Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Таким образом, данные Моррисона, вероятно, позволяют ответить на третий вопрос. Как утолщаются и заращиваются после переломов кости взрослого человека, у которого нет или почти нет клеток пластинки роста? Возможно, за эту функцию отвечает резервная популяция других клеток (находящихся не в пластинке роста, а в костном мозге). Мы думаем, что клетки, появляющиеся первыми (те, которые обнаружил Дэн), формируют и удлиняют кость во время внутриутробного развития, а затем выполняют более ограниченную функцию, поддерживая рост пластинки при взрослении. Более поздние клетки (обнаруженные Моррисоном) действуют как отдельная армия, заращивая переломы и поддерживая целостность кости. Такая стратегия двух армий позволяет решать задачи по созданию и сохранению костной ткани. Зачем нужны две армии? Этого мы не знаем.
В 2017 году Дэн вернулся в Австралию, оставив меня в одиночестве, но потом перебросил через океан еще одну (очень ценную) “гранату”. Джиа Инг – небольшого роста, настойчивая и такая же энергичная и решительная, как Дэн, – прибыла в лабораторию в 2017 году, чтобы продолжить исследования клеток с помеченным белком Gremlin. Если Дэна интересовала физиология (как растет костная и хрящевая ткань), то Джиа сосредоточилась на патологических процессах (как эти ткани распадаются).
Остеоартрит – это вырождение хрящевой ткани. Старая догма гласит, что постоянное трение одних костей о другие приводит к истончению смазывающей прокладки хряща на головке кости, скажем бедренной. Хрящевые клетки на контактирующих поверхностях отмирают, и кость начинает изнашиваться. Так что Джиа принялась изучать мышей с остеоартритом, пользуясь методиками Дэна.
Первый сюрприз касался местоположения: локализация, локализация и еще раз локализация. Мы были настолько заворожены скелетными стволовыми клетками, порождающими новые клетки хряща и кости в пластинке роста, что не обратили внимания на второй участок их локализации. Посмотрев свежим взглядом, мы заметили клетки OCHRE с помеченным белком Gremlin еще и в тонком слое, покрывающем, как вуалью, головку кости. Они сидели, заманчиво поблескивая, в месте соединения двух костей, именно там, где начинает развиваться остеоартрит.
Трудно передать, в каком возбуждении мы находились в последующие дни. Я проглатывал утренний кофе, хватал ноутбук, долетал до лаборатории по шоссе и бросался в комнату для микроскопии, где Джиа уже установила слайды срезов, сделанных предыдущей ночью (она работала допоздна, я начинал рано утром). Я включал микроскоп и начинал смотреть и подсчитывать. Наблюдать.
Джиа вернулась к эксперименту Дэна по отслеживанию линий: с помощью несмываемой молекулярной татуировки она помечала клетку, ее детей, внуков и так далее. Как и в экспериментах Дэна, здесь нас тоже ждал сюрприз. Когда Джиа в первый раз пометила клетки, мы обнаружили их в тонком слое, покрывающем поверхность сустава. А по прошествии нескольких недель они начали слой за слоем формировать на суставе хрящевую ткань. Примерно через месяц мы обнаружили под слоем хряща клетки кости.
Но что происходит с этими клетками при артрите? Мы написали совместный проект, предполагая, что клетки с помеченным белком Gremlin (или клетки ORCHE) выступают в роли резервуара для восстановления ткани. Мы выдвинули гипотезу о том, что при развитии артрита мышиные клетки OCHRE пытаются восстановить утерянный хрящ – во многом таким же образом, как стволовые клетки или клетки-предшественники в других органах пытаются восстановить изношенную или поврежденную ткань. Остеоартрит – это forme fruste, состояние, при котором ткань пытается себя возобновить, но безуспешно.
Ученые часто пишут о том, какую радость доставляет подтверждение гипотезы или теории. В начале 1900-х годов идея Эйнштейна о постоянстве скорости света наглядно доказала справедливость более ранних экспериментальных наблюдений Альберта Майкельсона и Эдварда Морли (“Если бы опыт Майкельсона – Морли не привел нас в серьезное замешательство, никто бы не счел теорию относительности [наполовину] искуплением”, – писал позднее Эйнштейн6). Но в науке случается радость и другого типа, когда оживление по какому-то поводу оказывается ошибочным. Это такое же радостное событие, но с противоположным знаком: когда эксперимент доказывает, что гипотеза ошибочна, стрелка истины поворачивается, как флюгер, точно в противоположном направлении.
Через три недели после того, как Джиа индуцировала у мыши артрит (что можно сделать несколькими способами, например ослабив один из бедренных суставов; это повреждение средней тяжести, так что мыши почти всегда выздоравливают), мы вернулись к микроскопам для изучения срезов кости. Мы надеялись увидеть, как клетки OCHRE, подсвеченные флуоресцентным белком, активно размножаются, пытаясь устранить повреждение. Комнату залил все тот же сине-зеленый свет.
Мы полностью ошибались. Как и ожидалось, у молодой мыши без артрита образовался слой меченых клеток OCHRE, располагавшихся в виде блестящей полоски на поверхности сустава. Но у мыши с повреждением, вопреки нашим ожиданиям, эти клетки не только не проявили дополнительной активности и не начали делиться, чтобы спасти сустав, но либо уже умерли, либо умирали. Повреждение убило стволовые клетки – так что они не могли больше поддерживать синтез хрящевой ткани.
Я выключил микроскоп, и пришло озарение. Может быть, остеоартрит – это болезнь, вызванная потерей стволовых клеток? На первых стадиях заболевания повреждаются стволовые клетки, которые синтезируют хрящевую ткань, так что они больше не могут поддерживать образование хряща. Нарушается баланс между ростом и вырождением. Повреждение нарушает способность хрящевой ткани сустава поддерживать внутреннее равновесие – между ростом новой хрящевой ткани (с помощью стволовых клеток) и распадом старой (из-за возраста и повреждений).
(а) Клетки молодой мыши, светящиеся из-за присутствия флуоресцентного белка Gremlin, (б) Тот же сустав после индуцирования артрита: видно постепенное отмирание и исчезновение клеток, синтезирующих белок Gremlin.
Из работы Джиа Инг.
Мы провели великое множество экспериментов, чтобы подтвердить эту гипотезу. Тогрул Джафаров из Канады подхватил работу Джиа. Используя очень точный метод, он научился уничтожать клетки с помеченным белком Gremlin, вводя в коленный сустав химическое вещество (по сути, этот эксперимент противоположен эксперименту Джиа): если остеоартрит приводит к гибели клеток с помеченным белком Gremlin, возникнет ли остеоартрит в результате уничтожения этих клеток? И действительно, у мышей развивался остеоартрит. Разрушение суставов происходило даже у молодых, здоровых, подвижных и в остальном совершенно нормальных мышей. Они хромали, пока клетки не начинали восстанавливать хрящ.
Джафаров продолжал опыты. Он инактивировал ген, необходимый для поддержания жизни клеток, синтезирующих белок Gremlin, тем самым уничтожив их генетическим путем. У мыши опять развился остеоартрит, причем на сей раз в более тяжелой форме, чем мы наблюдали ранее. (Я ахнул, когда увидел те кости. В некоторых местах хрящевая ткань была изъедена до такой степени, что конец кости походил на
