Трансплантират човешка мозъчна тъкан на мишки

Екипът на проф. Серджу Паска от Станфордския медицински университет трансплантира лабораторно отгледана човешка мозъчна тъкан на генетично модифицирани мишки. Определят работата на учените като важен напредък в изучаването на развитието на човешкия мозък, който може да ускори изследванията, посветени на причините и механизмите на опустошителни разстройства като тежък аутизъм, епилепсия, шизофрения и церебрална парализа. Екипът открива в мишките и важен тип нервни клетки, който не е забелязван преди това в лабораторни култури, а се наблюдава само при аутопсия на човешки мозък.

Началото

Изучаването на молекулярно и клетъчно ниво на аутизъм, епилепсия и шизофрения е изключително трудно, защото мозъкът е не само един от най-сложните органи, но и защото живата мозъчна тъкан на човека е по същество недостъпна за изследователски цели.

Преди повече от десетилетие проф. Серджу Паска и колегите му описват това, което днес е известно като органоиди – триизмерни лабораторни култури, които наподобяват специфични области в мозъка. Променят човешки кожни клетки в стволови, които са в състояние да се трансформират в почти всеки тип клетки в тялото, след което ги принуждават да образуват самоорганизиращи се клъстери от мозъчна тъкан, чиято вътрешна архитектура е подобна на тази на веригите в мозъчната кора. Всичко това дава възможност на учените да съпоставят множество органоиди, които имитират различни мозъчни региони, а така се стимулира взаимодействието между тях.

Органоидите на човешкия мозък, които са клъстери от неврони, отгледани от човешки стволови клетки в петриеви панични, предлагат поглед към ранното невроразвитие, но те обикновено нямат кръвоносни съдове и нямат тяло, откъдето да изпращат и получават сигнали.

През 2022 г. проф. Паска и колегите му показват, че трансплантирането на органоиди от човешкия мозък в новородени плъхове позволява на невроните в структурите да узреят и да се свържат в сензорни пътища.

„Клетките, които имплантираме, носят генетичния материал на човека, от когото са получени, здрав или болен, а това ни позволява да изучаваме ефектите на заболяванията надолу по веригата в мозъчните клетки и вериги“ разяснява проф. Паска.

Две години по-късно екипът използва тези плъхове, за да оцени колко ефективни са лекарства, наречени антисенс олигонуклеотиди, срещу синдрома на Тимоти – тежко генетично заболяване, свързано с аутизъм и повишена уязвимост към епилепсия и шизофрения. Учените успяват да установят с точност молекулярния дефект на разстройството и по-късно откриват лекарство, кандидат за лечението му. Сега започват изпитвания за безопасност на лекарството във фаза 2.

В тези ранни модели изследователите вмъкват човешки присадки заедно със съществуващата и бързо растяща мозъчна тъкан на плъховете. Затова и по времето, когато човешките неврони в органоидите започнат да се разтягат, за да създават връзки, мозъчните клетки на гризачите вече са заели по-голямата част от пространството.

С настоящото изследване на екипа на проф. Паска този проблем вече не съществува. Решението се оказва във възможността да бъдат създадени генетично модифицирани мишки.

Генно модифицираните мишки, които приемат човешка мозъчна тъкан

В настоящото проучване екипът трансплантира самоорганизиращи се части от лабораторно отгледана човешка мозъчна тъкан или така наречените кортикални органоиди, в генно модифицирани мишки, отгледани така, че почти цялата им мозъчна кора липсва.

„Тези животински модели предлагат уникална възможност да се проучи как свързаните с болестите промени в човешките мозъчни вериги се проявяват в непокътната нервна система“, казва проф. Серджу Паска.

Учените създават генетично модифицирани мишки, така че по-голямата част от мозъчната кора и хипокампусът никога да не се развият. За да постигнат това, изпълняват няколко технически трудни стъпки, но успяват. Така създават мишки, които оцеляват, а здравословното им състояние е добро, независимо че липсват по-голяма част от кората и хипокампуса им.
След като достигат зряла възраст мозъците на апалиалните мишки съдържат едва 2% от еквивалентното кортикално съдържание на обикновените мишки като в същото време има достатъчно пространство, което човешките кортикални клетки да заемат.

„Откритията ни показват, че когато кортикалните вериги се губят много рано в развитието, кората може да не е единствено отговорна за всички функции, които традиционно й се приписват. Други мозъчни области могат да компенсират някои от липсващите кортикални вериги с развитието на мозъка“, обяснява проф. Серджу Паска.

На пръв поглед апалиалните мишки са почти неразличими от нормалните, но все пак учените откриват някои поведенчески особености. Например, походката им е по-предпазлива, което вероятно се дължи на нарушената координация на фината моторика и имат склонност да забравят повече.

Новородени апалиални мишки приемат човешки кортикални органоиди. Кортикалните органоиди са от здрави донори, които дават съгласието, си клетките им да бъдат трансплантирани в животни.

