Блок «Мозг» научно-просветительского проекта «Метафаза» завершила лекция Аллы Салминой и Станислава Юрченко. Ее тема — моделирование барьеров головного мозга (помимо широкоизвестного гематоэнцефалического, есть еще гематоликворный барьер) с позиций нейробиолога и физика. Такие модели нужны не только для скрининга лекарств, но и для изучения функционирования мозга, в том числе механизмов нейропластичности.
Заключительная лекция цикла «Мозг» — «Преодолевая барьеры: как изучают и моделируют мозг нейробиологи и физики». Ее прочитали два лектора: Алла Салмина, доктор медицинских наук, профессор, член-корреспондент РАН, заведующая лабораторией нейробиологии и тканевой инженерии, заместитель директора Института мозга Российского центра неврологии и нейронаук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, и Станислав Юрченко, доктор физико-математических наук, декан факультета биомедицинской техники, руководитель НОЦ «Мягкая материя и физика флюидов», руководитель стратегического проекта Bauman SmartBiomed, руководитель Кластера «Инженерия в науках о жизни» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Уникальные свойства головного мозга
Головной мозг человека содержит около 100 млрд нейронов, а также множество других типов клеток — это астроциты, микроглия, олигодендроциты, клетки эндотелия, эпителия и др. Астроциты окружают синаптически связанные нейроны и обеспечивают эффективную синаптическую передачу. Олигодендроциты образуют миелиновую оболочку отростков нейронов, которая обеспечивает их физическую изоляцию и передачу электрических сигналов на большие расстояния. Микроглия — это иммунные клетки головного мозга, которые устраняют чужеродные агенты или продукты разрушенных клеток.
Все эти клетки активно взаимодействуют между собой, кооперируются и конкурируют — из этих взаимодействий рождаются память, эмоции, обучение, регуляция функций других органов и систем. Мозг потребляет пятую часть всей энергии организма, а его клетки снабжают питанием капилляры, общая протяженность которых достигает 500 км.
С точки зрения физики и биомеханики, мозг — одна из самых мягких тканей в организме. Около 20% этой ткани занимает внеклеточный матрикс, образованный гликозаминогликанами, такими как гиалуроновая кислота, и связанными с ними белками. Клетки головного мозга взаимодействуют с внеклеточным матриксом, что обеспечивает работу различных сигнальных путей, а сам матрикс поддерживает механические свойства ткани.
Интересно, что механические свойства головного мозга различаются в разных его отделах. Например, в тех участках, где клетки активно размножаются и мигрируют, ткань мозга более мягкая. При различных патологиях механические свойства мозга также изменяются.
Головной мозг — это сложная иерархичная структура: на разных уровнях организации реализуются различные взаимодействия между клетками. Из-за этого даже при разработке упрощенной модели ткани головного мозга in vitro ученые сталкиваются с большим количеством трудностей. Часто для их решения бывают необходимы междисциплинарные подходы. Например, одна из проблем — создание функциональных биоматериалов, обладающих низкой жесткостью, которые могли бы использоваться при моделировании головного мозга «в пробирке».
Жидкости головного мозга
В мозге присутствуют три вида жидкостей: кровь, ликвор (цереброспинальная жидкость), тканевая (интерстициальная) жидкость. Кровь течет по крупным сосудам, которые, уменьшаясь в диаметре, превращаются в капилляры, снабжающие питательными веществами клетки. Мозг отличается высокой степенью васкуляризации: не более 10 рядов клеток находятся на удалении от капилляра.
Ликвор — это продукт фильтрации крови, который вырабатывается в желудочках мозга. Он напоминает плазму крови, хотя отличается от нее по солевому и белковому составу. Ликвор циркулирует как внутри мозга, в желудочках, так и снаружи, обтекая его поверхность. Роль ликвора состоит не только в поддержании гомеостаза ткани, но и в механической защите мозга: поскольку он погружен в жидкость, механические стимулы не повреждают его.
Все три вида жидкостей смешиваются в паренхиме головного мозга, во внеклеточном пространстве. Плазма крови, выходя из артерий, проходит через паренхиму и превращается в тканевую жидкость. Она забирает с собой токсичные отходы жизнедеятельности клеток, а ночью, во время сна, активируется дренаж мозга. Этот ток жидкости обеспечивает глимфатическая система (название указывает на клетки астроглии, играющие важную роль в этом процессе, и сходство с лимфатической системой). Удаление отходов через глимфатическую систему происходит, когда человек спит, и в том числе поэтому правильный режим сна настолько важен.
С точки зрения физики интересно, что движение жидкостей в ткани головного мозга может быть как потоковым, так и диффузным. Макроскопическое движение жидкости происходит потоковым образом, а диффузия обеспечивает микроскопическое перемещение растворенных веществ.
