Текст книги "Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир"

Автор книги: Рагувир Партасарати

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

Глава 8. Конструирование органов

Как мы узнали из предыдущей главы, эмбрионы, органы и любые другие объединения клеток организуются в ответ на сигналы, специфически распределенные во времени и пространстве. Группы клеток формируют целостные сущности с уникальными биологическими ролями и уникальными физическими характеристиками. Например, наша жировая ткань мягче мышечной – любому из нас легко это проверить. Недавно мы поняли, что физические свойства не только продукт формирования тканей и органов, но и фактор, вносящий свою лепту в этот процесс. Развитие влияет на вещественные характеристики, которые, в свою очередь, влияют на развитие, и эта регуляторная петля обратной связи пополняет инструментарий самосборки. В этой главе мы узнаем, какую роль физические свойства типа мягкости и жесткости играют в организации скоплений клеток, а затем исследуем каркасы, с помощью которых когда-нибудь будем выращивать органы вне тела.

Что чувствуют стволовые клетки?

За свою жизнь вы потеряете более тонны клеток, выстилающих стенки вашего кишечника¹. Вы этого даже не заметите, поскольку у вас постоянно появляются новые. Обновляются также клетки кожи, крови, иммунной системы и много чего еще. До своего появления на свет и в первые годы после него вы производили триллионы клеток множества типов: клетки печени, клетки мышц, клетки почек и так далее. Все они формировались в результате деления других клеток, и каждая из таких цепочек делений и специализаций восходила к стволовой клетке. Стволовыми называют клетки, которые еще не определились со своей идентичностью и сохраняют способность производить более одного типа клеток, включая новые стволовые клетки. Одиночная оплодотворенная яйцеклетка – это стволовая клетка, потомство которой представлено всем многообразием клеток тела. Во взрослом организме потенциал стволовых клеток ограничен гораздо сильнее. Например, стволовые клетки одного типа производят только клетки крови, включая и эритроциты, переносящие кислород, и иммунные клетки всех разновидностей. Стволовые клетки другой разновидности производят клетки эпителиальной выстилки кишечника, включая те, что всасывают питательные вещества, и те, что выделяют слизь или пищеварительные ферменты. Что же определяет, по какому из многих альтернативных путей развития пойдет стволовая клетка? Почему ее нестволовой потомок окажется, допустим, B-клеткой, дарующей иммунологическую память, а не каким-нибудь макрофагом, пожирающим отходы?

Ответ во многом зависит от диффундирующих молекул. Как мы узнали из прошлой главы, клетки реагируют на облака блуждающих молекул и настраивают экспрессию генов и другие активности, исходя из их локальных концентраций. К таким молекулам относятся гормоны, факторы роста и другие вещества, выделяемые одной клеткой и распознаваемые другой. Но для того, чтобы вершить судьбы клеток, их одних недостаточно. Недавно мы поняли, что столь же важный сигнал приходит от механической и вещественной компонент окружения.

Мозг мягкий, кости твердые, а мышцы не слишком мягкие, но и не слишком твердые. Каждая из этих тканей состоит из клеток и того, что находится за их пределами, – часто это густые сети из выделяемых клетками белков. В костной ткани в белковую сеть включаются минералы, но даже до минерализации этот материал примерно в 10 раз тверже мышечной ткани, которая, в свою очередь, примерно в 10 раз тверже головного мозга. Клетки и построенные ими каркасы влияют на жесткость, но может ли жесткость влиять на клетки?

В 2006 году Деннис Дишер и его коллеги из Пенсильванского университета опубликовали результаты важного и очень наглядного эксперимента². Авторы выращивали стволовые клетки, из которых могут формироваться как нейроны, так и клетки – предшественницы мышечной либо костной тканей, на субстратах (специальных гелях) разной жесткости, не меняя при этом состав окружающего их бульона. Оказалось, что стволовые клетки, выращенные на самых мягких субстратах, сходных по степени жесткости с мозговой тканью, превращались в нейроны; клетки, выращенные на средах средней жесткости, давали начало предшественницам мышечных клеток, а выращенные на самых жестких субстратах, сходных по жесткости с минерализованной костью, – предшественницам клеток костей.

