Стволовые клетки — медицина будущего
В последнее время в мировом здравоохранении активно развивается новое направление — регенеративная медицина. В отличие от медицины традиционной она эксплуатирует способность организма к самовосстановлению. Если же у пациента не хватает собственных резервов, методы регенеративной медицины позволяют их увеличить введением стволовых клеток, выращенных из обычных клеток самого больного. Уже сегодня регенеративная медицина предлагает пересадку тканей и даже целых органов, созданных в лаборатории.
Стволовые клетки. Матчасть
Чтобы понять, как работают биотехнологии будущего, разберемся для начала, что же такое стволовые клетки. Как известно из школьного курса биологии, все многоклеточные организмы, в том числе и люди, развиваются из одной-единственной зародышевой клетки — зиготы. Она содержит всю необходимую информацию для «построения» взрослого организма. Эта информация, как известно, записана в ДНК. При каждом новом делении из родительской клетки возникают две дочерние — с абсолютно идентичным генетическим кодом. Так почему же во взрослом организме мы имеем такое многообразие типов клеток? Они различаются по форме (сферические, продолговатые, пирамидальные, ветвистые и т. д.), размерам (от нескольких микрометров до нервных отростков метровой длины) и, главное, по функциям (одни переносят кислород, другие выделяют гормоны, третьи могут сокращаться, четвертые защищают организм от инфекций и т. д.).
Все разнообразие клеток взрослого организма происходит из зиготы в процессе, именуемом дифференциацией. Этот термин буквально и обозначает не что иное, как образование разных клеток из совершенно одинаковых. Спустя три-четыре дня после первого деления зиготы, клетки начинают различаться на молекулярном уровне по тому, как они «читают» свой генетический код. Образно молекулу ДНК можно сравнить с последовательностью букв в зашифрованном тексте: если читать все подряд, получается бессмыслица, но если знать ключ шифрования, то можно извлечь массу полезной информации. Так вот, дифференциация приводит к тому, что клетки начинают использовать разные ключи — и в результате каждая из них видит в последовательности свой собственный уникальный текст. Более того, при делении клетка-родитель передает свой ключ дочерним клеткам, а те могут при необходимости его изменить и передать в таком виде следующему поколению. Таким образом, последовательность ДНК у всех клеток остается одинаковая, но сами клетки разительно отличаются друг от друга.
Придумав свой собственный ключ к расшифровке ДНК, клетки тут же забывают старый, поэтому в обычных условиях дифференциация — процесс необратимый. Кроме того, ключи взрослых клеток настолько разные, что они не могут превратиться в другой класс: мышечные клетки никогда спонтанно не станут нервными или какими-либо другими, и наоборот.
То ли дело стволовые клетки! В самом широком смысле — это такие клетки организма, которые а) способны активно размножаться и б) потенциально могут развиться в несколько разных классов. То есть, используя нашу терминологию, они способны перенять чужой ключ шифрования и передать его своему «потомству».
Стволовые клетки различают по их «потентности», то есть по диапазону клеточных классов, в которые они могут трансформироваться. Например, в любом взрослом организме есть некоторое количество мультипотентных стволовых клеток. Они играют важную роль в постоянном обновлении клеток крови, заживлении ран и восстановлении функций поврежденных органов. Но таких клеток немного, и они могут развиться лишь в ограниченное число видов. Куда интереснее плюрипотентные стволовые клетки — эти могут дать начало абсолютно любой клетке взрослого организма.
Начало
Первые плюрипотентные стволовые клетки (ПСК) были обнаружены, естественно, там, где их и следовало бы искать, — в эмбрионе. Однако это вызвало (и до сих пор вызывает) справедливое возмущение широких общественных масс и даже призывы остановить все испытания с использованием стволовых клеток. Как всегда, наука нашла обходной путь, и даже не один. Во-первых, частично внимание было переключено на исследования потенциала взрослых стволовых клеток. Во-вторых, были разработаны методы получения эмбриональных стволовых клеток без разрушения эмбриона. В-третьих, ученые научились поворачивать дифференциацию вспять.
Именно за последнее открытие японец Шинья Яманака получил Нобелевскую премию в 2012 году. В 2006-м в журнале Cell («Клетка») он опубликовал результаты по выведению колонии мышиных ПСК из взрослых клеток. А уже в 2007-м в том же журнале он описал аналогичный эксперимент с клетками человека. Полученные стволовые клетки стали называть индуцированными ПСК (иПСК). Теперь ученые могут взять любую клетку взрослого организма (даже простой волос!) и превратить ее в любую другую через стадию иПСК. Процесс назвали перепрограммированием клеток.
От клеток — к органам
Не заставил себя ждать переход на следующий уровень — выращивание целых тканей из иПСК, полученных из взрослых клеток человека. Это и неудивительно, ведь биоинженерия тканей развивалась быстрыми темпами параллельно с технологией перепрограммирования клеток. Сегодня вырастить образец любой ткани уже не проблема. Можно даже заставить выращенную сердечную мышцу биться несколько часов в чашке Петри. Но совсем другое дело — создать полноценный трехмерный орган.
Первый пример развития трехмерного фрагмента органа из иПСК был опубликован в журнале Nature в 2010 году: ученые вырастили небольшой фрагмент кишечника. В это же время была обнаружена удивительная способность тканей к самоорганизации: как только число клеток в культуре достигает «критической массы», двухмерная пленка сворачивается в плотный комок — зародыш будущего органа. Таким образом уже был получен, например, человеческий гипофиз (в 2011 году), зародыш печени (в 2013-м) и даже зародыш головного мозга (в 2013-м).
