Органоиды мозга Гарварда развивались по человеческому «расписанию» более пяти лет

Главный результат эксперимента — не просто рекордная продолжительность жизни тканей. Корковые органоиды человека, которые ученые поддерживали в культуре более пяти лет, продолжали меняться и созревать в последовательности, напоминающей отдельные этапы развития человеческого мозга. Их клетки приобретали молекулярные признаки более поздних стадий, сохраняли нейронные структуры и активность, а также, по-видимому, несли устойчивую «запись» того, сколько времени развивались.

Что именно вырастили исследователи

Команда получила корковые органоиды из человеческих клеток, выделенных из образцов крови. Это небольшие трехмерные скопления нервной ткани размером примерно с горошину перца. 34 органоида пережили пятилетний рубеж. В рамках всего исследования ученые проанализировали 110 органоидов и почти 425 000 клеток в восьми возрастных точках, используя секвенирование РНК отдельных клеток, а также молекулярные, эпигенетические, структурные и функциональные методы.

Продолжительность эксперимента особенно важна потому, что прежние сопоставимые исследования позволяли выращивать человеческие корковые органоиды максимум около 694 дней. Новый результат более чем вдвое превысил этот ориентир и дал возможность наблюдать изменения, которые невозможно увидеть в опытах длиной несколько недель или месяцев.

Клетки не застыли на ранней стадии

Органоиды не остались в условно «зародышевом» состоянии. Со временем программы экспрессии генов менялись: от признаков внутриутробного развития клетки переходили к более поздним, в том числе похожим на постнатальные, состояниям коры. Состав клеток и наборы генов, связанные с созреванием, также соответствовали временным последовательностям, известным по образцам человеческого мозга.

Это не означает, что органоиды воспроизвели все этапы развития нормального мозга. Скорее, результаты показывают: по крайней мере часть нервных клеток способна продолжать собственную программу развития вне эмбриона и без многих сигналов, которые в организме поступают от других органов, органов чувств и сложной анатомии мозга.

Предыдущие исследования долгоживущих органоидов уже показывали, что на 250–300-й день в культуре они могут приобретать молекулярные особенности, напоминающие постнатальное развитие человеческого мозга. Новая работа распространила это наблюдение еще на несколько лет и дополнила его данными об эпигенетическом возрасте и созревании отдельных типов клеток.

Нейронные связи и электрическая активность сохранялись

В долгоживущих органоидах обнаружили возбуждающие нейроны и глиальные клетки, отростки нейронов и синаптические структуры. Ткани также демонстрировали спонтанную электрическую активность и реагировали на стимуляцию. Это указывает на наличие работающих нейронных сетей, а не только на выживание отдельных клеток.

Для моделирования развития мозга это существенно: многие заболевания нервной системы связаны с взаимодействием разных типов клеток и с процессами, которые разворачиваются постепенно. Культура, которую можно наблюдать и измерять годами, дает исследователям больше времени, чтобы определить, когда появляются определенные изменения и как они зависят от генетического фона или условий эксперимента.

Но электрические сигналы не равны нормальной работе мозга. Они не доказывают наличие мышления, обучения, памяти, поведения или сознания. У органоидов нет полной архитектуры и физиологической среды, необходимых для таких функций.

Эксперимент с «перемоткой времени»

Чтобы проверить, сохраняют ли клетки историю развития, ученые создали химерные культуры: объединили клетки, полученные из старых органоидов, с гораздо более молодыми клетками. Старые клетки не сбросили собственные часы и не перешли полностью на график молодых. Напротив, они быстро начали формировать типы нейронов, характерные для более поздних стадий развития.

Это говорит о том, что временная последовательность развития частично сохраняется внутри самих клеток. Устойчивые изменения в регуляции генов и эпигенетическом состоянии могут работать как своеобразный биологический архив. Попав в новое окружение, клетки продолжали использовать эту историю, выбирая, какие нейронные идентичности создавать.

Разумеется, речь не идет о том, что клетки обладают сознательным ощущением времени. «Запись хода времени» — удобное описание биологического состояния: активность генов и эпигенетические метки менялись в зависимости от возраста культуры. Это не следует путать с осознанием или субъективным опытом.

Возможности для изучения аутизма и шизофрении

Долгоживущие корковые органоиды могут помочь исследовать нарушения развития, биология которых проявляется постепенно. Из клеток пациентов можно будет сравнивать созревание, выбор клеточной судьбы, формирование сетей и взаимодействие нейронов с глией в течение более длительного периода. Кроме того, вмешательства можно тестировать на стадиях, соответствующих определенным этапам развития, а не только изучать ранний «снимок» культуры.

Такие модели потенциально пригодны и для получения более зрелых, точно определенных нервных клеток — например, в исследованиях заболеваний и будущих подходов к трансплантации. Однако это пока направления научной работы, а не готовые методы лечения. Результаты, полученные на органоидах, необходимо проверять в других экспериментальных системах; сами по себе они не объясняют, как именно заболевание развивается у человека.

Чего органоиды не могут показать

Корковый органоид — не миниатюрный человеческий мозг. Это упрощенная трехмерная модель отдельных аспектов развития коры. У него нет полноценного кровоснабжения, иммунной и гормональной среды организма, сенсорных сигналов, связей с телом, поведения и организованной дальнодействующей структуры целого мозга.

Из-за этого органоид может воспроизводить отдельные молекулярные события или свойства нейронных сетей, одновременно не отражая процессы, жизненно важные для мозга в организме. Поэтому он не способен самостоятельно моделировать нормальное мышление или всю биологию аутизма, шизофрении и других психиатрических состояний.

Электрическая активность также не свидетельствует о сознании. В описанной работе нет данных, позволяющих утверждать, что органоиды осознавали происходящее, чувствовали боль или обладали каким-либо опытом. Для таких выводов потребовались бы доказательства, выходящие далеко за пределы зарегистрированных клеточных и сетевых характеристик.

Почему органоиды в итоге уничтожили

В конце эксперимента долгоживущие органоиды собрали для анализа. Это позволило подробно изучить их клетки, активность генов, эпигенетическое состояние, структуру и связи между нейронами.

Такой финальный анализ — важная часть методики: невозможно непрерывно проводить все молекулярные измерения на одних и тех же живых клетках, не изменяя и не разрушая образец. Поэтому исследование одновременно зафиксировало многолетнюю траекторию развития и использовало анализ конечной точки, чтобы определить, во что органоиды превратились.

Итог можно сформулировать осторожно, но значимо: человеческие нервные клетки способны годами сохранять и проявлять отдельные элементы программы развития в лабораторной чашке. Это делает долгоживущие органоиды перспективным инструментом для изучения мозга и заболеваний, но одновременно напоминает о принципиальной разнице между полезной моделью нервной ткани и полноценным сознательным мозгом.