В лаборатории клеточных технологий МГТУ изучают искусственный мозг.
Российские исследователи разрабатывают устройство, подобное машине времени для клеток головного мозга. Цель – за несколько дней увидеть возможные заболевания главного органа человека через 20 лет. Возможно, в будущем не будет Паркинсона и Альцгеймера. Врачам и биологам Научного центра неврологии физики и инженеры МГТУ им. Н.Э. Баумана помогают разработать приборы, методы и системы для предсказания будущего.
В кластере Бауманки «Инженерия в науках о жизни», где работают ученые и инженеры научно-образовательного центра «Мягкая материя и физика флюидов» и на факультете биомедицинской техники, нас приветствовал нейрон.
С одной стороны, нейрон – это клетка – основа всего живого, – говорит декан факультета и руководитель научно-образовательного центра, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Станислав Юрченко. – А с другой – нейроны отвечают за первичную обработку информации, за работу самого загадочного органа нашего организма – мозга, за сознание, интеллект, чувства и даже гениальные открытия. Только представьте, что 1/5 всех усилий учёных в мире направлена именно на понимание того, что такое мозг, как он себя перестраивает, как развивается и стареет.
Как зарождается болезнь
Ученые говорят: благоприятные условия способствуют образованию новых клеток и связей в мозге на долгое время, а неблагоприятные – к его старению из-за накопления лишнего «мусора». При болезни Паркинсона это много неправильного белка альфа-синуклеина, при болезни Альцгеймера – бляшек из белка бета-амилоида.
– В мозге здорового человека те же белки присутствуют, но в правильной форме и в физиологически нормальных количествах, – говорит главный научный сотрудник и заведующая лабораторией Научного центра неврологии доктор медицинских наук, профессор Алла Салмина. – Важны они для взаимодействия клеток, пластичности мозга. Каждый из этих белков, выполняя оптимально свои функции, должен быстро удаляться из клеток и околоклеточного пространства, вовремя «дренироваться» тканевой жидкостью, что обычно происходит во время полноценного ночного сна.
При наличии у таких белков дефектов, которые искажают их форму или мешают выведению из ткани мозга, происходит накопление. Это постепенно ведет к повреждению и гибели клеток, а также к снижению когнитивных способностей человека.
Цель учёных, по Салминой, состоит в поиске неправильно свернутых белков как можно раньше и разработке способов их восстановления или удаления.
Симптомы могут отсутствовать до 15-20 лет, но при генетической предрасположенности к неврологическим заболеваниям или воздействии токсинов, неправильного образа жизни и прочего в мозге уже начинается накопление белков. Этот процесс протекает крайне медленно, и ученые стремятся как можно раньше обнаружить его и назначить пациентам профилактику. Важно отметить – пока речь идет только о профилактике, а не лечении!
Новый метод заглянуть в будущее
Неврологи разрабатывают новый метод поиска неправильного белка в ликворе или крови. Академик РАН Сергей Иллариошкин, директор Института мозга НЦН, возглавляет проект по разработке этого метода.
По словам руководителя исследования доктора медицинских наук Наталии Колотьевой, метод называется индуцированной конверсии альфа-синуклеина в реальном времени.
– В некоторой степени этот метод напоминает полимеразную цепную реакцию (ПЦР), – говорит Наталия Александровна. – Другие лабораторные методы могут затруднительно обнаружить особый белок на ранних стадиях болезни из-за его малой концентрации, поэтому используют метод амплификации – быстрого накопления. Патологический белок запускает реакцию повреждения нормальных белков в пробирке, и по мере накопления его можно регистрировать, делая вывод о наличии или отсутствии неправильного белка в организме человека.
Каким образом этот поиск должен проходить в наилучшем случае?
Начнем с искусственно синтезированных здоровых белков альфа-синуклеина. Затем к ним добавляем образец жидкости пациента, как приманку. Если запустится реакция и количество неправильно свернутых белков будет расти, это указывает на то, что в жидкости донора есть компонент, запускающий такую реакцию.
