Исследователи из Университета Калифорнии (Сан-Франциско) и Медицинского института Говарда Хьюза (Гарвард, Массачусетс) предложили способ, позволяющий вырастить мозг млекопитающего из стволовых клеток.
Для начала, видимо, следует пояснить, для чего это могло бы им понадобиться. Идея вырастить себе новый мозг, если старый по какой-то причине не устраивает вас (или вашего работодателя), может показаться привлекательной лишь на первый взгляд. Однако на самом деле эта научная работа открывает новые перспективы главным образом для исследователей, изучающих развитие мозга и функции различных генов в этом процессе.
Традиционный подход генетиков к изучению функции любого гена — попытаться изменить или даже разрушить этот ген и посмотреть, что же изменится в жизни организма или в функционировании какого-то его органа. Разумеется, такие опыты проводят не на людях, а на лабораторных модельных организмах, к примеру мышах. Обычно изучение гена млекопитающего, в том числе и человека, начинается с выведения линии мышей, у которой аналогичный ген изменен. Как получить такую линию?
Млекопитающие — многоклеточные организмы, берущие начало из единственной клетки, и получение генетически модифицированного организма логично было бы начинать именно с этой клетки. Однако генетические манипуляции с оплодотворенной яйцеклеткой млекопитающих довольно затруднительны. Поэтому на практике исследователи чаще всего идут другим путем: требуемые генетические изменения вносятся в эмбриональные стволовые клетки, растущие в культуре. Затем эти клетки вводятся в развивающийся мышиный зародыш на стадии бластоцисты — полого шарика из клеток (зародыш человека проходит эту фазу на пятый-шестой день после оплодотворения, еще до прикрепления к стенке матки). Стволовые клетки становятся частью зародыша, и в результате формируется «химерный» организм: часть его клеток — потомки генетически модифицированной линии, введенной в бластоцисту, а остальные ведут свою историю от оплодотворенной яйцеклетки.
Затем, чтобы получить организм, целиком состоящий из клеток требуемого генотипа, мышей скрещивают между собой для получения чистой линии. Этот метод довольно трудоемок. Чтобы облегчить процедуру, доктор Фредерик Альт (один из соавторов работы, о которой здесь идет речь) еще четверть века назад предложил изящное решение. Если клетки зародыша, из которых впоследствии разовьется тот или иной орган, будут уничтожены, то их место может быть полностью занято введенными стволовыми клетками, генетически модифицированными для целей исследования. Таким образом, все клетки данного органа (а не их часть) будут нести требуемые генетические особенности, и в трудоемком этапе — нескольких раундах скрещивания мышей — не будет необходимости.
Тогда, в 1993 году, Фредерик Альт продемонстрировал такую возможность на клетках иммунной системы. В дальнейшем этот подход был использован для регенерации генетически модифицированного хрусталика глаза, почки, сердца и поджелудочной железы. Наконец 25 лет спустя дело дошло и до головного мозга. Этот опыт был поставлен все тем же Фредериком Альтом при участии его калифорнийского коллеги Бьорна Швера, а также их сотрудниками.
Исследователи вывели линию мышей, у которой клетки зародыша — те, которым суждено было дать начало переднему мозгу, — на раннем этапе развития погибали. Их убивал дифтерийный токсин, вырабатывающийся по команде специально введенного в мышей гена. После гибели этих клеток развивающийся мышиный зародыш был обречен появиться на свет без переднего мозга (то есть коры полушарий, гиппокампа и других важных частей). Но такая судьба ждала его лишь в том случае, если исследователи заблаговременно не вводили в бластоцисту стволовые клетки. Попав в зародыш, эти клетки охотно брали на себя функцию своих погибших коллег и развивались в нормальный мозг. Если же исследователи генетически модифицировали эти стволовые клетки, чтобы они несли определенную мутацию, тогда все клетки мышиного мозга также наследовали эту мутацию.
У полученных таким образом мышей был совершенно нормальный мышиный мозг. Более того, во всех поведенческих тестах они вели себя точно так же, как их соплеменники, чей мозг развивался обычным образом. При этом все клетки мозга этих мышей несли те генетические маркеры, которые исследователям заблагорассудилось туда вставить. К примеру, ученые внесли в мышиный мозг мутантный ген даблкортина — белка, управляющего, в частности, миграцией нейронов при развитии мозга. У людей подобная мутация вызывает тяжелую аномалию развития. У мышей, чей мозг был выращен из модифицированных стволовых клеток, наблюдались соответствующие аномалии развития гиппокампа.
Таким образом, предложенный метод может использоваться для моделирования наследственных заболеваний человека. Возможен, очевидно, и более прямолинейный подход: мышиный мозг может быть непосредственно заменен стволовыми клетками человека, чтобы получить межвидовую «химеру» — мышь с мозгом, выращенным из человеческих клеток. Надо отметить, что в настоящее время подобные эксперименты — получение химерных организмов с использованием тканей человека — считаются этически спорными, и уж точно серьезные возражения должна вызвать идея использовать в качестве человеческого компонента именно клетки переднего мозга. Кроме того, на этом пути исследователей ожидают и чисто технические трудности.
Тем не менее, по мнению экспертов, эта научная работа дает в руки нейробиологов мощный инструмент для исследования развития и эволюции мозга млекопитающих. Кроме того, метод расширит возможности изучения механизмов психоневрологических расстройств и нейрофизиологии человека.