Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком - Зерницка-Гетц Магдалена

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.