Пробив в невромедицината – човешки миниатюрни мозъци остават живи с години

Според популярната научна легенда преди 22 века Архимед извикал „Еврика!“, когато видял как водата прелива от ваната му. Именно с този момент на прозрение се свързва принципът, според който върху тяло, потопено в течност, действа насочена нагоре сила, равна на теглото на изместената от него течност. В зората на Научната революция пък паднала ябълка уж помогнала на Исак Нютон да осъзнае силата на привличане между небесните тела и така било поставено началото на теорията за всеобщата гравитация.

Но преди големите идеи идват техниките, необходими за прецизното измерване на реалността и за проверката на гениалните прозрения. Архимед разработва метод за определяне на обема на тела с неправилна форма, а Нютон създава мощни математически инструменти като диференциалното и интегралното смятане. Както някога отбелязва Нобеловият лауреат Сидни Бренър: „Напредъкът зависи от взаимодействието между техники, открития и идеи, вероятно именно в този низходящ ред на значимост.“

В сряда списание Nature представи постижение, което следва същата традиция. Вместо единично откритие то предлага техника, способна да отвори пътя към безброй други. Екип, ръководен от Паола Арлота от Харвардския университет, описва как е успял да поддържа човешки мозъчни органоиди живи в лабораторна среда до пет години – много по-дълго от постигнатото досега.

Тези органоиди нямат формата на истински мозък, но възпроизвеждат типовете клетки в него, генната експресия и някои етапи от организацията му, което ги превръща в изключително важен инструмент за неговото изучаване. Новият метод удължава периода, през който учените могат да наблюдават мозъчното развитие чрез подобни модели, и показва, че времето за клетките в тях протича със същата скорост, както в човешкия организъм. Това може да разшири не само фундаменталните познания за мозъка, но и разбирането за неврологичните заболявания и тяхното лечение.

Науката откри нова връзка между здравето на червата и болестта на Алцхаймер

Органоидите са създадени, за да преодолеят две големи ограничения пред изследователите – различията между хората и животните, използвани в лабораторни експерименти, и невъзможността мозъкът на жив човек да бъде изследван пряко по подобен начин.

Ноя Антон-Боланьос, съавтор на проучването, отбелязва, че „е постигнат огромен напредък при рака, сърдечносъдовите заболявания и други състояния, но много по-малък при мозъка“.

Според нея причината е не само, че той е значително по-сложен, но и че е уникално човешки орган. При хората пълното му развитие отнема две десетилетия.

„Психиатричните и невродегенеративните заболявания имат много значим генетичен компонент. Как бихме могли да го разберем, ако не използваме човешка система?“, пита испанската изследователка.

Органоидите предоставят възможност за изучаване на сложността на мозъка, но досега чрез тях можеха да се възпроизвеждат единствено ембрионални етапи от развитието му – приблизително съответстващи на първите месеци в утробата. Причината е, че отглежданите в лабораторни условия клетки, особено по-уязвимите като невроните, започват да се влошават, преди да достигнат следващите фази.

Екипът на Арлота разработва нов метод за култивиране, който позволява на невроните да продължат да съзряват в продължение на години вместо само няколко месеца. 

В отделен експеримент учените комбинират млади и зрели мозъчни клетки в един и същ органоид. Резултатите показват, че клетките своеобразно „помнят“ изминалото време. Подобно на наблюдаваното подмладяване на определени аспекти на кръвообращението при въвеждане на млада кръв в по-възрастен организъм, по-младите клетки препрограмират зрелите. Така те прескачат междинни етапи от развитието и само за две седмици произвеждат тип неврони, чието естествено образуване би отнело месеци.

Удължаването на периода от мозъчното развитие, който може да бъде наблюдаван, има и практически приложения, тъй като много признаци на неврологични заболявания се появяват едва след раждането.

Антон-Боланьос, която извършва тази работа в лабораторията на Арлота в Харвард, а днес ръководи собствена лаборатория в Университета в Утрехт, дава за пример болестта на Хънтингтън. Наскоро учените установяват, че това невродегенеративно заболяване има и компонент, свързан с развитието.

