Грамм нервных клеток, пожалуйста! Как победить старение мозга

Люди, верящие в науку, не сомневаются, что совсем скоро мы научимся отращивать утраченные конечности и менять органы по мере их старения. Но даже отчаянные мечтатели понимают: проделать то же самое с мозгом затруднительно. И ошибаются

Провести ремонт

C каждым годом в мозге взрослого человека становится все меньше и меньше нейронов: они отмирают как планово, так и внезапно.

Некоторое время убыль нейронов не мешает жить, но к старости мозг теряет уже столько нервных клеток, что это становится заметно: человек хуже соображает, постоянно что-то забывает, ему тяжело передвигаться. Еще недавно исследователи были уверены, что восполнить утрату нейронов нельзя. В конце ХIХ века испанский врач Сантьяго Рамон-и-Кахаль провозгласил: «Нервные пути у взрослых — это нечто застывшее, завершенное, неизменное. Все может умереть, ничто не возрождается». Долгие годы ученые не сомневались в истинности этого утверждения, но постепенно стали накапливаться свидетельства, что мозг все же умеет чинить себя — например, он делает это после травмы или инсульта.

Главная стратегия «ремонта» — передать часть функций, которые выполняли погибшие клетки, соседям. Но есть и более радикальный путь: наблюдения показали, что мозг выращивает новые клетки взамен утраченных! Сначала исследователи из Университетского колледжа Лондона обнаружили, что у нейронов вокруг поврежденного места начинают появляться длинные отростки — аксоны, которые соединяются с соседями, формируя новые связи. Через аксоны нервные клетки общаются друг с другом и передают всевозможные сигналы. А в 1969 году ученые из Каролинского института пересадили незрелые нейроны из крысиных эмбрионов в глаза взрослым крысам — и они прижились. Эти исследования доказали, что мозг можно «подновлять», а значит, старческая потеря нейронов обратима.

Чтобы проверить, можно ли использовать открытие на практике, ученые провели серию опытов с крысами, у которых была искусственно создана болезнь Паркинсона. Это одно из так называемых нейродегенеративных заболеваний, при которых у больных массово отмирают нейроны в определенных отделах мозга. Исследователи пересадили крысам нервные клетки, и очень скоро грызунам стало заметно лучше. Последовавшие затем опыты на людях с паркинсонизмом показали чуть более скромный, но тем не менее заметный результат. Вдохновленные им ученые в десятках лабораторий принялись совершенствовать новую технологию.

Взять из своих

Главный вопрос при пересадке нейронов: откуда брать нервные клетки? Если просто вырезать их из другого участка мозга, плохо работать начнет уже он. Чтобы не допустить такого, ученые пересаживают не зрелые нейроны, а их предшественники — нейробласты. Попадая в новое окружение, нейробласты созревают и становятся полноценными нервными клетками. В мозге взрослых животных нейробласты есть: именно они дают начало новым зрелым нервным клеткам по мере отмирания старых нейронов. Однако у людей предшественников нейронов очень мало, и использовать их как полноценный ресурс для пересадки не получится. В конце прошлого века нейробласты добывали из эмбрионов, а сейчас получить разрешение на опыты с ними крайне сложно — по этическим соображениям.

Но биологи нашли выход: используя достижения молекулярной биологии, они научились искусственно делать предшественники из уже взрослых клеток, причем из тех, что составляют не мозговую ткань, а, например, кожу. В середине 2000-х японские ученые под руководством Синъи Яманаки разработали способ возвращать зрелые клетки в «детское» состояние, воздействуя на них сравнительно небольшим набором биологически активных веществ. То, что получилось, назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками — iPSC, и при правильном «руководстве» извне они могут стать любыми другими клетками. iPSC делают из клеток именно того организма, которому требуется трансплантация. Иммунная система не считает их чужеродными и не запускает реакцию отторжения.

Плюрипотентные стволовые клетки превращают не только в «обычные» предшественники нейронов. Часто из них получают другие типы стволовых клеток, например те, что запускают образование кровеносных сосудов. В результате их работы в поврежденном участке мозга формируются новые цепочки нейронов и восстанавливается нарушенное кровообращение.

Место трансплантации выбирают исходя из того, какие области мозга сильнее всего пострадали. К примеру, при болезни Паркинсона отмирают нейроны хвостатого ядра среднего мозга, поэтому предшественники нервных клеток пересаживают прямо туда. Попав в новое окружение, нейробласты получают от соседей разнообразные сигналы, которые позволяют им «понять», каким нейроном стать.

Иногда используют и другую тактику — предшественники нейронов вводят в боковые желудочки мозга. Их стенки — своеобразные мозговые «колыбельные» предшественников нервных клеток, откуда они мигрируют в самые разные участки мозга. Пересадка нейробластов в желудочки имитирует нейрогенез — процессы, которые происходят при развитии эмбриона и при самостоятельном восстановлении поврежденных участков мозга. Это перспективный путь, но исследователям еще предстоит научиться контролировать перемещения клеток и, в случае если они заблудятся, направить куда нужно.

