Текст книги "Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком"
Автор книги: Роджер Хайфилд
Соавторы: Магдалена Зерницка-Гетц
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 17 страниц)
Новая область регенеративной медицины опирается на данные о том, как стволовые клетки превращаются в ткани и органы. Пока моя команда фокусировалась на танце первой сотни (или около того) клеток развивающегося эмбриона и выясняла базовые принципы, направляющие этот танец, другие ученые выяснили принципы его дальнейшего превращения в плод, когда у зародыша начинают проступать черты ребенка. В клеточном танце взрослой жизни в пять тысяч раз больше участников, чем людей на нашей планете, и это без учета миллиардов клеток, сошедших с пути вместе с плацентой или в результате апоптоза. Сегодня мы можем наблюдать танец жизни (но не манипулировать им) и легко визуализировать его коллективные клеточные миграции.
Один из таких примеров – интерактивный 3D-атлас эмбрионального развития, охватывающий период со второй недели (когда эмбрион меньше полумиллиметра в поперечнике) до двух месяцев (когда он уже три сантиметра и явно похож на плод). Трехмерный атлас эмбриологии человека, разработанный Амстердамским медицинским центром (доступный онлайн по ссылке www.3dembryoatlas.com), ведет Бернадетт де Баккер из Амстердамского университета [1]. Чтобы изучить развитие органов и тканей, научной команде пришлось проанализировать электронно-микроскопические снимки примерно пятнадцати тысяч окрашенных срезов тканей из коллекции Института Карнеги, о которой мы уже говорили в главе 6. В целом ученые проанализировали тридцать шесть эмбрионов, по два на каждую из семнадцати стадий развития, и с помощью цифрового пера и планшета выделили развивающиеся структуры.
В первые два месяца эмбрион растет экспоненциально. Его объем ежедневно увеличивается на 25% и на шестидесятый день достигает примерно 2800 кубических миллиметров, что эквивалентно половине чайной ложки [2].
Выяснилось, что стандартные учебники эмбриологии содержат ошибки. Нет никакого «восхождения почек». Гонады (формирующие яичники и тестикулы) не опускаются, как считалось ранее, а укорачиваются относительно растущих позвонков. Также обнаружены несоответствия в описании развития артерий.
Как показывает атлас, некоторые органы у эмбриона человека развиваются гораздо раньше, чем у эмбриона курицы или мыши, а некоторые – позже, и это очередное напоминание о том, что нельзя переносить на людей результаты экспериментов с животными, например в плане воздействия лекарств и токсинов. Атлас является прекрасным примером оценки развития путем анализа редкого человеческого биоматериала и серьезным напоминанием о том, как мало мы знаем о собственном эмбриогенезе. Чем больше сведений мы получим, тем легче будем начинать и формировать танец жизни.
Креативная биология
Последние разработки в лабораториях всего мира предвещают новую эру креативной биологии. Мы можем манипулировать идентичностью клеток на всем протяжении их развития, используя факторы, которые решают клеточную судьбу. Мы даже можем обратить ее вспять с помощью так называемых факторов Яманаки, названных в честь их первооткрывателя Синъи Яманаки, который разделил Нобелевскую премию с моим наставником Джоном Гёрдоном. Эти факторы, а также другие, открытые позже, могут превратить зрелые клетки обратно в эмбриональные, вернув им потенциальную способность развиваться во многие другие типы клеток, что сулит нам огромные возможности (об этом позже).
Еще одна влиятельная технология представлена новым поколением методов геномного редактирования, которые гораздо точнее прежних генетических манипуляций, придуманных еще в начале 1970-х [3]. Это чудесный нож[21] генетики, и сочетая его с секвенированием ДНК и РНК (которым я регулярно пользуюсь), можно проводить высокоточные генетические операции, будь то исправление мутаций, ведущих к развитию заболеваний, или перенаправление клеток на новый путь развития.
Можно манипулировать генами, совершенно их не трогая, а просто вызывая эпигенетические изменения, которые регулируют их использование (экспрессию) в клетках. И разумеется, я отношусь к тем ученым, которые занимаются культивированием человеческих эмбрионов (хотя большинство моих подопечных – мышиные эмбрионы), позволяя им расти и развиваться благодаря многочисленным, эволюционировавшим вслед за ЭКО, методам репродуктивной медицины.