Вы словно создаёте в лабораторных условиях процесс, который вызывает образование болезненных белков в мозговых тканях.
– Да, но наша цель – за максимально короткий срок получить эффективную агрегацию неправильно свернутых белков. Если человек пока об этом не знает, наш метод выявит их. Неправильно свернутые белки могут быть в минимальных количествах, трудно определяемых другими методами, либо в ликворе, либо в крови.
– За рубежом работают над таким методом?
– Да, разумеется, однако на данном этапе никто не добился его оптимизации для скрининговых диагностических исследований. Недостатки заключаются в том, что диагностика занимает несколько дней (для определения количества патологических белков в пробирке), а разработано много вариаций метода, имеющих недостаточную воспроизводимость и чувствительность, что может приводить к ложноположительным и ложноотрицательным результатам.
– Для выделения белка, что предпочтительнее использовать: ликвор или кровь?
В настоящее время наша деятельность сосредоточена на обработке ликвора, но кровь более удобна для скрининга, поэтому необходимо создать протокол, работающий с обеими биологическими жидкостями одинаково эффективно.
Как процесс в лабораторных условиях протекает быстрее, чем в живом организме?
Формирование патологических белков в клетках происходит по разным причинам, и каждый механизм в этом процессе изучен недостаточно. В лабораторных условиях патологический белок сталкивается с множеством потенциальных связей, поэтому мы пытаемся регистрировать некоторые механизмы развития нейродегенерации в более простых условиях, чем в организме. Сотрудники МГТУ помогают нам ускорять реакцию.
– Каким образом вы ускоряете «возраст» белков в колбе, – спрашиваю я у Станислава Юрченко.
Мы занимаемся управляемой самосборкой в мягкой материи, дизайном явлений в жидкостях с помощью внешних полей. Активно исследуем различные режимы воздействия на коллоидные системы с белками электрическими и магнитными полями. Это позволяет более эффективно запускать реакции каскадного взаимодействия патологических и нормальных белков in vitro. Проект объединяет компетенции биологов, врачей, биохимиков, физиков и инженеров для создания удобного, высокочувствительного метода на новых физических принципах для диагностики нейродегенеративных заболеваний на ранних стадиях.
Мозг на чипе
В мире активно развивается технология «мозг-на-чипе» – упрощённая модель мозга, позволяющая изучать его развитие, старение и механизмы болезней. С её помощью можно также оценивать действие новых препаратов против Паркинсона, Альцгеймера и других заболеваний.
Модель нейрона. Фото: Наталья Веденеева.
Три года назад родилась идея совместной работы специализированных кадров в данном проекте, а с 2022 года сотрудники Баuman-университета и учёные НЦН объединились в единый научный консорциум.
– Целью стало воспроизведение на микрофлюидном чипе клеточных барьеров, которые ограничивают поступление лекарств из крови в мозг и регулируют выведение из него метаболитов или белков, – рассказывает руководитель исследования Алла Салмина. – Это гематоэнцефалический барьер (стенка микрососудов – капилляров, пронизывающих ткань головного мозга) и гематоликворный барьер (клеточный слой, который ограничивает кровь от ликвора). Гематоликворный барьер изучен в меньшей степени, чем гематоэнцефалический, но его активность чрезвычайно важна для работы головного мозга. Поэтому решили воспроизвести на чипе оба барьера, чего никто не делал раньше, «сложить» их, как конструктор из кубиков, и таким образом сделать условия для тестирования лекарств в таких системах более приближенными к естественным.
По сегодняшний день разработали несколько чипов разной архитектуры, поиск новых продолжается, в нём участвуют научные центры МГТУ им. Баумана: «Мягкая материя и физика флюидов», «Функциональные микро/наносистемы». В команде также химики, синтезирующие новые виды аналогов внеклеточного матрикса, физики, рассчитывающие оптимальные условия для заселения и оценки состояния клеток, клеточные биологи, работающие с культурами клеток, и специалисты многих других смежных направлений.
Что же это за штука, этот мозг на кристалле?
