Спроси в наши дни хоть самого проницательного мудреца: «Как будет развиваться медицина в ближайшие годы и десятилетия?» – и вряд ли дождёшься однозначного ответа. Сейчас есть, по крайней мере, два «новых» направления, показывающих неплохие результаты в лечении ещё недавно неизлечимых болезней. Это генная инженерия и клеточная трансплантология.
Две модных ветви медицинской науки отличаются объектом своего приложения, но это совершенно не мешает взаимному проникновению идей, технических приёмов и ухищрений. Более того, ветви поддерживают друг друга, и то одна, то вторая неизменно пользуется достижениями другой, как инструментом в достижении собственных целей.
Почувствовав мощь, но не понимая пока границ двух областей медицинской науки, человечество занялось поиском места приложения их достижений и дележом сфер влияния в медицинской практике. Пока за генной инженерией закрепилась борьба с наследственными заболеваниями, а приложением клеточной трансплантологии остаётся регенеративная медицина, восстанавливающая приобретенные дефекты органов и тканей нашего организма.
Учёные смогли превратить клетку кожи взрослого человека в полноценный аналог эмбриональной стволовой клетки. Теперь врачам не нужны ни человеческие эмбрионы, ни ответ на вопрос, насколько этично получать из них материал для трансплантации. Органы на замену утраченным можно будет выращивать из клеток самого пациента.
Сразу две исследовательские группы в ноябре прошлого года сообщили о поистине революционном открытии в области биологии, по сравнению с которыми «клонирование» обезьяны – лишь хорошо выполненный студенческий практикум.
Ученые университета Висконсина в Мэдисоне под руководством Цзюньина Юя и Джеймса Томсона из Центра генома в Висконсине и исследовательская группа из университета Киото, ведомая Синя Яманакой, практически одновременно сообщили о том, что им удалось перепрограммировать обычные человеческие клетки, создав линию плюрипотентных клеток, неотличимых от эмбриональных.
До сегодняшнего дня основной надеждой для нуждающихся в восстановлении тканей и органов были эмбриональные стволовые клетки.
Вообще все стволовые клетки обладают способностью к делению и потентностью – возможностью дифференцироваться в другие клетки организма. Правда, располагающиеся в тканях стволовые клетки взрослого человека способны лишь к преобразованию в клетки своего зародышевого ростка (эндо-, экто- или мезодермы), то есть они мульти- или олиго- потентны.
Ключевое отличие эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) – плюрипотентность, т.е. способность дифференцироваться в один из известных 220 цитофенотипов человеческого тела. Это и делает их столь интересными и привлекательными не только для ученых, занимающихся фундаментальной наукой, но и для врачей, пытающихся вернуть безнадежно больным утраченные способности. Поэтому подобное открытие снимет еще и дополнительные этические проблемы, возникающие в клинической работе с клетками.
Американская группа работает в лаборатории Джеймса Томпсона, впервые выделившего эмбриональные стволовые клетки человека в 1998 году. Несмотря на то, что подобные работы ведутся во многих странах мира, в том числе и в России, вопрос о моральном праве ученых работать с абортивным и фетальным материалом – человеческими зародышами – остается спорным. Тем более что клиническое применение полученных из ЭСК клеточных линий запрещено: кроме этических аспектов и иммунологической несовместимости (пересаживаемый эмбриональный материал принадлежал другому организму), не исключен риск малигнизации, озлокачествления – развития опухоли из пересаженных клеток.
Подобные споры и боязнь того, что коммерческий интерес превозобладает над научным, привели к тому, что с 2001 года в Соединённых Штатах и в других странах мира работать с человеческими ЭСК можно только в научных целях и только государственным лабораториям.
Для того чтобы превратить обычные клетки в плюрипотентные, американские ученые внедрили в ядро набор из четырех генов.
Объектом стал обычный человеческий фибробласт кожи – легко доступная и получаемая культура, не обладающая свойствами стволовости, но, тем не менее, прекрасно делящаяся в пробирке.