Нейропластичность — основа обучения и памяти
Мозг человека развивается и меняется на протяжении всей жизни. Даже во взрослом возрасте постоянно меняется структура синаптических связей между нейронами, происходит ремоделирование сосудов мозга и внеклеточного матрикса.
Во взрослом мозге продолжается нейрогенез — образование новых нейронов. Сам факт нейрогенеза во взрослом мозге человека до сих пор является предметом дискуссий, однако бо́льшая часть работ свидетельствует о том, что нейрогенные ниши локализованы в отдельных областях головного мозга, которые находятся в гиппокампе, рядом с желудочками мозга, а также в мозжечке, гипоталамусе и миндалевидном теле. Образующиеся в нейрогенных нишах нервные клетки могут мигрировать в ткань головного мозга и встраиваться в нейронные ансамбли. В зрелом мозге нейрогенез важен не только для адаптации к повреждению мозга, но и для его изменений при получении нового опыта.
Способность мозга адаптироваться к изменениям называется нейропластичностью. Благодаря нейропластичности мозг может постоянно обрабатывать информацию, поступающих от сенсорных систем, что делает возможными такие процессы, как память, мышление, выражение эмоций. При патологии — например, при деменции — пластичность мозга, напротив, снижается или утрачивается, это приводит к изменению поведения и появлению когнитивного дефицита.
На клеточном уровне нейропластичность обеспечивается нейроваскулярной единицей; эта структура включает в себя стенку микрососуда (основной клеточный элемент — клетки эндотелия и перициты), окружающие капилляр астроциты, а также нейроны и другие клетки, реализующие механизмы пластичности.
Нейропластичность сопровождается и метаболическими изменениями в клетках. Например, нейроны получают энергию в основном за счет окислительного фосфорилирования в митохондриях, а астроциты используют гликолиз. В ходе гликолиза астроциты вырабатывают молочную кислоту (она же вырабатывается при работе мышц) и снабжают ей нейроны, обеспечивая их энергетические потребности. Одновременно в активных регионах мозга астроциты способны выделять вещества, которые расширяют капилляры, что важно для увеличения локального притока крови, несущей достаточное количество питательных веществ и кислорода.
Обучение и память — важные проявления нейропластичности. При обучении или запоминании информации меняется структура отростков нейронов: на них возникают новые шипики. Чем больше на этих отростках шипиков, тем лучше нейрон формирует синаптические связи с другими нейронами и «запоминает» информацию. В долгосрочной перспективе такие нейроны могут передавать информацию другим для консолидации памяти. Нейрогенез напрямую задействован в механизмах памяти: экспериментально показано, что животные с высоким уровнем нейрогенеза лучше запоминают новую информацию.
Как восстановить пластичность мозга? Один из простых способов — здоровый образ жизни: физическая активность (молочная кислота из работающих мышц поступает в кровь и далее — в ткань мозга), правильный режим питания и сна, обогащенная (многостимульная) среда. Такой образ жизни позволяет дольше сохранять когнитивный резерв и не переходить в состояние когнитивной хрупкости. Также компенсировать пластичность мозга можно за счет фармакотерапии, применения новых технологий регенеративной медицины, генной терапии и др.
Любопытно, что чрезмерная пластичность и многозадачность могут быть вредны для для когнитивных способностей. Избыточная стимуляция нейрогенеза «вымывает» ранее усвоенную информацию: в этом случае человек будет хорошо помнить недавние события, но с трудом будет вспоминать более старый опыт. При деменции ситуация обратная: у пациентов с болезнью Альцгеймера нейрогенез подавлен, поэтому они хорошо помнят старые события, но не могут запомнить новую информацию.
Барьеры в мозге
В мозге есть несколько типов гистогематических барьеров. Один из самых известных — гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — отделяет мозг от крови и образуется эндотелиальными клетками многочисленных капилляров в паренхиме мозга. Другой барьер, гематоликворный (ГЛБ), отделяет кровь от цереброспинальной жидкости и образуется эпителием сосудистого сплетения в желудочках мозга.
Капилляры в составе ГЭБ имеют необычное строение. Входящие в состав ГЭБ клетки эндотелия образуют плотные контакты друг с другом, что обеспечивает низкую проницаемость барьера. Посредством диффузии через барьер могут проникать только очень маленькие молекулы (до 400 Да), а в переносе более крупных молекул участвуют специальные белки-переносчики.
ГЭБ защищает мозг от потенциально токсичных веществ, поддерживая постоянство среды в его ткани. Однако в медицине ГЭБ часто воспринимается как нежелательное препятствие, ведь через него также не проходят многие лекарства. Это одна из причин, почему в тестах на клеточных культурах препарат может показывать себя хорошо, а в организме оказываться неэффективным.