Вместо длинного рассказа ученый демонстрирует мне небольшие прозрачные платформы из пластика с каналами и камерами. В них культивируют разные клетки, включая те, которые повторяют два барьера.
– Мозг на чипе дополняется у нас цифровой виртуальной моделью ткани головного мозга, – продолжает Юрченко. – На ней моделируются все процессы: структурные, метаболические изменения клеток, движение тканевых жидкостей. Важно, что эта область требует компетенций в области физики конденсированного состояния, физики мягкой материи и фазовых переходов для построения новых классов математических моделей. Другой пример – создание цифровых платформ для анализа данных с применением технологий машинного обучения. Клеточные биологи обычно тратят много времени, к примеру, выявляя живые и неживые клетки, а мы сделали алгоритм, обучив нейросеть, благодаря которому эта работа ускоряется в несколько раз. Фактически, эти результаты должны кратно ускорить процесс клеточных исследований, помогая развивать передовые направления биомедицинской инженерии.
– Я еще слышала про работы с мини-мозгом. Что это такое?
– Это очень условное название. Речь идет о клеточных структурах, которые можно получать in vitro из стволовых клеток, – говорит Алла Борисовна. – Такие модели удобны для решения задач персонифицированной медицины. Кстати, барьеры мозга на чипе тоже можно получать с использованием клеток конкретного человека. Такие тест-системы ответят на вопрос, как лекарственный препарат проникает в ткань мозга данного пациента и насколько эффективно он там работает.
Проникновение через барьеры разное у каждого?
Конечно! Добавлю, что у нас есть ещё одно направление работы с моделями мозга – изучение процессов старения, естественных или ускоренных при нейродегенерации. Процессы, протекающие в организме десятилетиями, в мозге-на-чипе или органоиде происходят за несколько дней. Это хорошие современные модели для оценки индивидуальной траектории старения.
Возможно ли создать дубликат мозга человека, который позволит ему увидеть возможные сценарии своего будущего?
– Да, но это не копия мозга, а упрощённая физическая модель некоторых его структурных модулей, например, взаимодействующих барьеров. В идеале её дополнит математическая модель – «цифровой двойник», – добавляет Станислав Олегович.
И все-таки они восстанавливаются!
Есть разные мнения о том, восстанавливаются ли нервные клетки.
– Абсолютно точно восстанавливаются! – утверждает Станислав Юрченко. – Но естественно, не призываем к тому, чтобы их специально портить.
– Растут ли они с нуля или способны к самообновлению?
В головном мозге есть область, в которой происходит формирование новых нервных клеток. Например, в гиппокампе, части мозга, находятся стволовые клетки. При воздействии внешних стимулов эти клетки начинают делиться и превращаться в нейроны или клетки глии.
– Какие сигналы необходимы для роста?
– Разные, но обычно связаны с обучением, запоминанием, – добавляет Алла Салмина. – Поэтому для предотвращения старения мозга важно получать и анализировать новую информацию, запоминать, расширять социальные контакты, приобретать новые навыки – учиться играть на музыкальных инструментах, вышивать, конструировать, но только до тех пор, пока этим мастерством не овладеете в совершенстве, и оно не перейдет в разряд рутинных.
Повреждение мозга может стимулировать образование новых клеток. Сигналы из поврежденной зоны могут побудить нейрогенные ниши вырабатывать новые нейроны, которые заполнят дефект ткани и будут участвовать в обработке информации. Такие механизмы ограничены, и ученые до сих пор спорят о значении нейрогенеза для восстановления головного мозга. Из этого следует задача регенеративной неврологии: лучше заставить собственные стволовые клетки восстанавливаться или использовать трансплантированные?
Команда специалистов советует: эффективная работа головного мозга зависит от достаточного количества сна. Необходимо спать не менее 7-8 часов, желательно засыпать в промежутке между 22 и 24 часами. В это время мозг вырабатывает гормон сна – мелатонин. Во сне происходит очищение от измененных белков и метаболитов, нейрогенез и восстановление клеток и молекул.
Автор: Наталья Веденеева