Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Однако выясняется, что скелет – одна из самых сложных клеточных систем организма. Кости растут до определенного момента, словно зная, когда нужно остановиться. Они непрерывно восстанавливают себя на протяжении всей жизни и сами залечивают повреждения. Они чувствительны к гормональным сигналам и даже синтезируют собственные гормоны[146]. Центральная полость кости с костным мозгом – белостенные ясли для выращивания клеток крови. Здесь зарождаются остеопороз и остеоартрит – две главные болезни старости, причина миллионов смертей пожилых людей во всем мире. А еще кость – мой личный враг: мой отец упал и получил перелом черепа, что вызвало кровотечение и стало в конечном итоге причиной его смерти.
Но вернемся к Дэну и его костям. Однажды утром в 2014 году Дэн спустился ко мне в лабораторию на лифте (его была на три этажа выше) с коробкой срезов костной ткани. Я мог солгать и сказать, что меня это безумно интересует, но это было не так. Исследователи из самых разных лабораторий просят моих молодых сотрудников (и меня тоже) посмотреть на их образцы и выяснить, нет ли в этих костях чего-нибудь интересного, и это постоянная трата их (и моего) времени. Я вежливо попросил Дэна прийти в другой раз.
Но Дэн был упрям. Невысокого роста, напористый, энергичный и целеустремленный, он походил на австралийскую ручную гранату. Он знал о моем интересе к костям. Я онколог и лечу пациентов с лейкозом, а эта болезнь начинается с костного мозга, где живут кроветворные стволовые клетки. Десятки лет я изучаю взаимодействие клеток кости и крови: например, почему стволовых клеток крови нет в мозге или в кишечнике? Что такого особенного в костях? Мы нашли несколько ответов: клетки костного мозга посылают специфические сигналы стволовым клеткам крови, поддерживая их функцию. За эти годы я также пытался понять анатомию и физиологию костей. Сейчас популярна идея, что можно приобрести определенные навыки, если заниматься каким-то делом – например, играть в бейсбол – больше десяти тысяч часов. В клеточной биологии это достигается наблюдением: я разглядывал через микроскоп более десяти тысяч образцов костной ткани.
Прошло не больше недели, как Дэн вернулся, проскользнув по коридору с подобострастием и решительностью и с той же синей коробкой со срезами. Ему было безразлично мое безразличие. Я сдался и согласился взглянуть.
Я задернул шторы, и микроскоп засветился, распространяя по комнате рассеянный синевато-зеленоватый свет. Дэн ходил взад-вперед в глубине комнаты, как животное в клетке, бормоча что-то про Gremlins. Срезы были идеально подготовлены с помощью микротома, демонстрируя классическую гистологию кости.
На первый взгляд кость может показаться лишь куском затвердевшего кальция, но на самом деле она состоит из разнообразных клеток. Самые известные – костные клетки (техническое название – остеофиты), но есть еще два менее известных типа. Второй тип – остеобласты, которые откладывают кальций и белки, формируя слои твердого костного матрикса, а затем оказываются в ловушке собственных отложений, образуя новую кость. Эти клетки производят костную ткань: обычно они увеличивают длину и толщину кости (в названии клеток есть буква Ь, что помогает запомнить: эти клетки создают кость – bone making).
Третий тип – остеобласты, это крупные клетки с множественными ядрами, которые поедают костную ткань. Они “пережевывают” матрикс или проделывают в нем дыры, удаляя и моделируя костную ткань, как садовник, подстригающий кусты (в названии есть буква с из слова “жевать” – bone chewing). Динамическое равновесие между остеобластами и остеокластами (клетками, создающими и “жующими” костную ткань) обеспечивает гомеостаз кости. Уберите остеобласты – не будет формироваться новая кость. Повредите остеокласты, поедающие кость, – и та “окаменеет”, как говорили патологоанатомы прежних времен, станет на вид крепкой, но трудно восстанавливаемой. Внутренние полости сократятся, сдавливая пространство, отведенное для костного мозга, что ускорит развитие болезни, называемой остеопетрозом[147].
Но кость не только уменьшается и увеличивается в толщину, она растет еще и в длину. И здесь кроется клеточная тайна. Мы уже обсуждали клетки, позволяющие органам увеличиваться в ширину. Но как клетки могут распространяться в одном направлении, чтобы увеличивать орган в длину? Анатомы прошлого, включая Мари Франсуа Ксавье Биша, обратили внимание, что формированию многих костей предшествует образование матрицы из хрящевой ткани. Затем происходит отложение солей кальция, и матрица твердеет с образованием знакомой нам костной структуры и растет дальше. Наиболее значительное удлинение происходит на концах костей, а средняя часть остается почти неизменной. В середине 1700-х годов хирург Джон Хантер ввинтил два шурупа в растущую кость подростка. Он заметил, что со временем расстояние между винтами не изменилось. Но если бы он ввинтил шурупы в концы кости, он бы увидел, как она удлиняется – со временем шурупы разошлись бы, как два конца эластичной ленты удаляются друг от друга при ее растяжении. Короче говоря, на концах кости (но не в середине) есть клетки, которые создают новые клетки, удлиняющие кость.
В кости есть особое место, как раз там, где ее головка – кулакообразный конец длинной кости – соединяется с так называемым телом кости. Где-то на этом стыке, в глубине кости, находится структура, называемая “пластинкой роста”. Если вы соберете пальцы в кулак и представите, что нижняя часть руки – это тело длинной кости, а кулак – ее конец, то пластинка роста будет располагаться где-то в районе запястья.
Пластинка роста существует у детей и подростков – иногда ее можно увидеть на рентгеновских снимках как белую полосу, – но у взрослых она постепенно закрывается. Вы можете представить себе пластинку роста как детский сад для молодых клеток кости. Именно пластинка роста дает начало зрелым хрящевым клеткам и остеобластам. Молодые хрящевые клетки, а затем костеобразующие остеобласты мигрируют от пластинки роста в область, прилегающую к головке кости, откладывая новый матрикс и кальций между головкой и телом кости, что, в свою очередь, приводит к удлинению кости.
И вот тут-то и сыграли роль срезы Дэна. Ученые уже десятки лет знали о существовании пластинки роста. Но как поддерживается рост костей, особенно в подростковом периоде, когда юноши и девушки прибавляют по