Совместив все эти технологии, мы вступим в новую эру, где сможем манипулировать клетками так же искусно, как гончар – глиной. Сегодня ученые приступили к разработке модельных систем (органоидов), чтобы установить механизмы роста органов и тестировать лекарственные препараты. Уже есть клеточные модели талассемии, синдрома Марфана, мышечной дистрофии, болезни Хангтинтона и др. Можно также взять Т-клетки, рабочие лошадки иммунной системы, и вооружить их на борьбу с раком [4]. И, как я уже объясняла в предыдущей главе, мы разработали модель развития раннего постимплантационного мышиного эмбриона на основе стволовых клеток и теперь пытаемся расширить метод до применения стволовых клеток человека, чтобы разобраться в собственном раннем эмбриональном развитии, о котором до сих пор мало что известно.
Кроме того, ученые пробуют выращивать человеческие органы внутри животных, чтобы устранить нехватку трансплантационного материала. Существует реальная надежда на то, что с помощью стволовых клеток мы сможем восстанавливать или даже заменять поврежденные органы и ткани подобно тому, как механик заменяет неисправную деталь.
В один прекрасный день, если прогресс будет продолжаться в том же темпе, можно будет взять клетки кожи и перепрограммировать их на обратное превращение в эмбриональные клетки, которые затем можно культивировать в зародышевые клетки и помочь мужчинам, ставшим субфертильными после противораковой терапии, снова производить сперматозоиды [5]. Когда-нибудь это станет возможным и для женщин, утративших способность производить яйцеклетки [6]. Что, если в будущем каждый человек сможет иметь ребенка?
Уже сегодня наука бросает вызов фундаментальным законам природы, таким как однополое размножение млекопитающих; как показали недавние исследования, с помощью изощренных генетических манипуляций можно получить потомство от двух самок мышей [7]. Также получено потомство от двух мышей-самцов, и это говорит о том, что стволовые клетки и геномное редактирование преодолевают даже такой барьер [8].
Сочетание ЭКО с точным геномным редактированием, секвенированием, перепрограммированием и прочими методами создает что-то вроде клеточной алхимии. Если такое искусство станет привычным, оно обеспечит постоянное изменение генома человека. Это нетрудно представить, поскольку в одном только Китае с помощью ЭКО родились миллион человек. При значительном количестве людей, рожденных в результате слияния перечисленных технологий (от лечения заболеваний до придания ребенку желательных черт и устранения нежелательных), и без законодательного регулирования подобных процедур мы рискуем перевести эволюцию человека на другой путь.
Но даже если это возможно, то случится лишь в отдаленном будущем, а пока мы бы хотели представить обзор текущего состояния научных знаний, позволяющих разработать новые методы лечения. То, о чем далее пойдет речь, отчасти неминуемо, учитывая невероятный всплеск и размах активности ученых и инженеров по всему миру. Можно представить, до какой степени эволюционирует медицина, если новые технологии перенесут из научно-исследовательских лабораторий в больницы и клиники. Наука относительно быстро вышла на новый уровень, объединив прогресс в области стволовых клеток, молекулярной, клеточной биологии и биологии развития.
Регенеративная медицина
Моей основной мотивацией было желание понять базовые принципы самых ранних стадий нашего развития, его пластичность и то, как эмбрион строит самого себя из отдельных клеток. Большинство экспериментов я проводила на мышах, но с учетом многочисленных различий в развитии мыши и человека и появления подходящих технологий я изучала и человеческие эмбрионы. Поскольку предметом моих (и многих других) исследований было формирование клеток и превращение их в разные типы, практическое применение полученных данных подходит для регенеративной медицины и репродукции человека.
Одним из пионеров регенеративной научной революции является Джон Гёрдон. Он совершил прорыв, когда впервые продемонстрировал возможность клеточного перепрограммирования в своем исследовании 1962 года [9]. В те годы его коллеги полагали, что клеточная специализация – это улица с односторонним движением, процесс, который нельзя повернуть вспять, и потому клеткам кожи не суждено стать кем-то покруче, а клетки мозга никогда не превратятся в мускулы.
