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

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.