Интересно, что ГЭБ участвует в регуляции нейрогенеза и, следовательно, нейропластичности. Благодаря микрососудам и контролируемой проницаемости ГЭБ в нейрогенных нишах формируется определенное микроокружение, в котором нейральные стволовые клетки находятся в покоящемся состоянии. При поступлении же какого-то стимула — например, к изучению нового или запоминанию информации — гуморальное микроокружение меняется, в результате запускается процесс нейрогенеза.
ГЛБ и ГЭБ во многом схожи, однако в ГЛБ барьерную функцию выполняют эпителиальные клетки. При этом ГЛБ может быть проницаем для белков. Кроме того, ГЛБ задействован в продукции ликвора и даже в регуляции циркадных ритмов.
Как смоделировать барьеры головного мозга?
При создании моделей in vitro, которые бы позволяли отслеживать фармакокинетику лекарственных препаратов, важно отобразить особенности и ГЭБ, и ГЛБ. Получившаяся система должна быть физиологичной, чтобы максимально точно отследить процессы, происходящие с препаратом в ткани мозга. Наличие таких систем может помочь ускорить испытания лекарств.
Попытки разработать модель ГЭБ начались еще в конце прошлого века; гораздо меньше работ посвящены моделированию ГЛБ. Со временем модели барьеров постепенно усложнялись, однако всегда включали только один барьер.
В состав моделей барьеров может входить как один тип клеток, так и несколько. Источником клеток могут быть первичные культуры животного происхождения, также можно использовать клетки, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) человека. В последнем случае модель становится персонифицированной, пациент-специфичной: если иПСК получены от конкретного пациента, модель будет отображать свойства барьера, характерного именно для него.
Модели барьеров головного мозга in vitro могут быть статическими или динамическими. В статической модели клетки располагаются на мембранах, как на этажах, друг над другом, при этом мембраны с определенным размером пор разграничивают разные слои клеток. Движения жидкостей в таких моделях нет, что, конечно, не соответствует реальной ситуации в ткани, но такие модели являются простыми и могут использоваться для первичного скрининга лекарств. Клетки могут также находиться в гидрогеле: это позволяет воспроизвести в 3D-формате нейроваскулярную единицу. Динамические системы обеспечивают ток жидкости в модели, ведь напряжение сдвига (например, при движении крови по сосудам или ликвора в желудочке) необходимо для корректного функционирования барьера. Благодаря таким механическим стимулам клетки, образующие барьер, способны образовывать плотные контакты друг с другом. Такие динамические системы могут быть реализованы, например, на микрофлюидных чипах.
Команда консорциума Российского центра неврологии и нейронаук и МГТУ им. Н.Э. Баумана при поддержке Программы стратегического развития «Приоритет 2030» на протяжении нескольких лет занимается разработкой не имеющей аналогов двухбарьерной системы на микрофлюидном чипе, которая бы отображала работу ГЭБ и ГЛБ. Такая система включает в себя несколько каналов, каждый из которых образует компартменты, соответствующие кровеносным сосудам, желудочкам мозга или паренхиме. Эта междисциплинарная работа объединила биологов, врачей, инженеров, физиков, химиков.
Еще одно направление в рамках этого комплексного проекта — разработка цифровых двойников клеток, которые бы могли предсказывать их поведение. Хотя такие двойники не способны полностью заменить эксперименты, они могли бы их ускорить.
Технологии, которые могут быть использованы для моделирования «мозга на чипе», продолжают развиваться и усложняться. Например, сейчас перспективной считается 3D-биопечать, которая позволяет «укладывать» клетки в гидрогеле строго выверенным образом, например, за счет применения внешних электрических полей. Не менее интересно изучение молекулярных механизмов образования новых микрососудов (ангиогенез) в ткани головного мозга в норме и при патологии (в частности, при болезни Альцгеймера), а также разработка технологий управляемого ангиогенеза in vitro для решения задач тканевой инженерии (эти исследования ученых Российского центра неврологии и нейронаук и МГТУ им. Н.Э. Баумана поддержаны грантами Российского научного фонда).
Междисциплинарные усилия требуются и для решения других проблем моделей головного мозга in vitro, например, для обеспечения сосудами пациент-специфичных органоидов мозга.
Модели in vitro и in silico можно использовать не только для скрининга препаратов, но и для исследования нормальной или патологической работы клеток головного мозга, например, при нейродегенерации, ишемии, нейроинфекциях, нарушениях развития мозга.
Воспроизведение ткани головного мозга или его отдельных модулей in vitro является сложной задачей из-за ее постоянной изменчивости (пластичности), но именно это дает стимул к работе мультидисциплинарных исследовательских коллективов.