Несмотря на недоверие и критику, Джон опроверг существующую догму, вынув ядро из лягушачьей яйцеклетки и заменив его ядром кишечной клетки головастика. Хотя последняя уже прошла специализацию, из ее ядра, имплантированного в яйцеклетку, чудесным образом развился нормальный головастик [10]. Эти эксперименты показали, что стрелки клеточных часов можно перевести назад, а потому вполне реально взять зрелую клетку, например кожи, и снова сделать ее эмбриональной.
За это открытие Джон Гёрдон много лет спустя получил Нобелевскую премию 2012 года, разделив ее с Синъей Яманакой из Киотского университета (Япония). Шинья открыл гены, с помощью которых зрелую клетку можно перепрограммировать в эмбриональную. Рецепт удивительно прост – надо активировать всего четыре гена. Хотя эффективность его протокола была довольно низкой, он продемонстрировал фундаментальные принципы.
Роджер Хайфилд был одним из первых журналистов, сообщивших об этом достижении и подчеркнувших тот факт, что технология Синъи Яманаки предлагает (вместо разбирания на части клонированных эмбрионов) более этичный способ выращивания клеток и тканей для конкретного пациента [11].
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иСК) можно целенаправленно превратить в различные типы зрелых клеток, таких как клетки сердечной мышцы и мозга, что открывает колоссальные возможности для терапии стволовыми клетками.
Вопреки распространенному мнению, стволовые клетки используются в медицине довольно давно. Доналд Томас получил в 1990 году Нобелевскую премию за трансплантацию костного мозга – работу, которую начал выполнять еще в 1950-х [12]. Костный мозг содержит гематопоэтические стволовые клетки, которые могут превращаться во многие типы клеток крови. Подобные трансплантаты уже давно используются для лечения лейкемии – ракового заболевания крови и костного мозга. С их помощью восстанавливают организм после химиотерапии, но эффективность этого лечения зависит от совместимости клеток донора и реципиента. Если они плохо подходят друг другу, клетки реципиента воспринимают трансплантированные клетки как «чужие» и атакуют их, что может быть опасным для жизни.
Стволовые клетки, выращенные из собственных клеток пациента, могут обеспечить его совместимой тканью любого типа. Однажды наступит такой день, когда можно будет взять, например, клетки кожи и превратить их в клетки сердечной мышцы, чтобы восстановить повреждения после сердечного приступа. Потенциально из стволовых клеток можно получить инсулин-продуцирующие клетки для лечения диабета. В будущем из стволовых клеток можно выращивать нервные клетки для восстановления разорванного спинного мозга или по тому же принципу восстанавливать поврежденные сердце или печень. Кроме того, стволовые клетки дают надежду людям, теряющим разум из-за болезни Альцгеймера или тело из-за болезни Паркинсона.
Но перед тем как поставить выращивание замещающих клеток на поток, мы должны научиться наставлять стволовую клетку на правильный путь развития. Если не сделать это должным образом, ее развитие может пойти в неожиданном направлении, вплоть до превращения в раковую клетку [13]. Поэтому пройдут годы и даже десятилетия, прежде чем лабораторная наука станет надежным методом лечения.
Вот почему так важно инвестировать в самую творческую базовую науку. Когда Джон Гёрдон совершал свое открытие по перепрограммированию клеточного ядра, он не думал о том, что однажды оно будет использоваться для улучшения здоровья. Большинство ученых, занимающихся фундаментальными исследованиями, ощущают то же самое. Правильно усвоив основы и разобравшись в том, как работает биология, можно гораздо успешнее применять эти знания в терапии.
Первые эмбриональные стволовые клетки
В предыдущих главах я рассказывала об основном прорыве в науке, случившемся в 1981 году, когда Мартин Эванс и Мэтью Кауфман и параллельно с ними Гейл Мартин изолировали ЭС-клетки, обладающие потенциалом превращаться во все остальные клетки организма. А в 1998 году Джеймс Томсон со своей командой из Висконсинского университета города Мэдисона выделили человеческие стволовые клетки из пожертвованных лишних эмбрионов. Исследование стало крупным техническим достижением, а Томсон заявил: «Это больше не научная фантастика. Я очень надеюсь, что успею увидеть, как эта терапия исцеляет болезни» [14].
