Мозги в банке: как криоконсервация изменит медицину
Научная фантастика постепенно превращается в реальность. Исследователи из Германии продемонстрировали поразительный эксперимент: после глубокой заморозки мозг мыши сохранил активность нейронов. Это открытие не только подтверждает, что сложные структуры мозга могут переживать экстремальные условия, но и приближает перспективу применения подобных методов к человеку. Подробнее о результатах этого эксперимента и о том, как криоконсервация может изменить медицину, — в материале «Известий».
В чем суть открытия?
Эксперимент немецких ученых, описанный авторитетным журналом Nature, показал, что мозг мыши способен частично сохранять функциональность после глубокой криоконсервации — результат, который еще недавно казался фантастикой. При обычной заморозке мозга проблема заключается в ледяных кристаллах. Они разрушают клеточные мембраны, делая восстановление тканей практически невозможным.
Решение нашли в особой быстрой заморозке, при которой жидкость внутри клеток становится стекловидной, без образования льда. Молекулы «замирают», сохраняя структуру тканей, а ключевые клеточные процессы остаются нетронутыми. Такой метод называют витрификацией.
Исследователи сначала проверяли его работу на срезах гиппокампа мышей — области мозга, отвечающей за кратковременную память и пространственную навигацию. Ткани обрабатывали раствором криопротекторов и мгновенно охлаждали до -196 °C, после чего хранили при -150 °C от нескольких минут до семи дней. После размораживания срезы анализировали под микроскопом и с помощью электрофизиологических тестов. Мозг показал удивительные результаты: нейроны реагировали на электрические стимулы почти как в живом мозге, мембраны оставались целыми, а митохондрии сохраняли метаболическую активность. Сохранялась даже долговременная потенциация — процесс, который заключается в укреплении связей между нейронами и считается физической основой для работы памяти.
Следующим шагом стала работа с целым мозгом мыши. Его хранили в стекловидном состоянии при -140 °C восемь дней. После размораживания срезы показали сохранение функциональных нейронных цепей гиппокампа, включая пути, отвечающие за формирование памяти.
Ученые отмечают, что уже есть предварительные данные о том, что кора человеческого мозга после такой заморозки тоже сохранит жизнеспособность, также рассматривается возможность применения метода к другим органам, например, сердцу.
Зачем заморозка человеку?
Главным направлением криоконсервации остается медицина, в частности — сохранение органов для трансплантации. Сейчас большинство донорских органов можно хранить всего несколько часов после извлечения, что создает огромную логистическую нагрузку: нужно быстро проверить орган на жизнеспособность и инфекции, найти подходящего реципиента, подготовить его к операции и доставить орган — иногда через полмира.
— Создание банков органов способно кардинально изменить эту ситуацию. Можно будет не спеша подобрать оптимальный по совместимости и проверенный на инфекции трансплантат, подготовить реципиента и провести операцию в максимально безопасных условиях, — отмечает директор по науке крионической компании «КриоРус» Игорь Артюхов.
Помимо трансплантологии, технологии охлаждения уже применяются для защиты мозга в критических состояниях. Терапевтическая гипотермия помогает сохранять нервные клетки при травмах, инсультах и остановке сердца.
Результаты с мозгом мыши открывают перспективы для работы с более крупными органами, но масштабирование технологии остается серьезной задачей. Игорь Артюхов отмечает, что это не столько «барьеры», сколько довольно долгий путь, на котором основные проблемы уже известны: образование кристаллов льда, возможные повреждения при отогревании из-за повторного образования льда, а также токсичность криопротекторов, которые приходится использовать в высоких концентрациях, чтобы предотвратить образование кристаллов.
— Пока эти вопросы постепенно решаются на уровне небольших образцов тканей, переход к крупным органам резко увеличивает сложность. Это путь, на котором не видно ни заборов, ни пропастей, и который постепенно должен быть пройден, — добавляет Артюхов.
При этом, как подчеркивает биолог Евгений Мащенко, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН, говорить о приближении к пониманию того, как сохранить когнитивные функции даже относительно несложного мозга, пока преждевременно.
— Никто не знает, как мозг сохраняет информацию. Восстановить какие-то его функции после того, как он был разморожен, сложно: слишком тонкая структура, — отмечает он.
Чего не хватает для успеха?
Результаты немецких исследователей вызывают живой интерес научного сообщества, остается только понять, насколько значим этот эксперимент для нейробиологии и криобиологии. По мнению Игоря Артюхова, это действительно важный шаг.
— Результат появился не на пустом месте. В последние годы было несколько сопоставимых по значению достижений. Ранее уже показывали, что отдельные нейроны способны восстанавливать электрическую активность после криоконсервации в жидком азоте. Однако такие эксперименты обычно проводились на очень тонких срезах мозга, например, гиппокампа, — отмечает эксперт.
Главное отличие новой работы в том, что она демонстрирует восстановление активности в целом мозге.
— Здесь важна не только жизнеспособность отдельных клеток, но и сохранность нейронных сетей, — поясняет Артюхов. — Это показывает, что сама идея обратимого криосохранения мозга не противоречит современной биологии.
В ходе эксперимента ученые зафиксировали структурную целостность мембран, активность митохондрий и электрическую возбудимость нейронов. Механизм обучения и памяти также сохранился. Всё это позволяет рассматривать работу как принципиальный шаг на пути к обратимой криоконсервации мозга, хотя пока речи не идет о восстановлении сознания или когнитивных функций в полном объеме.
Артюхов обращает внимание на контекст. Он отмечает, что уже близкая, но отдельная тема — криосохранение целого животного. Так, для некоторых мелких организмов она уже решена.
— Например, из колымской вечной мерзлоты извлекали и отогревали коловраток и нематод, пролежавших там в замороженном состоянии более 40 тыс. лет. Для позвоночных рекорд составляет 92 года — сибирский углозуб, также найденный на Колыме. Что касается млекопитающих, обратимого сохранения с оживлением пока достичь не удалось, — объясняет ученый.
Что будет дальше?
Движение в сторону обратимой криоконсервации тканей, по словам Игоря Артюхова, идет медленно, но неотвратимо. Каждое новое достижение делает такие сценарии менее фантастическими и более предметными для научного обсуждения. Хотя между мозгом мыши и мозгом человека разница огромна, эксперт подчеркивает, что она носит чисто количественный характер и рано или поздно будет преодолена. По его оценке, первые эксперименты с крупными животными могут быть проведены в пределах десятка лет, максимум двух.
Артюхов отмечает, что перспективность технологии уже подтверждена, в том числе и экспериментом с мозгом мыши, хотя не все скептики с этим согласятся.
— Еще недавно утверждали, что обратимо сохранить головной мозг млекопитающего, даже мыши, невозможно. Сейчас приходится признать, что они ошибались. Теперь главная трудность состоит не в доказательстве принципа, а в том, чтобы научиться сохранять мозг животных всё более крупных размеров — крысы, свиньи и дальше. Вопрос про человека постепенно меняется: от «возможно ли?» к «когда?» и «как?», — говорит он.
Следующие шаги, по мнению эксперта, довольно очевидны. Во-первых, необходимо увеличивать объем сохраняемой ткани, проверяя при этом целостность больших нейронных сетей. Во-вторых, нужно совершенствовать методы быстрого и равномерного охлаждения и отогревания, чтобы избежать повреждений клеток.
Эксперимент с мозгом мыши открывает окно в будущее, где сохранение функций нейронных сетей в замороженном состоянии может стать частью медицины, трансплантологии и, в долгосрочной перспективе, фундаментом для научно обоснованных подходов к крионике.
