На что способны стволовые клетки: как повернуть жизнь вспять?

Стволовые клетки дают начало всем клеткам организма — как от ствола дерева отходят все его ветви. Они — как младенцы: одна, когда вырастет, станет клеткой крови, а другая — нервной клеткой, и так далее

Нобелевская премия за возможность начать сначала

Вплоть до XX века ученые полагали, что живая клетка — как человек: в детстве все дороги открыты, а после созревания и взросления обратного пути уже нет. Но в 2012 году Нобелевскую премию вручили ученым, которые перевернули это представление. Они доказали, что зрелые клетки могут быть «перепрограммированы» обратно в состояние юности и созреть заново, выбрав другую судьбу. Эту технологию перепрограммирования обозначают английской аббревиатурой iPSC (Induced pluripotent stem cell — индуцированные стволовые клетки). Она означает, что стволовые клетки не взяты готовыми (например, из эмбриона), а созданы из обычных клеток; а также то, что такая клетка может стать любой, какая только существует в человеческом организме — и быть использованной для лечения.

Как работают с технологией iPSC. Адаптировано из обзорной статьи австралийских ученых от 2020 года

В статье о вакцине можно получить представление о том, какой многолетний путь проходит любой лекарственный препарат от создания до поступления в аптеки: сначала изучение в пробирках, потом на лабораторных животных и лишь затем, с большой осторожностью — на добровольцах.

Но как искать лекарства от болезней мозга? Ведь идея извлечь несколько клеток из человеческой головы даже не обсуждается. Но что если взять, скажем, волос человека, страдающего болезнью Паркинсона, и сделать из него модель мозга — модель заболевания — и подбирать лекарства не на лабораторных мышах, а на этой модели?

Волос + губка = сердце

Радует, когда ученые не замыкаются на своем предмете, а демонстрируют общую эрудицию. Так, строка из 47-го сонета Шекспира «У сердца с глазом тайный договор» стала эпиграфом к публикации итальянских исследователей о лечении болезней сердца с помощью стволовых клеток. Ученые брали образцы клеток у людей, болеющих мышечной дистрофией — и, используя технологию iPSС, моделировали ткань сердца каждого конкретного пациента (люди с этим заболеванием нередко погибают именно от сердечной недостаточности: другим мышцам организма можно помочь физкультурой или лекарствами — с сердцем же дело обстоит труднее). Ученые проводят попытки лечения этого генетического недуга как посредством iPSC, так и с использованием технологии CRISPR/Cas9.

Кроме того, в начале тысячелетия искали способ применения стволовых клеток для реабилитации людей после инфаркта миокарда. Медики обсуждали: что же такое стволовые клетки сердца — надежда или иллюзия? Проблема получила гласность в 1998 году, когда команда Пьеро Анверзы из Нью-Йорка заявила, что нашла в сердце стволовые клетки (до этого считалось, что в работе сердца участвуют только «взрослые» клетки). Через пять лет сотрудники Анверзы нашли способ «пометить» эти клетки, чтобы под микроскопом было видно именно их.

Идею подхватили во всем мире. Но, к сожалению, воссоздать опыты Анверзы не удавалось, и до сих пор идет расследование и судебный процесс: подозрение в подделке результатов по-прежнему не доказано, но и не опровергнуто. Большинство статей этой группы ученых временно отозвали — но поиски продолжают другие команды по сей день: это видно на сайте clinicaltrials.gov. В ряде исследований удалось уменьшить объем повреждения сердца мыши после инфаркта инъекцией особых стволовых клеток.

Срезы сердца мышей после инфаркта. Розовое — здоровые участки. Истонченное синее — умершая ткань. Справа меньше всего умершей ткани — в это сердце ввели стволовые клетки, запрограммированные так, что они выделяют особые молекулы. Работа корейских ученых от 2019 года.

Клетки пациента чаще всего получают из мочи, кусочка верхнего слоя кожи или иным доступным способом. А в 2008 году в Европе получилось сделать настоящие клетки сердца из человеческого волоса! В открытом доступе есть полуминутная демонстрация их сокращений.

Слева вверху чашки Петри с клеточными культурами через 17 дней после начала перепрограммирования (розовым окрашены те, у которых есть белок, отвечающий за более эффективное перепрограммирование). Слева снизу — готовый слой клеток сердца, клетки сокращаются как в живом сердце. Справа — они же под микроскопом

После того, как из iPSC получаются зрелые клетки, нужно создать объемную структуру — пересадить их на 3D-каркас. Как правило, для этого используют синтетические материалы, но в 2019 году опубликованы иллюстрированные результаты международного проекта с участием сотрудника биологического факультета МГУ Вячеслава Иваненко. Ученые использовали в качестве каркаса морские губки: клетки сердца на них начали сокращаться уже через сутки после высаживания!

А коллектив авторов из Рязани опубликовал в журнале «Наука молодых» результаты исследований клеток кровеносных сосудов, полученных из iPSC. Это дает возможность наглядно изучать стенки сосудов — ведь мы не можем увидеть их у живого человека. Например, ранее удалось выявить молекулярные признаки повреждения сосудов, изучить сосуды при сахарном диабете.