С тех пор как Томсон и его коллеги извлекли человеческие ЭС-клетки, многие ученые стремились раскрыть их потенциал. А также сделать созданные методы терапии более легкими в применении. Например, оказалось, что ингибирование сигнального пути ROCK (назван так потому, что туда входит фермент Rho/Rho-ассоциированная киназа, или ROCK) предотвращает гибель человеческих ЭС-клеток после извлечения из колонии, в которой они выросли. Благодаря этому открытию показатель создания новых колоний увеличился от одного из ста до одного из четырех [15].
Сегодня эти бесценные клетки можно надежно поддерживать в культуре.
Управляемая дифференциация
Чтобы превращать ЭС-клетки в другие типы, необходимые для лечения, надо разобраться в том, как они формируют и генерируют три разных эмбриональных слоя (эктодерму, мезодерму и энтодерму), а затем в том, как эктодерма образует нервы, кожу и волосяные фолликулы, как мезодерма создает сердце, кровь и мышцы, а энтодерма становится кишечником, печенью, поджелудочной железой и легкими. Звучит просто, хотя на самом деле это не так.
Чтобы направить ЭС-клетки на путь превращения в целевой тип клеток, ученые проявили огромную изобретательность, создавая специальные поверхности, составляя генетические регуляторные сети, ответственные за поддержание стволовых клеток, а также оптимизируя условия выращивания. Теперь можно создать клетки сетчатки, сердечной мышцы, нервные клетки, многочисленные типы клеток крови и многое другое. Но все это требует времени. Один из ученых, которым я особенно восхищаюсь, Дуг Мелтон из Гарвардского института стволовых клеток в Кембридже, штат Массачусетс, превратил стволовые клетки в бета-клетки поджелудочной железы, чувствительные к глюкозе и вырабатывающие инсулин [16]. Открытие способа создания зрелого типа клеток стало важной вехой в исследовании диабета, но на это ушли годы. Упорство Дуга было вызвано личными причинами: в 1993 году, когда он занимался исследованием развития лягушек, у его сына обнаружили диабет первого типа [17]. С тех пор Дуг сосредоточился на поиске новых методов лечения.
Даже для эмбриологов такая работа является источником новых идей и неожиданных открытий. Вплоть до недавнего момента мы думали, что новые кровеносные сосуды эмбриона образуются исключительно из тех эндотелиальных клеток (выстилающих все кровеносные сосуды), что дифференцируются из мезодермы. Однако использование флуоресцентных меток при отслеживании судьбы стволовых клеток кровотока позволило обнаружить второй источник эндотелиальных клеток [18].
Это всего один из множества примеров того, как практическая работа со стволовыми клетками приносит новую информацию в копилку фундаментальных знаний биологии развития. Я уверена, что в ближайшие годы будет раскрыто еще больше тайн.
Взгляд изнутри
Многие годы я и моя команда совершенствовали маркеры и условия культивирования, чтобы снимать фильмы о развивающихся эмбрионах, благодаря которым можно было проследить происхождение, перемещение и судьбу всех клеток с момента оплодотворения до четвертого дня развития мышиного эмбриона [19]. Совсем недавно нам удалось заснять и отследить клетки эмбриона с четвертого по шестой день развития [20]. Это гораздо сложнее, чем следить за клетками более «юных» эмбрионов, поскольку в этот период эмбрион начинает расти. Но потраченные усилия того стоили. Сделанные фильмы позволили нам изучить взаимодействия трех базовых типов тканей и механизмов, лежащих в основе ремоделирования эмбриона вплоть до гаструляции. В значительной мере получение этой новой информации стало возможным благодаря визуализации живых мышиных эмбрионов с помощью мультифотонного микроскопа, которому нужно поглотить два фотона света (отсюда и название), чтобы вызвать флуоресценцию, и который способен визуализировать слои живой ткани на глубине до одного миллиметра. Заслуга за эту работу принадлежит коллегам из моей лаборатории Неофитосу Христодулу, Кристосу Киприану и Антонии Веберлинг. Первая часть их исследования была опубликована в журнале Nature Cell Biology [21].