Эти новообретенные идентичности проявлялись не только в форме клеток – ветвистой у нейронов, удлиненной у мышечных клеток и условно многоугольной у костеобразующих, – но и в профиле экспрессии их генов. Мы уже видели чудеса самосборки: клетки организуются в структуры, словно ткань, которая сама по себе сшивается в одежду. Но оказывается, эта ткань еще чудеснее, чем мы предполагали: на мягком матрасе она превращается в ночную рубашку, а на твердом черепе – в шлем.

В определении клеточной судьбы участвуют не только биохимические, но и механические сигналы³. Механика управляет и многими другими клеточными процессами, от распознавания прикосновений до восприятия звуковых волн, от ощущения гравитации растениями до различения верха и низа. В последние два десятилетия процветает механобиология – область, изучающая механическую сигнализацию. Многое остается неизвестным, но некоторые ключевые моменты уже прорисовываются. Один из них – важность каналообразующих мембранных белков (см. главу 2), конфигурация которых может зависеть от натяжения мембраны. Связь белков с внутренней или внешней средой позволяет открывать и закрывать трансмембранные ворота. Канальные белки могут реагировать на напряжение в липидном бислое: например, при растяжении бислой может утончаться, и соответствующее укорочение его гидрофобной сердцевины (см. главу 5) может подталкивать белки к принятию иной конформации⁴.

Второй обширный вопрос – передача информации о силах по сети физических контактов между внутренней и внешней средами клетки. Трансмембранные белки могут связываться – часто через посредников – как с внеклеточным матриксом, так и с внутренним скелетом клетки. Ощущая изменение натяжения в клетке или прилегающих структурах, белки способны менять конформацию. При такой перестройке могут, например, обнажаться места, ранее не доступные для взаимодействий, что приводит к изменениям в параметрах связывания или химической активности белков, а далее – к активации или подавлению факторов транскрипции. Представьте, что у растянутого белка открывается сайт связывания с белком – репрессором транскрипции (на рисунке слева); изолированный таким взаимодействием репрессор уже не может связаться с ДНК. Если же белок расслаблен, сайт связывания скрыт, и свободный репрессор может, случайно блуждая, добраться до ДНК и заблокировать экспрессию своего гена-мишени (справа). Рисунок предельно упрощен по сравнению с не до конца понятным еще и очень сложным реальным механизмом клеточного ответа, но суть отражает неплохо.

Белки растягиваются, даже когда все кажется неподвижным. Внутриклеточные механизмы никогда не пребывают в покое: моторные белки (см. главу 2) перемещаются, компоненты цитоскелета растут и сокращаются – да и вся клетка постоянно вытягивается. Сети внеклеточного матрикса не активничают, однако их жесткость определяет силу, равную и противоположно направленную той, с которой они невольно действуют, и задает тем самым натяжение чувствительных связующих с податливой структурой.

Механические сигналы и вещественные характеристики окружения формируют часть регуляторной схемы жизни и закладываются в решения, принимаемые клетками в ходе самосборки. Изучить процессы в деталях непросто, но в новейших исследованиях вырисовывается их общий вид. Рассмотрим вашу кожу, слоистую ткань, которая постоянно теряет поверхностные клетки и восполняет потери благодаря стволовым клеткам, залегающим в глубине. Когда кожа надолго растягивается, в ней образуются дополнительные клетки – создается больше кожи. Эта реакция способствует не только решению кожей ее повседневных задач, но и благоприятным исходам пластических операций.