Ученые говорят, что обнаружили эти генетические факторы «стволовости» в яйцеклетке. Получается, что этими факторами, сами того не осознавая, уже сорок с лишним лет пользуются специалисты по клонированию, вводя в яйцеклетку ядро обычной клетки взрослого организма. Несмотря на то, что подобное микроокружение дает ядру возможность сформировать эмбрион со своим генетическим материалом, истинная природа этих факторов до сегодняшнего дня оставалась неизученной.
Интересно, что киотская группа сообщает о тех же четырех генах, правда, их право на лидерство более существенно, ведь Яманака еще летом сообщал в Cell об открытии этих четырех генетических факторов плюрипотентности. Они даже говорили о возможности своеобразного клонирования мыши на основе полученных линий, причем работа была опубликована в одном из самых авторитетных научных журналов – Nature.
Японские ученые также внедрили эти гены во взрослые человеческие клетки, получив схожую с ЭСК клеточную популяцию. Правда, висконсинская группа уже сообщила о создании с помощью нового метода восьми новых клеточных линий. «Хорошо, что не одиннадцати», шутят биологи, намекая на скандальные результаты корейского профессора Хвана У Сука. Более детально об этой работе станет известно в конце декабря, когда планируется опубликование полных научных статей в Science и Cell соответственно.
То, что две параллельно работающие группы добились столь феноменального результата практически одинаковым способом, лишь подтверждает достоверность открытия.
Впрочем, небольшие отличия имеются. Яманака и его коллеги использовали те же гены, что были задействованы для клонирования мыши – OCT3/4, SOX2, KLF4 и c-MYC. То, что они сработали и у людей, удивило и самого японского профессора. Источниками клеток послужили 36-летняя женщина и 69-летний мужчина, а эффективность получения аналогов эмбриональных клеток составила примерно одна линия на 5 тысяч человеческих клеток.
Висконсинская группа не поверила в то, что «мышиные» факторы сработают, и попробовала выделить свои. Два из них совпали (OCT3/4 и SOX2), а два оказались иными – это NANOG и LIN28. Эффективность, правда, у американцев оказалась примерно вдвое ниже, несмотря на то, что клетки они брали от человеческого эмбриона и новорождённого мальчика.
Достижения американских и японских ученых позволят создавать клеточные линии с генетическим материалом пациента, а следовательно – без риска иммунологического отторжения. А если удастся подобрать достаточно безопасный способ пересадки этих четырех «генов плюрипотентности» в ДНК живых клеток, такой способ может стать рутинной процедурой во многих клиниках, обладающих простейшими лабораториями.
На этот раз речь идёт о
первом превращении взрослых клеток из одного типа напрямую в другой тип – притом в живом организме.
И пусть создать немножко мозга из костной ткани пока не удалось, достижение американских медиков не менее впечатляюще. Они смогли превратить экзокринные клетки поджелудочной железы в секретирующие инсулин бета-клетки.
Поджелудочная железа сама по себе уникальна: она выполняет одновременно эндокринную функцию, секретируя в кровь гормон инсулин, и экзокринную, выделяя пищеварительные ферменты в просвет двенадцатиперстной кишки.
Как и в большинстве желез, за синтез каждого вещества отвечает отдельный тип клеток. Бета-клетки, синтезирующие инсулин, собраны в небольшие конгломераты, получившие название островков Лангерганса. А большую часть поджелудочной железы занимают экзокринные клетки, секретирующие трипсин в небольшие протоки, которые, объединяясь, «впадают» в двенадцатиперстную кишку.
процесс, в ходе которого клетки стойко реализуют потенции к развитию до конечного морфофункционального состояния.
Подобная специализация сопряжена с приобретением новых свойств – чаще всего это способность синтезировать различные вещества, но и неизбежно связана с потерей способности к делению, или к дифференцировке в другие клеточные типы.