За последний год Кейт Макдолл и Филипп Келлер из Исследовательского центра Janelia Research Campus разработали новый микроскоп, позволяющий визуализировать развитие еще более «взрослых» мышиных эмбрионов, от шести до восьми дней после оплодотворения [22]. Принцип действия этого микроскопа в том, чтобы пропустить сквозь эмбрион два плоских пучка света, избежав освещения образца целиком в течение долгого времени, поскольку это может ему навредить. В итоге получаются сногсшибательные фильмы. Можно, например, увидеть, как нервная трубка, структура, которая позже сформирует спинной и головной мозг, срастается вдоль эмбриона, будто застежка-молния. Можно также понаблюдать формирование сердца, от предсердия до эндокарда и, наконец, сердцебиения.
Кто-то скажет, что это всего лишь фильмы. Однако по ним анализировать клеточную динамику легче, чем по статическим изображениям, что позволяет глубже понять механизмы эмбрионального развития. Хотя эти фильмы не о человеческих эмбрионах, но, с точки зрения регенеративной медицины, между людьми и мышами достаточно сходства, и, кроме того, по ним можно изучать дефекты развития, например расщепление позвоночника, когда нервная трубка человеческого плода, развивающегося в матке, не срастается должным образом.
Болезнь в пробирке
Отслеживая дифференцировку клеток раннего эмбриона, мы получили новые сведения о том, как факторы из окружающей клетку среды, гены и др. влияют на процесс развития. Но ту же информацию можно получить, не выращивая целый организм, а взяв у него стволовые клетки. Например, чтобы понять, как создаются клетки, позволяющие людям видеть разноцветный мир, можно вырастить сетчатку в чашке Петри [23]. Аналогичным образом, можно взять стволовые клетки и посмотреть, что происходит, когда при генетических и наследственных заболеваниях процесс развития идет наперекосяк.
Например, клетки кожи мыши и человека можно превратить в нейроны болевой чувствительности и сделать модель наследственной невропатии и гиперчувствительности, развивающейся у пациентов после химиотерапии, позаимствовав клетки кожи у пациентов с наследственными неврологическими заболеваниями [24]. Клетки кожи пациентов с ранним началом Альцгеймера можно превратить в те типы нейронов, которые страдают при данном заболевании, и изучать аспекты этой формы деменции на клетках человека [25]. То же верно для пациентов с шизофренией или синдромом Дауна [26]. Вдобавок ученые могут воспользоваться банком стволовых клеток, выделенных из эмбрионов со специфическими генетическими заболеваниями [27]. Если мы убедимся, что нервные клетки, взятые у животного или культивированные в лаборатории, напоминают по сложности таковые в человеческом мозге, то однажды метод создания мозговой ткани со специфическим заболеванием поможет в исследовании неврологических расстройств.
На «болезни в пробирке» можно тестировать методы лечения. Например, клетки кожи пациентов с потенциально смертельным заболеванием сердца можно превратить в иСК, а потом сделать из них клетки сердечной мышцы конкретного пациента. Но есть одна загвоздка: хотя такие клетки и несут генетические мутации пациента, они остаются эмбриональными и не показывают признаки заболевания, развивающегося у взрослых. Ученые смогли воссоздать болезнь, заставив мышечные клетки использовать в качестве основного источника энергии не глюкозу, как это происходит у плода, а жирные кислоты, как делают клетки сердечной мышцы взрослого организма. С помощью полученных таким путем зрелых клеток удалось обнаружить метаболическое нарушение, лежащее в основе данного заболевания [28]. Разумеется, еще предстоит потрудиться, чтобы выяснить, всегда ли это заболевание развивается из-за тех же метаболических дефектов, и, если болезнь в пробирке действительно отражает реальность, разработать новый метод лечения.
Можно также побудить стволовые клетки превратиться в мини-орган, так называемый органоид, который с функциональной точки зрения напоминает настоящий, включающий все свои главные типы тканей. Одним из пионеров в этой области является Ганс Клевере из Института Хюбрехта в Утрехте, Нидерланды, чьи исследования способствовали созданию органоидов желудка, поджелудочной железы, мозга, печени и многого другого, например ядовитых желез змеи [29]. С помощью «биобанка органоидов», содержащего широкий диапазон подтипов колоректального рака, можно проводить скрининг лекарственных препаратов [30]. Моя подруга по Кембриджскому университету Мери Хуч, когда-то работавшая с Клеверсом, создала органоидные культуры на основе рака печени, чтобы смоделировать рост опухоли и протестировать препараты [31]. Можно также выращивать органоиды печени из стволовых клеток пациентов и заменять поврежденную циррозом печень [32].