Чтобы понять, как это работает, группы Бенджамина Саймонса из Кембриджского университета и Седрика Бланпена из Брюссельского свободного университета исследовали мышей, которым под кожу вводили расширяющийся гель⁵. Ученые обнаружили, что растяжение кожи приводит к усилению экспрессии генов, которые кодируют моторный белок и белки, участвующие в клеточной адгезии и формировании нитей цитоскелета. Кроме того, растяжение учащало деление стволовых клеток и увеличивало долю их стволовых потомков, готовых производить еще больше кожи. Связующим звеном между растяжением и выбором клеточной судьбы служили специфические факторы транскрипции, которые ученые смогли идентифицировать. Когда мышей лишали этих факторов, стволовые клетки переставали реагировать на растяжение кожи. Пока неясно, как эти регуляторные белки связаны с динамикой цитоскелета, но мы хотя бы начинаем находить отдельные фрагменты мозаики и можем надеяться, что дальнейшая разработка этой темы приведет, например, к совершенствованию методов лечения, требующих ускоренного восстановления кожи.

Жесткость не единственная физическая характеристика, которую клетки принимают в расчет в ходе развития. Мы состоим как из твердых, так и из жидких веществ. Кровь циркулирует по артериям и венам, и этот поток жидкости может подталкивать стволовые клетки к превращению в клетки, выстилающие кровеносные сосуды⁶. Все наши ткани, органы и внутренние пространства обладают специфическими жесткостью, вязкостью, эластичностью и другими физическими характеристиками, возникающими в прочной связке с развитием их клеточной архитектуры. Пока мы пытаемся глубже понять это сопряжение, заметно прогрессируют подходы к конструированию многоклеточных структур, чему сильно способствует стремительное расширение знаний о роли физической среды в развитии органов.

Органы на чипе

Если вам нужно новое сердце, почему бы его не вырастить? Мечта об органах, растущих в «чане» (биореакторе) и самостоятельно принимающих нужную форму, подобно фруктам в саду, невероятно привлекательна. Представьте, что вы можете заменить поврежденный глаз новым – вероятно, даже выращенным из ваших же клеток – или получить вместо раздробленного пальца орган из плоти и кости, а не чуждый телу протез. Помимо починки повреждений, сборка органов вне тела позволила бы нам изучать их развитие и испытывать лекарства без практических и этических затруднений, свойственных исследованиям органов внутри животных. Хотя наша реальность по-прежнему далека от такого наброска будущего, мы стремительно ускоряемся на этом пути, особенно преуспевая в отношении самособирающихся кластеров клеток – органоидов – и частично собираемых человеком органов на чипе.

Мы уже не один десяток лет выращиваем в лабораториях клетки животных (а также растений и грибов). Многое из того, что мы знаем о клеточной биологии – в том числе о структуре и динамике цитоскелета и о транспортировке грузов, – нам поведали как раз такие «культивируемые» клетки. Однако традиционно их наращивают в двумерном пространстве: размножающиеся клетки распределяются по чашке Петри, гелевой пластине или иной плоской поверхности, омываемые питательным бульоном.

Очевидно, такой подход не лишен ограничений. Слой клеток сердечной мышцы может ритмично растягиваться и сжиматься, но при этом не может сформировать такие, как в сердце, трубки и камеры. И объясняется это не только плоской геометрией. Как вы помните из прошлой главы, клеточные решения часто зависят от конфигурации контактов с соседями и градиентов морфогенов, но в двумерной и трехмерной средах эти характеристики различаются. Молекулярные, химические и механические сигналы трехмерной среды выступают важнейшими факторами в развитии органа.

Неестественность двумерных клеточных формирований стала очевидной больше века назад, и почти с тех же пор ее пытались преодолеть. Упомянутый в прошлой главе Росс Гаррисон в 1906 году сообщил, что вырастил нервные волокна в свернувшейся капле лимфы, поместив в нее фрагмент ткани лягушачьего эмбриона. В последующие десятилетия ряд исследовательских групп показал, что эмбрионы разных биологических видов можно разделять на клетки, которые, получив свободу в трех измерениях, способны собираться в агрегаты, воспроизводящие некоторые черты нормального зародыша⁷.