Дифференцировка клеток происходит как в развивающихся, так и в зрелых тканях и характеризуется экспрессией части генома. Основа дифференцировки - синтез цито- и тканеспецифичных белков. Она запускается в условиях in vitro («в пробирке») индуктором дифференцировки - веществом, которое может стимулировать дифференцировку стволовых клеток и клеток-предшественников в определённом направлении.
Некоторые клетки обладют способностью к дедифференцировке - утрате клетками специфических свойств с возвращением их морфофункциональной организации к более примитивному состоянию.
Для биологов, научившихся в прошлом году превращать взрослые фибробласты кожи в эмбриональные стволовые клетки, любой другой фокус кажется уже не таким сложным.
Однако работа по превращению источников пищеварительных ферментов в «инсулиновые фабрики», результаты которой Дуглас Мелтон и его коллеги из гарвардского Института изучения стволовых клеток и Медицинского института имени Говарда Хьюза опубликовали в Nature, выделяется даже на этом фоне.
И своей методикой, и отсутствием пресловутых стволовых клеток в рецепте успеха. А можно отметить и то обстоятельство, что Мелтон и его коллеги закончили работу над своим проектом за полгода до ноябрьских свершений.
Попытки выращивать бета-клетки из стволовых, а после пересаживать их в организм предпринимались и даже были достаточно эффективны. Мелтон пошел другим путем. Он и его сотрудники решили обойтись без стволовых клеток и дополнительных манипуляций in vitro. Ученым удалось перепрограммировать взрослые экзокринные клетки с помощью транскрипционных факторов – молекул, регулирующих считывание генетической информации.
Но главное достижение Мелтона в том, что это перепрограммирование удалось произвести в живом организме – точнее, в поджелудочной железе мыши.
общее название «транспортного средства» для целенаправленной доставки того или иного вещества, и не только гена, а любых, даже таких традиционных лекарств, как анальгина или аспирина. Лекарственный препарат, попадающий в организм, как правило, традиционным путем, действует почти на все клетки, а надо подействовать или на определенную группу клеток, или даже на участок генома, специфичный для определенной группы клеток. С другой стороны, транспортируемое вещество необходимо «защитить» от повреждений.
Для генной терапии векторы бывают либо синтетическими (основаны на полимерных материалах, например липосомах), либо «натуральными», т.е. природного происхождения (вирусы или плазмиды). Вирусы, применяемые в качестве векторов, лишены своих вредоносных свойств и практически безопасны для человека.
Другие векторные молекулы проникают в клетки организма с меньшей эффективностью, но одновременно и более безопасны. Например, можно использовать «голую» человеческую ДНК, вводя её в клетки с помощью липосом, или электрического повреждения клеточной мембраны.
Уже через месяц в поджелудочной железе мыши появлялись новые бета-клетки, организующиеся наподобие упомянутых островков, только в гораздо меньших количествах. Эти новообразованные, в хорошем смысле этого слова, клетки не только структурно не отличались от типичных бета-клеток, но и были полностью функциональны – секретировали инсулин. Кроме того, они самостоятельно стимулировали мелкие сосуды к росту, обеспечивая себя хорошим кровоснабжением и местом «сброса» гормона.
Ученые даже доказали, что процесс «превращения» проходил без переходных стадий, то есть из экзокринных сразу получились бета-клетки, без промежуточного образования клеток-предшественников.
Возможно, из-за этого новые клетки практически не делились: в поджелудочной железе грызунов только 3% из них поделились за 10 дней наблюдения. В то время как «старые» делали это вчетверо чаще (13%).
Последнее обстоятельство, на первый взгляд умаляющее достижение учёных, на самом деле приближает практическое внедрение методики. Чем медленнее (в статистическом смысле) деление, тем легче дозировать эффект от генетического вмешательства. Кроме того, тем меньше вероятность появления опухолей, а это главная опасность, подстерегающая «новую медицину» на пути к пациентам.