Органоиды могут рассказать нам о том, как болезни и расстройства воздействуют на развитие органа, например, как связаны вирус Зика и микроцефалия, при которой ребенок рождается с аномально маленькой головой [33]. Лаборатории Го-Ли Мина и Хунцзюнь Сона в Школе медицины Университета Джона Хопкинса продемонстрировали на органоидах человеческого мозга, что вирус Зика затрагивает прогениторные клетки коры головного мозга, которые в норме дифференцируются в нейроны, и этот факт позволяет связать развитие микроцефалии с инфекцией.
Эти примеры объясняют, почему ученые испытывают оптимизм по поводу потенциала технологий на основе стволовых клеток.
Восстанавливая поврежденное тело
Когда журналисты просят меня порассуждать о том, куда могут завести человечество мои исследования раннего развития и стволовых клеток, я всегда отвечаю, что понимание базовых принципов развития увлекательно само по себе и закладывает основу для поиска новых способов предотвращения или исправления ошибок.
Хотя мечта о том, что ЭС-клетки когда-нибудь станут источником замещающих тканей, очень жива, прогресс идет гораздо медленнее, чем можно судить по газетным заголовкам.
Одним из направлений исследований стала макулярная дегенерация – самая распространенная причина слепоты после шестидесяти лет, поражающая, по некоторым данным, примерно 30% населения в семидесятипятилетнем возрасте. Заболевание характеризуется прогрессирующей потерей центрального зрения из-за дегенерации макулы – желтого пятна на задней поверхности сетчатки, отвечающего за центральное зрение. Чтобы исправить это нарушение, многие группы ученых пытались разработать терапию стволовыми клетками. Их целью был не полупрозрачный слой реагирующих на свет нейронов, которые поначалу не дегенерируют, а нижележащий слой клеток, называемый ретинальным пигментным эпителием, или РПЭ.
В 2012 году компания Advanced Cell Technology и сотрудничающие с ними специалисты по зрению из Глазного института Жюля Стайна в Лос-Анджелесе провели многообещающий эксперимент, пересадив выращенные в лаборатории РПЭ-клетки в глаза пациентов с макулярной дегенерацией и болезнью Штаргардта [34]. Хотя их основной целью было получение доказательств безопасности таких клеток (и они их получили), они обнаружили некоторое улучшение зрения. Как показало другое исследование, проведенное Питом Коффи из Института офтальмологии Университетского колледжа Лондона (Лондонский проект по лечению слепоты) в сотрудничестве с командой из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, у двух пациентов с макулярной дегенерацией улучшилось зрение после имплантации РПЭ [35].
Эти примеры дают надежду на то, что однажды мы сможем лечить некоторые формы слепоты, хотя многие детали остались неизученными; это и профилактика отторжения со стороны иммунной системы, и обеспечение долговременной выживаемости имплантированных клеток, ну и, конечно, имплантированные клетки могут быть эффективны для восстановления зрения [36].
Превратить стволовые клетки в функционирующие ткани тяжело, но еще тяжелее превратить их в органы, пригодные для трансплантации. Некоторые органы и сами могут восстановиться после повреждения. Если часть печени потеряется в результате травмы или болезни, она может отрасти обратно до изначального размера, хотя форма будет иной, а кожа постоянно сама себя восстанавливает [37]. Но некоторые человеческие ткани не регенерируют.
В сравнении с такими животными, как планария, гидра, лягушка и саламандра, мы более продвинутые существа, однако не во всех смыслах. Когда речь идет о регенерации, они нас превосходят. Лягушки могут отрастить глаза, тритоны могут полностью вырастить новые конечности, а если вы продольно разрежете планарию, она регенерирует в двух новых индивидуумов [38]. Такие подвиги тесно связаны с эмбриональным развитием.
Подробности процесса регенерации, способные объяснить, каким образом стволовые клетки формируют замещающие структуры, недавно были раскрыты Питером Реддиеном из Института биомедицинских исследований Уайтхеда в Кембридже, штат Массачусетс. Питер обнаружил, что планария и акоэль (морской регенерирующий червь) для управления регенерацией в качестве источника информации используют сигнал, поступающий из поврежденных мышц [39].