Со временем ученые поняли, что для функционирования клеток критически важна белково-углеводная сетчатая структура за их пределами – внеклеточный матрикс: он не только служит каркасом для органов и тканей, но и поставляет механические и химические сигналы, управляющие экспрессией генов и даже клеточными судьбами. В 1980-х, например, группа Мины Бисселл из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Калифорния) вырастила ткани молочной железы, способные выделять молоко под контролем соответствующего матрикса, наглядно этим показав, что полученные кластеры клеток не только выглядели, но и работали как положено. С помощью растущего арсенала методов трехмерного культивирования ученые затем начали выращивать и другие ткани, включая опухолевые. Эта отрасль получила сильный импульс к развитию в XXI веке, когда наши представления об основополагающих механизмах онтогенеза дополнились представлением об идеальных «семенах» для выращивания тканей – стволовых клетках.

Комбинируя техники манипуляций со стволовыми клетками и методы трехмерного культивирования, мы получаем поразительное разнообразие работоспособных самоорганизующихся клеточных ансамблей практически любого типа, по замыслу приближающихся к тем самым «органам в чане». Такие ансамбли называют органоидами вне зависимости от того, происходят они от стволовой клетки или нет⁸. Клетки, которые отшелушиваются со стенки вашего кишечника, заменяются потомками стволовых клеток, залегающих на дне миллиардов эпителиальных углублений, или крипт. В 2009 году группа Ханса Клеверса из нидерландского Утрехта показала, что единственная стволовая клетка кишечника, должным образом выращенная в трехмерном матриксе, может породить целое клеточное сообщество в форме неровного шара с четко определяемым внутренним пространством, ограниченным теми же типами клеточных поверхностей, что и реальный просвет кишки⁹; на дне маленьких кармашков оболочки находились стволовые клетки (на рисунке они темные).

Иными словами, стволовая клетка кишечника создает органоид, похожий по форме и поведению на реальный орган достаточно, чтобы использовать его, например, в испытаниях препаратов для лечения болезней кишечника.

Что касается глаз, Ёсики Сасаи и его коллеги из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) вырастили из стволовых клеток, превращающихся в клетки сетчатки, органоиды в форме почти полусферического впячивания, характерного для зарождающегося глазного бокала (задней части глаза)¹⁰.

За несколько лет до этого, в 2008 году, та же группа показала, что из стволовых клеток мыши можно вырастить клубки взаимосвязанных нейронов, напоминающие по структуре область коры мышиного мозга¹¹. В 2013 году венская лаборатория Юргена Кноблиха, входящая в состав Австрийской академии наук, вырастила «церебральные органоиды», воссоздающие несколько слоев головного мозга с функциональными нейронами и областями, которые напоминали зарождающиеся структуры вроде префронтальной коры, гиппокампа и других¹². Хоть этим органоидам и было далеко до рабочего мозга, им сразу же нашлось применение. Команда Кноблиха пыталась выяснить природу микроцефалии – расстройства развития, приводящего к формированию слишком маленького мозга, – и в качестве основы для органоида использовала стволовые клетки человека с этим диагнозом. По сравнению с аналогами, выращенными из клеток здоровых людей, в этих органоидах один тип стволовых клеток претерпевал меньше делений, что выливалось в общий дефицит клеток. Хотя возможность обретения церебральными органоидами чувств или сознания весьма призрачна, ученые и философы уже прощупывают этическую компоненту таких исследований, включая критерии оценки и трактовки способностей нейронных ассоциаций¹³.

Кишки, глаза, мозги… Полный список созданных органоидов гораздо длиннее и продолжает расти. Как отмечалось, органоиды служат великолепными инструментами, позволяющими использовать совершенно новые подходы в изучении индивидуального развития, болезней и лекарств, поскольку это подобия реальных органов, не заключенные в живых телах и способные строиться из человеческих клеток. Можно даже помечтать, что технологический прогресс однажды превратит органоиды в полноценные органы, готовые к пересадке человеческим реципиентам.

