друга и объединиться в единую цепь. Выращенные болевые рецепторы чутко реагируют на капсаицин — жгучее вещество, содержащееся в остром перце чили, генерируя электрический разряд. Как только все четыре части соединяются, их хаотичное до этого мерцание сменяется строгой синхронизацией: импульсы начинают направленно бежать от рецепторов через спинной мозг и таламус прямо к коре. По словам Паски, это доказывает, что мозг генетически запрограммирован «тренироваться» и синхронизировать свои цепи еще до того, как эмбрион получит первый реальный опыт взаимодействия с внешним миром.
С помощью технологии CRISPR ученые внедрили в эти ассемблоиды мутации реальных пациентов. Одни мутации вызывают у людей врожденную нечувствительность к боли, другие — мучительную гиперчувствительность (эритромелалгию). В ассемблоидах с «болевой» мутацией сигналы проносились с бешеной скоростью. В «нечувствительных» моделях активность клеток не исчезла совсем, но полностью разрушилась их координация — цепь перестала работать как единое целое.
🧊 Два пути боли и феномен «разума над материей» 41:29
Обсуждение темы боли вызвало живую дискуссию среди ведущих. Чак Найс напомнил о старом эксперименте на шоу, где Нил Деграсс Тайсон и он опускали руки в ведро с ледяной водой. Вода со льдом из-за растворения становится даже холоднее нуля градусов, вызывая невыносимое чувство жжения. Чак с криками выдернул руку почти сразу, в то время как Нил спокойно продержал её долгое время. На шутку Чака о том, что у Нила просто больше жировой прослойки на ладонях, Тайсон возразил, что он чувствовал боль точно так же, но смог сознательно ее игнорировать, применив силу воли.
Серджио Паска объяснил этот феномен с точки зрения нейроанатомии. Оказывается, в нашем мозге параллельно функционируют как минимум два независимых болевых пути:
- Сенсорно-дискриминативный путь. Он идет через таламус в кору и отвечает за сухую информацию: где именно болит (например, на указательном пальце) и какова интенсивность воздействия.
- Аффективно-мотивационный путь. Он задействует миндалевидное тело (амигдалу) и поясную извилину коры. Именно этот путь окрашивает боль в невыносимые эмоциональные тона, заставляя нас страдать и паниковать.
В клинической практике известны случаи (например, после точечного инсульта или при опухолях в области поясной коры), когда пациенты испытывают феномен диссоциации боли. Они говорят врачу: «Я отчетливо чувствую, что вы сильно сжимаете мой палец, мне больно, но это чувство не вызывает у меня абсолютно никакого дискомфорта или неприятных эмоций».
Профессор уточнил, что созданный в его лаборатории четырехчастный ассемблоид воспроизводит исключительно первый, чисто технический путь передачи болевого сигнала, поэтому искусственные клетки в чашке не «страдают» в человеческом понимании этого слова. Конечная цель этих исследований — разработка принципиально новых, не вызывающих зависимости анальгетиков. Паска считает абсурдным и печальным тот факт, что в XXI веке лучшие обезболивающие человечества (опиоиды) до сих пор производятся на основе макового сырья, открытого человечеством случайно тысячи лет назад, а не на базе глубокого научного понимания работы нервных цепей.
⚖️ Этические границы, нейроразнообразие и «глубокий аутизм» 44:06
Сближение лабораторных моделей с реальным человеческим мозгом неизбежно порождает серьезные этические вопросы. Серджио Паска разделяет их на три уровня:
- Этичность происхождения биоматериала. Кому принадлежат выращенные клетки? Ученый напомнил об историческом прецеденте Генриетты Лакс (Henrietta Lacks), чьи раковые клетки (HeLa) без её ведома десятилетиями использовались в лабораториях по всему миру, принося миллиарды медицинской индустрии, пока её семья жила в нищете. В Стэнфорде сейчас действует жесткое правило информированного согласия: доноры или их родители четко знают, как будут использоваться их клетки.
- Благополучие животных. При пересадке органоидов крысам ученые обязаны строго следить за тем, чтобы подопытные животные не испытывали физических или ментальных страданий.
- Появление эмерджентных свойств (сознания или разума). Паска решительно отвергает популярный сегодня в некоторых научных кругах термин «органоидный интеллект» (organoid intelligence). По его глубокому убеждению, интеллект — это свойство целостного живого организма, включающее в себя целенаправленное поведение и обучение. Ни один органоид в мире на это не способен, и антропоморфизировать куски ткани в чашке вредно для науки. Тем не менее, ученые уже регулярно собираются на масштабные конференции (подобные исторической конференции в Асиломаре в 1970-х годах по вопросам генной инженерии), привлекая философов, правоведов и журналистов для выработки регуляторных рамок.
В финале беседы Гари О’Рейли поднял тему концепции «нейроразнообразия», набравшей популярность в последнее десятилетие. Он провел историческую параллель с тем, как медицинское сообщество еще относительно недавно официально считало гомосексуальность психическим расстройством, требующим «лечения». Возникает резонный вопрос: где грань между патологией, требующей жесткого медицинского вмешательства, и просто альтернативным, уникальным устройством человеческого разума, которое делает нашу цивилизацию столь разнообразной? В качестве примера Нил Деграсс Тайсон привел архивное интервью с известным неврологом Оливером Саксом, страдавшим прозопагнозией (лицевой слепотой). Сакс признавался, что если бы ему в 17 лет предложили таблетку, полностью исцеляющую этот недуг, он бы отказался, поскольку именно эта особенность восприятия предопределила его уникальный интерес к нейробиологии и сформировала его как личность.
Серджио Паска согласился с тем, что эволюция держится на генетическом разнообразии и случайных процессах в период внутриутробного развития (даже у однояйцевых близнецов с идентичной ДНК в итоге разные отпечатки пальцев, хобби и сексуальная ориентация). Ни один вменяемый психиатр не хочет стирать эту индивидуальность.
Однако Паска призвал разделять легкие особенности спектра и то, что в медицине сейчас классифицируется как «глубокий аутизм» (profound autism). Пациенты, с которыми работает его лаборатория, полностью недееспособны: они страдают от десятков изнурительных судорог в день, не способны установить даже мимолетный зрительный контакт и до конца своих дней нуждаются в непрерывном уходе. Главный кошмар родителей таких детей — «что станет с моим ребенком, когда я умру?». Именно для таких разрушительных и тяжелых состояний ученые и ищут спасительное лечение.
Чтобы ускорить этот процесс, Стэнфордский центр под руководством Паски полностью открыл свои технологии для мира. Они проводят недельные интенсивные курсы, обучая ученых из других стран тонкостям выращивания ассемблоидов, словно на кулинарном шоу. К настоящему моменту они помогли внедрить эти методы более чем в 300 лабораторий по всему миру. По мнению Паски, масштаб задачи огромен (каждый четвертый человек на планете страдает от тех или иных ментальных проблем), и совершенно не важно, в чьей именно лаборатории — в Стэнфорде, Европе или Южной Америке — в итоге родится заветное лекарство.