Слева — плоская культура клеток стенки сосуда. Справа — объемная модель малых сосудов на коллагеновом каркасе

Ученые МФТИ за последние годы доказали, что можно проверять токсичность и связанные с сердцем побочные эффекты препаратов с помощью моделей, созданных при помощи iPSC. Так, удалось проверить циклофосфамид, лидокаин, эритромицин и изучить механизмы возникновения аритмий.

Мозг: синдром Дауна, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона

Ученые МГУ в 2016 году использовали технологию iPSC для изучения механизмов того, как у людей с синдромом Дауна развивается болезнь Альцгеймера. Сразу несколько команд исследователей Московского университета совместно с центром Рогачева изучали этим методом болезнь Паркинсона.

Чтобы убедиться, что iPSC превратились в нервные клетки, под микроскопом к ним подводят микропипетку. Работа нервных клеток осуществляется благодаря электрическим импульсам: если их удается зарегистрировать, значит, клетки уже «созрели» и стали настоящими клетками мозга.

Если донор клеток страдает болезнью Паркинсона, то метод позволяет получить нейроны с этой патологией и подобрать лекарство, которое будет эффективно именно для этого пациента.

Модель органа с сосудами, доставляющими ему кровь с кислородом. С ее помощью можно исследовать, насколько хорошо лекарство будет проходить в мозг из кровяного русла — ведь там есть барьер. (адаптировано из обзорной статьи ученых Нью-Йорка)

Как стволовые клетки помогают изучить COVID-19

Совместная работа ученых США и Канады позволила подробно изучить течение коронавирусного поражения легких и нарушения газообменной функции с помощью технологии iPSC (что этичнее планируемого в Великобритании эксперимента). Метод позволяет продолжить поиски лекарственных средств и исследовать имеющиеся. Аналогично изучали действие COVID-19 на нервную ткань, чтобы объяснить механизм развития у пациентов неврологических симптомов. К нервной ткани также относится сетчатка глаза, поэтому в Тайвани создали однослойную культуру — модель сетчатки из iPSC, чтобы изучить, как вирус проникает в эти клетки.

Клетки легких, выращенные из iPSC. Слева — здоровые, справа — пораженные COVID-19

Органы из iPSC

Если можно выращивать из iPSC разные ткани и даже на объемных каркасах — можно ли выращивать из них целые органы? Оказывается, есть множество публикаций на этот счет. Например, в 2018 году в Челябинске вырастили похожие на зуб структуры из клеток, полученных из человеческой мочи. В перспективе это позволит имплантировать такие структуры на место удаленного постоянного зуба.

Фотографии развивающихся зубов под микроскопом (окрашены). Источник: studfile.net

А в 2019 году ученые Гарвардского университета придумали метод создания кровеносных сосудов в полученных органах. Для этого при помощи 3D-чернил в органе создают каналы, которые могут извиваться и разветвляться, как настоящие сосуды. Затем чернила из образованных каналов вымывают — каналы остаются пустыми — и ткань немедленно подключают к похожей на кровь (то есть способной переносить кислород) среде. При этом все клетки искусственного органа остаются жизнеспособными!

Слева: пипетка 2,5 мл, в ней около полумиллиарда клеток. По центру: 3D-печать — образование каналов в ткани органа. Справа: образованные каналы становятся кровеносными сосудами

Вечная молодость — реальна?

Если ученые уже научились омолаживать клетки, то почему нельзя омолодить всего человека? Дело в том, что наш организм состоит по большей части из уже зрелых клеток.

Из одной клетки, образовавшейся в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида, в процессе деления сначала получается «шарик из клеток», потом зародыш, который развивается в младенца и появляется на свет. Дальнейший рост ребенка также происходит за счет деления клеток.

Клетки, которые способны делиться — это «клетки-дети». Но большая часть клеток взрослого человека — уже «состоявшиеся». Мы можем взять несколько, сделать их «младенцами», перепрограммировать, снова вырастить и исследовать. Но даже если бы получилось все клетки человека вернуть в младенческое состояние — получился бы не младенец, а «шарик из клеток», какой был на начальных этапах развития под сердцем матери — только большого размера.

Этично ли?

Существует расхожее заблуждение, будто для получения стволовых клеток нужны человеческие эмбрионы. Выше мы уже опровергли это. А как насчет других этических вопросов?

В «Основах социальной концепции Русской Православной Церкви» стволовые клетки не упоминаются — однако есть положения касательно клонирования. Так, в разделе «Биоэтика» читаем:

«клонирование изолированных клеток и тканей организма не является посягательством на достоинство личности и в ряде случаев оказывается полезным в <…> медицинской практике»

Кроме того, с появлением iPSC часть исследований с участием лабораторных животных переквалифицировались на новые клеточные модели. Так что технология iPSC скорее решает этические трудности, чем создает их.