Получената значително разширена кухина в мозъка на мишките се оказва гостоприемна среда. Човешката тъкан оцелява, расте и развива работещите връзки с мозъка на мишките и с гръбначния мозък. Три месеца след трансплантирането на човешката тъкан, тя се разширява почти пет пети и запълва 90% от пространството. Интеграцията на човешки и миши неврони в мозъчните вериги протича с бързи темпове. Шест месеца след трансплантацията представянето на ксенокортикалните мишки на поведенческите тестове е подобно на нормалните мишки на същата възраст.

Важният тип клетки

Изследователите откриват в мишките важен тип нервни клетки, който преди това не успяват да забележат в лабораторни култури, а е наблюдаван единствено при аутопсия на човешки мозък. Това са клетки, които наподобяват неврони на фон Економо (VEN).

VEN са много редки и представляват един на всеки 90 000 кортикални неврона. Първоначално се смята, че са специфични за човека, но сега е известно, че присъстват и при човекоподобните маймуни, слоновете, делфините и китовете.

„Този тип клетки изглежда е особено уязвим при фронтотемпорална деменция, невродегенеративно състояние, което може да започне в средната възраст. При някои форми на заболяването тези клетки са значително по-малко. Ранните симптоми могат да включват промени в социалното поведение или трудности с езика, преди да се появят значителните проблеми с паметта“, обяснява проф. Паска.

Невроните на фон Економо не могат да бъдат създадени в лабораторна култура. „И все пак ето ги, откриваме ги в човешката тъкан на ксенокортикалните мишки. Сега можем да създадем тези редки клетки от здрав човек и да ги изучаваме на живо, за да научим повече затова какво правят. Или можем да извлечем клетки от пациенти с фронтотемпорална деменция или други неврологични състояния, да ги прехвърлим в тези мишки и да тестваме животните за клетъчни или неврологични корелати на поведенчески увреждания, а след това да открием и терапии за тях“, подчертава проф. Паска.

Липсата на кислород

За да докажат как този вид мишки могат да бъдат използвани за изучаване на болести, учените ги излагат в продължение на пет часа на ниски нива на кислород. Това причинява сериозни щети на кортикалната им тъкан с човешки произход. Лишени от кислород ксенокортикалните мишки имат проблеми с равновесието и походката, които са подобни на тези при деца с церебрална парализа. За разлика от тях, нормалните и апалиалните мишки не са засегнати.

„Откриването на причините за тази разлика може да даде информация за чувствителността на човешката нервна система към кислородния дефицит, да хвърли светлина върху механизмите, които са в основата на церебралната парализа, но и да осигури платформа за тестване на потенциални терапевтични стратегии“, коментира проф. Паска.

Резултатите

„Разбирането на човешкото невроразвитие и заболявания е ограничено от недостъпността на човешката мозъчна тъкан за експериментални манипулации. Трансплантацията на невронни органоиди в гризачи гостоприемници предлага обещаваща ин виво платформа за изследване на човешката невронна функция и разработването на средства за лечение“, пишат авторите в статия с резултатите, публикувана в научното списание Nature.

Според проф. Паска това позволява изучаването на човешката нервна тъкан на няколко нива – от гени и отделни клетъчни типове до вериги и функционални последици. „Можем да започнем да се питаме как свързаните с болестите човешки генетични изменения променят невронното развитие и веригите и дали потенциалните лечения могат да предотвратят или коригират тези промени“, казва още неврологът.

Важно е да се отбележи, че кортикалните органоиди предоставят поглед към развитието на заболяванията в човешкия мозък, но те не са миниатюрни мозъци и не са в състояние да произвеждат в пълен обем сложността на човешкия мозък. За сметка на това обаче позволяват на изследоватилети да изучават човешките невронни клетъчни типове и процесите на развитие, до които иначе достъпът е много труден.

За терминологията

Проф. Серджу Паска уточнява, че описания като хуминазирани мишки, мишки с човешки мозък или мини-мозъци не дават точна представа за това, което той и екипът му създават, защото: „Тези животни запазват миша нервна система, но съдържат по-голям обем човешка кортикална тъкан, която се развива, интегрира и формира връзки в нея.“ Наричат мишките ксенокортикални като свързват името с чуждата трансплантирана човешка кортикална тъкан.

За спазването на етичните граници

Проф. Паска подчертава колко е важно да бъдат спазвани етичните граничи, особено в контекста на настоящото изследване на научната му група. Екипът получава информация от специалисти по етика, невробиолози, философи, представители на пациентите и юристи.

През ноември 2025 г. той организира конференция, целта на която е да бъдат обсъдени етичните последици от използването на модели на човешки стволови клетки и тяхната трансплантация.

„Един основен аргумент постави под въпрос етиката на непровеждането на това изследване и той е свързан със страданието на стотици милиони хора, които страдат от неврологични разстройства, които днес са нелечими, но утре за тях може да има лечения, които ще открием, използвайки този модел“, казва проф. Паска.