Стволовые клетки: смерть и бессмертие
В прошлом году под кожей у мышей из человеческих клеток вырастили зачатки человеческой печени. Эти зачатки подключились к кровотоку грызунов, стали расти и даже начали немного переваривать самих мышей.
Затем вышла большая публикация о том, как из клеток кожи макак наделали стволовых клеток и этим стволовым клеткам помогли стать нейронами. Их вернули макакам, у которых развивается болезнь Паркинсона, и клиническая картина болезни повернулась вспять.
Той же осенью была опубликована статья о том, как у одной мыши в Гарварде под кожей начали расти десятки ее клонов. Собственных. В этих комочках можно было увидеть развивающиеся хрящи, мышцы, кровеносные сосуды и нейроны. Или вот недавние новости: живые человеческие сперматозоиды получили из кожи мужчин. Взяли кожу, сделали стволовые клетки и развернули их в сторону сперматогенеза. Правда, дальше воспитывать их пришлось в мошонке у мышей, потому что сперматозоиды надо воспитывать — иначе они не будет плавать и преследовать свои сперматозоидные цели. Эксперимент удался. Сперматозоиды стали двигаться и вилять хвостиком.
Что такое стволовые клетки?
В каждой части человеческого тела есть заботливые клетки, которые постоянно пополняют истертые ткани. Ну вы знаете: кожа меняется за месяц, выстилка кишечника за неделю, кости перестраиваются за 10 лет. Но в целом вся эта конструкция с годами изнашивается и в итоге умирает. Но вот что важно: у нас есть клетки, которые помогают обновить не отдельные ткани, а сделать нечто большее — дать жизнь новому поколению. В организме в какой-то момент начинают работать половые железы. И в них появляются сперматозоиды или яйцеклетки, которые сливаются, и образуется зигота — клетка, с которой начинается деление и рост нового организма. Что интересно, зиготы человека, дуба и кита выглядят примерно одинаково. Но в их ядре разный набор наследственных задатков, поэтому получаются в итоге такие разные живые существа.
У этой клетки есть прямые предшественники, и череда делений связывает нас с бесконечной чередой поколений с бесконечно далекими предками. Эта линия называется «линия спор», а то, что вырастает на этой линии в каждом поколении и служит ее продолжению, это «сома» (тело). Для сомы, для каждого конкретного тела, тикает счетчик времени, и оно изнашивается; изнашиваются и отдельные его части, причем с различной скоростью. Некоторые органы необратимо. Например, нейроны головного мозга больше не делятся. Или клетки миокарда, которые сокращаются 100 000 раз в сутки — от первого удара, который случился, когда вы были размером с рисинку, и до последнего удара, на котором кончается жизнь. Эти клетки вообще не восстанавливаются — сколько есть, столько есть.
Возникает вопрос: а не можем ли мы каким-то образом в соме развернуть время вспять и снова получить те клетки, с которых начиналась наша жизнь?
Для этого надо понять, точно ли во всех клетках сомы есть все те наследственные задатки, которые есть в самых первых клетках. Такие клетки называются стволовыми.
Практика применения стволовых клеток
В 1952 году двое американцев, Роберт Брик и Томас Кинг, впервые сделали очень сложную, но важную вещь — пересадили ядро лягушки (то место, где находятся наследственные задатки) из одной яйцеклетки в другую. Это было первое клонированное животное в истории. Но когда они попытались взять ядро из соматической клетки (из выстилки кишечника), у них ничего не получилось. Они сделали так сто раз, но ничего не вырастало. Из чего следовал вывод, что наследственные задатки при росте тела частично утрачиваются в разных органах (а остаются только те, что нужны для работы данного органа), а значит сому нельзя омолодить. Это разочарование стало догмой, пока, как это часто бывает в биологии, не произошел очень важный прорыв, который перевернул все видение.
Всегда в науке должен появиться какой-то двоечник, которого отовсюду отчисляли, выгоняли, которого под честное слово взяли в аспирантуру и который не боится опровергать догму, такой человек на все смотрит как бы впервые. Это ровно тот случай. Речь идет о Нобелевском лауреате 2014 года, сэре Джоне Гердоне. Он получил рыцарское звание за свой эксперимент, который провел, будучи еще аспирантом. При этом в Итоне, где он учился, его выгнали из естественно-научного спецкласса. Как и во всякой такой истории, ситуацию спасла… мама. Она была учительницей физкультуры и очень верила в своего мальчика. Заметив, что ему нравится экспериментировать с жуками и гусеницами, она наняла ему репетиторов. С огромным трудом мальчик удержался в Итоне. Еще с большим трудом поступил в Оксфорд, где еле доучился до конца, потому что в те времена обучение в Оксфорде состояло из заучивания бесконечного количества названий костей динозавров — никакой экспериментальной науки.