Органоиды не только приносят практическую пользу, но и дают нам восхитительный биофизический урок. Мы уже не раз упоминали о самосборке – как в молекулярном масштабе, когда белки самопроизвольно укладываются в уникальные формы, так и в организменном, когда по заложенным внутри них принципам строятся целые тела. Сейчас мы видим, можно сказать, модульную самосборку в средних масштабах, возможную благодаря тому, что компоненты разных органов содержат инструкции по собственной организации. Для наглядности можно представить, что не только автомобиль формируется из маленького зачатка, но и обломок двигателя вырастает в полноценный ревущий мотор, если омывается подходящим моторным маслом и закреплен подходящими деталями, а фрагмент водительского сиденья превращается в целое кресло при заботливой поддержке – иными словами, каждый компонент целого в какой-то степени самодостаточен. Природа эксплуатирует самосборку на всех уровнях организации, ступень за ступенью.

Мы помогаем самосборке органоидов, конструируя подходящий внеклеточный матрикс, но после этого пускаем дело на самотек. А что, если бы мы принимали более деятельное и целенаправленное участие в работе самих внеклеточных механизмов? Создание малых объектов, не предназначенных для биологического применения, стало одним из величайших триумфов человеческой цивилизации за последние полвека. Так, наши заводы поразительно быстро и надежно штампуют чипы, ведущие вычисления внутри мобильного телефона, с миллиардами транзисторов, втиснутых в несколько квадратных сантиметров. Наши микропроизводственные возможности гораздо шире набора электродеталей вроде диодов и транзисторов. Применяя пластмассы и гели, например, мы можем мастерить канальцы, стыковочные узлы, клапаны и насосы субмиллиметрового масштаба – как раз то, что нужно для доставки питательных веществ и сигналов группам клеток.

Сочетая микропроизводство с культивированием клеток, мы получаем «органы на чипе», разнообразие которых, как и в случае органоидов, поразительно быстро растет. Несколько из них появились на свет в лаборатории Дональда Ингбера в Институте биологической инженерии Висса при Гарвардском университете. В частности, в 2010 году там создали «легкое на чипе»¹⁴. В этой конструкции пористая, мягкая, тончайшая силиконовая мембрана разделяет две камеры, одна из которых наполнена воздухом, а другая – водным раствором, напоминающим кровь. Как мы увидим в главе 11, легкие по своей сути – это место соприкосновения воздуха и воды, где происходит газообмен. По одну сторону мембраны ученые вырастили клетки того типа, который выстилает воздушную сторону легочного интерфейса, а по другую – клетки выстилки кровеносных сосудов. Хитрость же была в том, что торцы мембраны упирались в тонкие стенки камер, приспособленных для закачки и откачки воздуха. Под давлением воздуха стенки сжимали мембрану с наросшими на ней слоями клеток, под вакуумом – растягивали (см. рисунок).

Так получилось устройство, воссоздающее не только структуру, но и динамику легких – способное растягиваться и сжиматься, если нам хочется, в том же ритме, что и при естественном дыхании. Камеры, мембраны, клапаны – все это создано методами микропроизводства, способными покрывать чип мозаикой псевдолегких, и все можно увидеть в микроскоп. Ингбер с коллегами показал, что поглощение взвешенных в воздухе частиц через клеточную стенку – важная проблема и при загрязнении воздуха, и при доставке лекарств – усиливается периодической механической пульсацией клеточных мембран.

В последующие годы на чипе научились создавать сердца, почки, желудки, кожу и многое другое и даже нашли способ связывать воедино разные органы – конструировать названные слишком громко, но все равно впечатляющие «тела на чипе»¹⁵. Клеточные культуры в таких системах по большей части двумерны, и нам еще только предстоит объединить трехмерную самосборку органоидов из стволовых клеток с флюидикой и механическими каркасами органов на чипе.

Полуискусственные конструкции выращиваемых в лаборатории стволовых клеток, органоидов и органов на чипе позволяют нам изучить восхитительные феномены многоклеточной организации. Пока, однако, мы рассматривали клетки тела, принадлежащие одному биологическому виду. В следующей главе мы увидим, что на самом деле все устроено гораздо сложнее: в нас ведь обитает множество микробов.