Нов имплант цели да „пренастрои“ мозъка на пациенти, претърпели инсулт

„Преди това не можеше да бъде изследвано, защото, макар човек да се ражда с мутиралия ген, симптомите се появяват едва в зряла възраст. Затова нямаше начин да се наблюдава какво се случва на клетъчно ниво през ранните етапи от развитието“, обяснява тя.

„Органоидите, които се развиват в продължение на години, вече ни позволяват да наблюдаваме пряко тези ранни фази, когато някои типове клетки може да са променени още в процеса на развитие, много преди появата на клинични симптоми.“

Освен че позволява създаването на по-дългосрочни модели на човешкия мозък, откритието, публикувано в Nature, един ден може да намери и медицински приложения, които надхвърлят използването на самите органоиди.

„Смятахме, че определени клетки са биологично фиксирани, но видяхме, че когато бъдат изложени на влиянието на млади клетки, те отново могат да произвеждат неврони“, коментира Антон-Боланьос.

„Представете си, че открием комбинацията от сигнали, които младите клетки подават на тези клетки, за да ги накарат да произвеждат неврони. Бихме могли да започнем да ги създаваме много по-бързо.“

Според нея подобна способност в бъдеще би могла да помогне за забавянето на невродегенеративните процеси.

Потенциалът на модела се дължи и на друго важно откритие. Учените установяват, че клетките в органоидите продължават да се развиват със същото темпо като клетките в човешкия мозък, въпреки че се отглеждат извън организма. С други думи, те запазват своеобразен вътрешен биологичен часовник.

Този часовник може да бъде проследен чрез химичните промени, които се натрупват върху ДНК с течение на времето. Именно той определя защо на човешките неврони са необходими години, за да достигнат пълна зрялост – особеност, която трудно може да бъде възпроизведена при лабораторни животни.

Така двегодишен органоид преминава през промени в гените, видовете неврони и връзките между тях, сходни с тези в мозъка на двегодишно дете. Това позволява на учените да наблюдават развитието на човешкия мозък в реалното му темпо в продължение на години.

Учени възстановиха движението и част от усещането в ръцете на парализиран пациент с помощта на мозъчен имплант и AI

Арлота, Антон-Боланьос и техните колеги ще предоставят всички събрани данни на научната общност. Те включват анализ на повече от 424 000 клетки, 110 органоида и информация за стареенето на ДНК в продължение на пет години.

„Предоставяме на научната общност огромно количество данни, така че други изследователи да могат да продължат да проучват тези въпроси, без да влагат всички ресурси, необходими за събирането им от самото начало“, пояснява Арлота.

Сандра Акоста, професор в Университета на Барселона и ръководител на изследователската група за модели на неврологични заболявания, обръща внимание на мащаба и качеството на новата работа. Според нея най-същественият резултат е, че „времевият ход на мозъчното развитие се запазва точно както в човешкия мозък“.

Това е важно, защото доказва, че човешките клетки съхраняват тази своя способност дори извън естествената среда на мозъка, което засилва надеждността на органоидите като изследователски модел.

Откритието има значение и за заболявания, при които моментът на настъпване на определени процеси е от решаващо значение. Акоста дава пример с лаборатория, изучаваща епилепсията. Един от важните типове неврони при това заболяване са калозалните неврони, които свързват двете мозъчни полукълба.

„Ако не мога да създам тези неврони в точния момент в органоида, състоянието, което възпроизвеждам, няма да бъде напълно същото като това при детето с епилепсия“, казва тя пред El Pais. „Затова е толкова важно всичко да бъде направено правилно.“

„С подобна технология ще можем да възпроизведем процеса почти съвършено, защото ще определяме много точно момента, в който трябва да се координира изграждането на електрическите връзки в мозъка, така че например да не се развие епилепсия“, допълва Акоста.

С течение на времето техническите подробности на новия метод вероятно ще бъдат забравени, както се случва с много научни постижения. Днес например малцина помнят инструментите, с които Архимед е измервал обема на различни тела. 

Но именно подобни инструменти често предшестват откритията, които променят света. Органоидите все още не са разкрили тайните на човешкия мозък, но вече разширяват територията, в която учените могат да търсят отговори.