Мичио Каку - Физика будущего
Если некоторые органы человеческого тела, такие как трахея и мочевой пузырь, выращивать уже научились, то что мешает ученым вырастить все без исключения органы? Проблема, с одной стороны, заключается в выращивании крохотных капилляров, которые обеспечивают кровью клетки тканей, ведь кровь должна поступать к каждой клетке тела. Кроме того, существует проблема выращивания сложных структур. К примеру, почка, очищающая нашу кровь от токсинов, состоит из миллионов мельчайших фильтров, и матрицу для этих фильтров создать будет очень нелегко.
Но наибольшие сложности при выращивании представляет другой человеческий орган — мозг. Хотя воссоздание или наращивание мозга — дело не ближайших десятилетий, не исключено, что, если ввести молодые клетки непосредственно в мозг, он подхватит их и включит в свою нейронную сеть. Такая инъекция, конечно, будет случайной, поэтому пациенту придется многие базовые функции осваивать заново. Но поскольку мозг «пластичен» — т. е. он постоянно, с каждой новой задачей, обновляет свою структуру и связи, — не исключено, что он действительно сможет безболезненно интегрировать новые нейроны и добиться, чтобы они правильно срабатывали.
Стволовые клетки
Следующий шаг — применение технологии стволовых клеток. На данный момент все человеческие органы выращиваются не из стволовых клеток, а из обычных, только специальным образом обработанных, чтобы они могли размножаться внутри матрицы. В ближайшем будущем, вероятно, можно будет непосредственно использовать здесь технологию стволовых клеток.
Стволовые клетки — это «мать всех клеток», они способны менять свою структуру и превращаться в клетки любого типа. Каждая клетка в нашем теле несет в себе полный генетический код, необходимый для строительства тела целиком. Однако по мере созревания клетки специализируются, так что многие гены в них становятся неактивными, как бы выключаются. В клетке кожи, к примеру, имеются все гены, необходимые для превращения в кровь, но они выключены; ненужные гены отключились в тот момент, когда зародышевая клетка стала взрослой клеткой кожи.
Зародышевые стволовые клетки всю свою жизнь сохраняют способность превращения в клетки любого типа. Ученые ценят их выше, но одновременно вопрос работы с ними куда более противоречив, поскольку для извлечения таких клеток зародышем приходится жертвовать, а здесь, естественно, возникают этические вопросы. (Однако Ланца и его коллеги нашли новые способы, при помощи которых можно взять взрослые стволовые клетки, уже превратившиеся в клетки какого-то конкретного типа, и превратить их снова в зародышевые стволовые клетки.)
Потенциально при помощи стволовых клеток можно излечивать множество болезней, таких как диабет, сердечные заболевания, болезни Альцгеймера и Паркинсона и даже рак. Более того, трудно придумать болезнь, в лечении которой стволовые клетки не могли бы сыграть существенную роль. В частности, активные исследования в настоящее время идут в области лечения травм позвоночника и спинного мозга, которые когда-то считались совершенно неизлечимыми. В 1995 г., когда актер Кристофер Рив (Christopher Reeve) серьезно повредил позвоночник и остался парализованным, методов лечения таких травм не существовало. Однако в опытах на животных уже сегодня достигнуты огромные успехи в восстановлении спинного мозга при помощи стволовых клеток.
К примеру, Стивен Дэвис (Stephen Davies) из Университета Колорадо добился впечатляющих успехов в лечении травм спинного мозга у крыс. Он говорит: «Я провел несколько экспериментов, в которых мы пересаживали взрослые нейроны непосредственно во взрослую центральную нервную систему. Почти как у Франкенштейна. К нашему великому удивлению, мы обнаружили, что взрослые нейроны всего за неделю способны протянуть новые нервные волокна от одного конца мозга до другого». Ранее в лечении спинномозговых травм считалось, что любая попытка восстановления нервов вызовет сильнейшую боль и страдание. Однако Дэвис обнаружил, что ключевой тип нервных клеток, известный как астроцит, существует в двух вариантах, и их применение вызывает разные результаты.
Дэвис говорит: «Если использовать при восстановлении поврежденного спинного мозга правильные астроциты, мы получим результат без боли, тогда как клетки другого типа дадут боль без результата». Более того, он уверен, что та же техника применения стволовых клеток, которую он разрабатывает, будет полезна в лечении инсульта, а также болезней Альцгеймера и Паркинсона.