Зародыш мозга, выращенный в пробирке
Основная проблема в выращивании больших органов — подача питательных веществ внутрь. Пока клетки находятся на поверхности либо в тонком слое выращенной в лаборатории ткани, обычной диффузии достаточно, чтобы обеспечить их всем необходимым. Но скорость диффузии уменьшается пропорционально глубине, на которой находится клетка. Поэтому после определенного утолщения внешнего слоя внутренние клетки просто умирают от истощения. В нашем организме эта проблема решается густой сеткой кровеносных сосудов, пронизывающей все внутренние органы. В случае же с органами из пробирки смоделировать развитие капилляров очень сложно.
Зародыши человеческой печени
Но и в этом направлении есть определенный прогресс. Например, японские ученые из Йокогамы, получившие зародыш человеческой печени размером с ластик на карандаше, вживили его мышам и наблюдали, как орган сам обрастает необходимыми ему кровеносными сосудами. Таким образом, какое-то время мышки жили с двумя печенями. Затем исследователи «убили» мышиную печень, и животные жили с человеческой.
Биозапчасти
В лаборатории профессора Дорис Тейлор (Техасский институт сердца) проблему создания кровеносных сосудов решают по-своему. Ученые берут уже готовые взрослые органы, аккуратно вымывают из них зрелые клетки и получают бесцветный стерильный белковый каркас (в основном состоящий из коллагена). Затем эту безжизненную оболочку заполняют новыми иПСК, полученными из пациента, нуждающегося в трансплантации. Далее клеткам дают какое-то время на дифференциацию и получают готовый орган, который не будет вызывать иммунного отторжения.
Интересно, что на самом деле не важно, из какого организма взят исходный орган для создания оболочки. Согласно новой технологии, можно беспроблемно пересадить человеку свиное сердце — как известно, свиные органы по размерам наиболее близки к человеческим. По словам ученых, свиные сердца даже предпочтительнее, так как они не ослаблены человеческими болезнями и попытками реанимации. Кроме того, они решают проблему донорства.
Но сердце — это не просто набор клеток в коллагеновом каркасе, оно должно прежде всего перекачивать кровь. Пока же в области биоинженерных сердец самым большим достижением была успешная пересадка крысе. После операции выращенное в пробирке сердце работало на 25% от полной мощности.
С другой стороны, простые органы вроде трахеи, роговицы или мочевого пузыря создать по такой технологии намного проще. Первая операция по пересадке трахеи, выращенной по технологии вымывания клеток из донорского органа и воссоздания путем ввода стволовых клеток пациента, была успешно проведена в Барселоне в 2008 году. Спустя более двух лет у пациентки не наблюдалось никаких признаков иммунного отторжения и трансплантат функционировал полностью. А в 2011-м в Швеции была проведена пересадка трахеи, созданной из нанокомпозитного каркаса со вживленными в него иПСК. Сам каркас был создан по технологии 3D-печати. Через месяц после операции пациент был выписан совершенно здоровым.
Вообще, идея использовать 3D-печать для создания трансплантатов находит все больше сторонников среди ученых и медиков. Например, ортопед Даррел Д'Лима из Сан-Диего занимается в буквальном смысле печатью хрящевой ткани. Она, в отличие от капризных внутренних органов, не нуждается в обильном кровоснабжении и не содержит нервных окончаний. Заменив чернила в обычном струйном принтере на взвесь стволовых клеток в геле, ученые слой за слоем воссоздают поврежденный хрящ. В будущем они надеются проводить весь процесс воссоздания поврежденной ткани внутри организма, чтобы вообще исключить необходимость трансплантации.
Трехмерная печать органов пока еще очень далека от прямого клинического применения, но вот технически более простая биопечать тканей уже становится на коммерческую основу. И если выращенные в чашках Петри «заплатки» для пережившего инфаркт сердца вызывают скепсис, то использование биоинженерных тканей для тестирования лекарств — вполне реалистичная перспектива.
Клеточная терапия
Следующая амбициозная цель регенеративной медицины — переход от трансплантации целых органов к пересадке стволовых клеток. Способные к активному размножению иПСК будут замещать поврежденные ткани и восстанавливать их функцию. Терапия с помощью стволовых клеток уже вернула зрение нескольким десяткам счастливых англичан. На очереди — восстановление сердечной мышцы после инфаркта, лечение диабета 1-го типа и возвращение чувствительности и подвижности парализованным конечностям.
А конечной целью регенеративной медицины является создание новых стволовых клеток непосредственно в организме пациента. Например, с помощью специально разработанных лекарств, вызывающих «обратную дифференциацию» определенных клеток. Первые экспериментальные вещества, возвращающие клетки в состояние стволовых, уже получены, но даже до клинических испытаний еще очень далеко.
Эпилог
В августе 2013 года потенциал стволовых клеток проявился в достаточно неожиданном свете: ученые под руководством профессора Марка Поста из Маастрихского университета (Нидерланды), взяв образец мышечных клеток коровы, вырастили в лаборатории достаточно говядины, чтобы приготовить из нее бургер. Первая публичная дегустация была проведена на канале BBC кулинарными критиками. По общему заключению котлета мало чем отличалась от нормального бургера, разве что не была такой сочной — ведь она совсем не содержала жира!
По словам создателей первого бургера из стволовых клеток, при соответствующем маркетинге открытие может произвести революцию в общественном питании. Но пока им нужно также подумать об удешевлении производства, ведь первый гамбургер обошелся в 330 тысяч долларов. Зато скорость роста вполне приемлемая — проект занял три месяца. Намного меньше, чем требуется, чтобы вырастить корову.
Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. db@onliner.by