Прижиться и возглавить

Пересаживая предшественники нейронов, можно не только восстанавливать нормальную работу мозга, но прицельно вмешиваться в его деятельность, заставляя, например, в нужное время включать дополнительные ресурсы. Как показало исследование на мышах, проведенное в 2011 году, иногда пересаженные в головной мозг клетки не просто встраиваются в системы связей и принимают и подают сигналы, но и берут на себя роль начальников и руководят активностью нейронов-соседей. Менеджерский потенциал трансплантатов можно использовать постоянно или активировать по сигналу, скажем, запускать синтез наших естественных обезболивающих — эндорфинов, — именно тогда, когда голова «раскалывается». Или активировать работу «хранилища памяти» гиппокампа во время экзаменов. «Включателем» суперспособностей может служить вспышка света, приходящего по тончайшему оптоволокну. Подобные бионические системы, позволяющие активировать те или иные нейроны по требованию, уже тестируют на животных. Правда, чтобы нервные клетки реагировали на свет, предварительно нужно внести некоторые изменения в их геном. С людьми такие манипуляции производить нельзя, но ученые вовсю ищут другие способы управлять активностью нейронов.

Привить немного ума

Лечение разнообразных заболеваний — самая очевидная область, где можно применять пересадку нейронов. Однако в теории эта технология будет полезна и здоровым: повысить когнитивные способности в целом, «усилить» области мозга, которым не хватает активности, запускать необходимые биохимические сигналы «по требованию». На людях подобных исследований пока не проводили: все-таки трансплантация — полноценное хирургическое вмешательство со всеми присущими ему рисками. В современных реалиях комитеты по этике при университетах, которые обязательно оценивают исследования, неоправданного риска не допустят, особенно когда речь идет о мозге. Но ситуация вполне может поменяться, если опыты на животных покажут хороший результат. Тут перед учеными встанет уже другой вопрос: этично ли не делать трансплантацию, если это радикально улучшит качество жизни. И появление подобных вопросов будет сигналом, что в развитии человечества началась новая эра — эра настоящей научной фантастики.

Медицинская карта: победить природу

В будущем пересадка предшественников нейронов может стать универсальным способом подкорректировать работу мозга. И уже сегодня ее используют у людей для терапии нейродегенеративных заболеваний, в первую очередь болезней Паркинсона и Альцгеймера. В опытах на животных ученые при помощи трансплантации нервных клеток успешно побеждают и другие болезни, например эпилепсию и боковой амиотрофический склероз. Кроме того, пересадка нейробластов уменьшает негативные последствия травм головы и «подтягивает» недоразвитых мышат до уровня нормальных.

Болезнь Паркинсона

В лечении паркинсонизма терапия предшественниками нейронов достигла наибольших успехов. У больных неотвратимо погибают нейроны, которые вырабатывают одно из важнейших для мозга веществ — дофамин. По мере того как его количество уменьшается, пациентам становится сложнее двигаться, они теряют координацию и не могут унять постоянную дрожь в конечностях.

Один из способов восстановить нормальный уровень дофамина — пересадить больным новые нейроны, способные производить его. В конце 1980-х годов мексиканские исследователи впервые трансплантировали эмбриональные стволовые клетки (на их использование получали специальное разрешение) в мозг пациентов с паркинсонизмом. Клетки прижились, у прооперированных больных уменьшился тремор и ослабли другие проявления болезни.

С тех пор ученые разработали еще несколько методик пересадки нейробластов, многие из которых уже на стадии клинических испытаний. В 2013 году опыты по пересадке предшественников нейронов, «воспитанных» из клеток кожи (та самая технология искусственно созданных стволовых клеток iPSC), дали отличный результат на грызунах. Оказалось, что в развившихся из пересаженных клеток нейронах намного слабее проявляются характерные для паркинсонизма поражения. Если специалисты научатся надежно трансплантировать нейробласты и грамотно направлять их развитие, в будущем можно будет заменять поврежденные мозговые ткани на новые, которые частично или полностью устойчивы к проявлениям болезни.

Инсульт

При ишемическом инсульте нарушается кровоснабжение участка головного мозга, и там массово гибнут нейроны. Пересадка клеток-предшественников поможет заменить погибшие клетки и избежать тяжелых последствий. У перенесших инсульт крыс, которым трансплантировали нейробласты, лучше восстанавливались умственные способности, и вели они себя почти как здоровые грызуны. С людьми все оказалось сложнее.

Пересадку полученных различными путями предшественников нейронов в участки мозга, пораженные инсультом, за последние 15 лет пациентам проводили не раз. В каких-то исследованиях участвовало всего полтора десятка добровольцев, в других — полторы сотни. Одним людям вводили миллионы предшественников нейронов, другим — в сотни раз больше. Результаты во всех работах одинаковы: хуже никому не стало, побочных эффектов трансплантации нет, но и пользы от нее никакой. Через три месяца после инсульта пациенты, получившие клеточную терапию, восстанавливались ничуть не быстрее, чем те, кому вводили плацебо.

В чем причина неуспеха, сказать пока сложно. При инсульте отмирает большой участок мозга, и заново создавать нужно не только нейроны, но и питающие их сосуды, и нейроглию — особые «клетки-няньки», обеспечивающие нейроны «едой». С помощью одних нейробластов такой комплексный «ремонт» не проведешь. Плохая новость в том, что в ряде испытаний использовали как раз клетки, из которых могут получиться и нейроны, и сосуды, и многое другое. На результаты это не повлияло. Исследователи предполагают, что трансплантаты получают недостаточно информации от своих соседей о том, кем именно им лучше стать. Сейчас во многих лабораториях учатся создавать «правильную» среду для пересаживаемых клеток.

Фото: iStock (X6)