Поскольку из зародышевой стволовой клетки можно получить практически любую клетку тела, возможности здесь открываются безграничные. Однако Дорис Тейлор (Doris Taylor), директор Центра сердечно-сосудистых заболеваний при Университете Миннесоты, предостерегает от излишнего оптимизма и говорит, что работы впереди еще очень много. «Зародышевые стволовые клетки могут нести и добро, и зло, и уродство. Если они хорошие, их можно выращивать в больших количествах в лаборатории и использовать для создания тканей, органов или частей тела. Если они плохие, они не могут вовремя прекратить рост и образуют опухоли. Что касается уродства, то мы понимаем далеко не все и не можем контролировать результат, и мы не готовы использовать их без дополнительных лабораторных исследований», — замечает она.
Действительно, это одна из главных проблем, стоящих перед исследователями стволовых клеток: эти клетки, без внешних химических сигналов, иногда продолжают бешено размножаться и в конце концов перерождаются в раковые. Ученые уже понимают, что тонкие химические сигналы, курсирующие между клетками и сообщающие им, когда надо расти и когда пора прекратить рост, не менее важны, чем сами клетки. Тем не менее можно говорить о медленном, но стабильном прогрессе в этой области, особенно в опытах на животных. В 2008 г. имя Тейлор попало в заголовки газет: ее команда впервые в истории вырастила работающее мышиное сердце почти с нуля.
Эксперимент начался с того, что ученые взяли мышиное сердце и растворили все клетки внутри его, оставив только каркас, белковую матрицу в форме сердца. Затем они поместили в эту матрицу смесь сердечных стволовых клеток. После этого осталось только наблюдать, как стволовые клетки размножаются внутри каркаса. Ученым и раньше удавалось вырастить отдельные сердечные клетки в чашке Петри, но впервые удалось вырастить в лаборатории живое бьющееся сердце.
Выращивание сердца стало для Тейлор и значимым личным событием. Она сказала: «Это великолепно. Можно увидеть все сосудистое дерево, от артерий до крошечных вен, снабжающих кровью все без исключения клетки сердца».
Одно из подразделений правительства США остро заинтересовано в скорейшем развитии тканевой инженерии, и это подразделение — Вооруженные силы США. В прежних войнах боевые потери армии были ужасающими, списочный состав целых полков и батальонов уменьшался разом на порядок, многие умирали от ран. Теперь медицинские эвакоотряды быстрого реагирования перевозят раненых из Ирака и Афганистана в Европу или Соединенные Штаты, где солдаты получают высококвалифицированную медицинскую помощь. Коэффициент выживания среди солдат резко вырос — и одновременно с этим резко выросло число солдат, потерявших руки или ноги. Вследствие этого приоритетной задачей армии США стал поиск способа выращивания частей тела на замену утраченным.
В Институте регенеративной медицины Вооруженных сил было сделано серьезное открытие, связанное с использованием совершенно нового метода выращивания органов. Ученые давно знали, что саламандры обладают замечательными способностями к регенерации и могут отращивать новые конечности взамен Утраченных. Конечности отрастают заново, потому что стволовые клетки саламандры получают соответствующую команду. Исследованием одной из плодотворных теорий на сей счет занимается Стивен Бадилак (Stephen Badylak) из Университета Питтсбурга, которому удался эксперимент по отращиванию Утраченных кончиков пальцев. Его команда разработала «эльфийский порошок», обладающий чудесной силой стимулировать рост тканей. Порошок этот изготавливается не из клеток, а из внеклеточной матрицы, существующей между клетками. Эта матрица играет решающую роль, поскольку в ней содержатся сигналы, которые доносят до стволовых клеток команду расти определенным образом. Если этим порошком посыпать отрезанный кончик пальца, он простимулирует восстановление не только самого пальца, но и ногтя, и в результате получится почти идеальная копия первоначального пальца. Таким образом, Бадилаку и его команде удалось нарастить на пальце до трети дюйма мягких тканей и ногтя. Следующая цель — продолжать этот процесс и посмотреть, отрастет ли под действием порошка целая человеческая конечность, как у саламандры.