Его команда выяснила, что для регенерации глаза нужны три согласованных действия, активирующих прогениторные клетки: сигналы о местоположении для создания масштабируемой карты, самоорганизация для привлечения прогениторных клеток и сами прогениторные клетки, которые расположены не в конкретном месте, а диффузно [40]. Разобравшись в том, как эти животные используют перечисленные механизмы и молекулы для регенерации взрослых тканей без побочных эффектов вроде рака, мы можем применить это на практике для регенерации или конструирования человеческих тканей.
Точно так же, как естественный органогенез происходит у плода, он может происходить и в организме животного, если имплантировать в него ткани или клетки из первичных органов. В 2018 году стало известно об эксперименте, в котором ЭС-клетки человека ввели в эмбрионы свиней, получив в результате химер, в основном являющихся свиньями, но с определенным количеством человеческих клеток в пропорции одна из десяти тысяч. Химерным свиночеловеческим эмбрионам позволили развиваться до двадцати восьми дней (первый триместр беременности свиньи). Можно ли будет таким способом инкубировать человеческие органы, генетически совместимые с организмом пациента, чтобы использовать их для трансплантации?
Ясно, что для начала надо решить ряд практических и этических проблем. Например, у свиньи беременность длится около ста двенадцать дней, а у человека – двести семьдесят четыре дня (девять месяцев), поэтому скорость развития эмбриональных клеток этих биологических видов разная. Ведущий исследователь в этой области, Хуан Карлос Исписуа Бельмонте из Института Солка в Ла-Хойе, сравнил это с автомагистралью, по которой машины передвигаются в три раза быстрее, чем вы. Надо правильно рассчитать время, чтобы не спровоцировать аварию [41]. Другими словами, до выращивания человеческих органов внутри животных нам еще далеко.
Одно из средств усовершенствования стволовых клеток для целей регенеративной медицины – генетическая модификация. Может даже возникнуть синергичная область, как показал пример Мишеля де Лука из Университета Модены и его команды, совместивших технологии стволовых клеток с генной терапией, чтобы справиться с буллезным эпидермолизом, редким генетическим заболеванием. Заболевание развивается из-за мутаций в любом из нескольких генов, кодирующих белки, которые прикрепляют внешний слой кожи (эпидермис) к нижележащей ткани, и в результате он просто отваливается [42]. Де Лука разработал метод получения стволовых клеток из человеческой кожи, заменил в них болезнетворные гены и вырастил в лаборатории слои здоровой кожи на скаффолдах.
Хирурги из Германии отправили в Модену лоскут кожи размером с большой палец, принадлежащий семилетнему мальчику с буллезным эпидермолизом, и сделали впоследствии пересадку кожи [43]. Через полгода после исходной биопсии мальчик вернулся в школу, ознаменовав триумф данного метода лечения вместе с новыми сведениями о биологии человеческой кожи. Однако вряд ли такой подход на основе комбинирования генной терапии и науки о стволовых клетках станет распространенным, поскольку он персонализированный и дорогостоящий.
Будущее репродукции: преимплантационное тестирование
Хотя мы фокусировались на применении исследований эмбрионального развития в регенеративной медицине, они гораздо больше подойдут для репродукции как таковой. Показательным примером служит тестирование эмбрионов.
Благодаря распространению ЭКО Алан Хэндисайд, Элени Контоджанни, Кейт Харди и Роберт Уинстон из Хаммерсмитского госпиталя в Лондоне применили в 1990 году метод проверки эмбрионов на наличие серьезных генетических расстройств, чтобы не допустить их передачи следующему поколению [44]. Этот тип генетического тестирования выполняется на ДНК, взятой из одной или двух клеток эмбриона, который сам состоит всего из нескольких клеток. Изначально этим методом определяли пол будущего ребенка, что было нужно родителям с наследственными заболеваниями, проявляющимися только у мальчиков, такими как мышечная дистрофия Дюшенна – смертельное заболевание, сопровождающееся потерей мышц и, быть может, самое известное благодаря Лоренцо Одону, чья жизненная история легла в основу фильма «Lorenzo’s Oil» («Масло Лоренцо») 1993 года. Отсеивая эмбрионы мужского пола, то есть несущие L-хромосому, врачи могли гарантировать, что в результате ЭКО у матери родится только девочка, а значит, здоровый ребенок.