Но дальше ему повезло: он попал в аспирантуру к экспериментальному эмбриологу. В это время, в 1961 году, начали массово использовать новый объект — шпорцевую лягушку. Вы ее видели в любом зоомагазине: она похожа на бледную тряпку, которая полощется в аквариуме, и никогда нельзя точно знать, сдохла она или нет. Живут такие лягушки по 18 лет и замечательны тем, что размножаются круглый год. Это значит, что в лаборатории с их икрой можно поставить много экспериментов и не надо ждать весну. Гердон смог взять клетки выстилки кишечника такой лягушки и пересадить их в яйцеклетку. И все заработало. Гердон своим экспериментом доказал, что в соме, в любой ее части, вероятно, сохраняется весь набор наследственных задатков. И нам надо только придумать, как их включить и заставить работать.
Каждый новый вид животных давался науке очень трудно. Мышь и овцу клонировали в 1990-е годы. Но про известную овечку Долли выяснилась очень грустная вещь: оказалось, что она рождается старой. И в этой ситуации на сцену вышел Синья Яманака — хирург, который в детстве получил 11 переломов, занимаясь дзюдо, а сейчас бегает марафоны (то есть человек с фантастической стаминой и упорством). Он развернул открытие Гердона от лягушек к медицине и физиологии человека. Яманака перелопатил всю существующую литературу в поисках ответа на один вопрос: «Какие гены работают во всех стволовых клетках эмбрионов, даже самых ранних?» Очевидно, в них работает какой-то набор генов, которые нужны, чтобы этот комок ткани счастливо рос и чтобы потом из него можно было сделать нейроны, мышцы, кожу и прочее. Процесс его превращения в мышцы или нейрины называется «дифференцировка». И на начальном этапе важно, чтобы комку из недифференцированных стволовых клеток жилось хорошо.
Яманака нашел 24 гена-кандидата. Стал включать их в клетках сомы по одному — ничего не получилось. Тогда он стал пытаться включать все 24 гена. А это невероятная работа, успех которой не был гарантирован даже тысячей экспериментов. Со временем он смог сузить это число до десяти. Потом до четырех. А в 2008 году случился главный прорыв в этой истории. Яманака сделал разрез на щеке 36 летней женщины и сделал из клеток кожи стволовые клетки, включив в них те самые 4 гена. Подселил их под кожу мыши, у которой нет иммунитета (таким мышам можно подсаживать любые человеческие клетки, так как они их не отторгают), и под кожей у мыши стал развиваться кусок той женщины. Можно было увидеть хрящи, кости, мышцы, нейроны, кровеносные сосуды.
И это открыло шлюз, новую страницу в биологии. Сотни лабораторий но всему миру, тысячи биологов полностью посвятили свою карьеру изучению этой темы.
Перспективы применения стволовых клеток
Оказывалось, что из такой стволовой клетки получить нейрон или мышцу просто. Ремесленный рецепт этого дела таков: стволовая клетка должна попасть в естественное биохимическое окружение (то есть в мозг, в мышцу), в котором есть факторы, запускающие дифференцировку, и клетки начинают приобретать соответствующую специализацию.
Что мы в итоге получили? Представьте себе человека, который страдает от одной из болезней нервной системы. Раньше мы могли получить материал из его мозга для изучения этой болезни только после его смерти путем биопсии. Теперь мы можем брать у этого человека его кожу и получать из нее стволовые клетки. И из них мы можем быстро сделать сколько хотим нейронов, а потом поделить их и разослать по лабораториям всего мира. На них можно провести любые эксперименты и выяснять, почему они плохо работают или какие лекарства могут подействовать. В том же университете, где работает Яманака, другая группа получила из человеческой кожи сперматозоиды и яйцеклетки, которые открыли новую перспективу в лечении бесплодия. Также это открытие можно использовать в животноводстве и для скрещивания разных особей животных. Стволовую клетку можно брать сразу из эмбриона животного, тут же делать из нее сперматозоиды и яйцеклетки и получать за считанные недели поколения скота и огромное генетическое разнообразие для селекции.
Недавно в Японии запустили первое клиническое применение стволовых клеток Яманака. Есть самая распространенная причина старческой слепоты. Это макуладистрофия — когда по каким-то аутоимунным причинам отмирает самый важный кусок сетчатки. В новом исследовании у стариков взяли клетки из кожи, сделали из них стволовые клетки и стали растить в пробирке сетчатку. В апреле 2015 года им начали подсаживать эту сетчатку из их собственной кожи. Результаты были опубликованы через несколько месяцев…
