Со всеми успехами биотехнологии и тканевой инженерии в создании искусственных органов в самое ближайшее время мало кто сомневается. Но несмотря на весьма перспективную картину, до сих пор не решен основной вопрос – источник живых клеток. Оптимальный, с точки зрения многих специалистов, зародышевый материал нельзя использовать как из этических соображений, так и из-за вопросов биологической безопасности – ведь в любом случае это клетки другого организма.
В ноябре 2007 года учёные сообщили, что смогли превратить клетку кожи взрослого человека в полноценный аналог эмбриональной стволовой клетки. Теперь врачам не нужны ни человеческие эмбрионы, ни ответ на вопрос, насколько этично получать из них материал для трансплантации. Органы на замену утраченным можно будет выращивать из клеток самого пациента.
Сразу две исследовательские группы сообщили о поистине революционном открытии в области биологии, по сравнению с которыми «клонирование» обезьяны – лишь хорошо выполненный студенческий практикум.
Ученые университета Висконсина в Мэдисоне под руководством Цзюньина Юя и Джеймса Томсона из Центра генома в Висконсине и исследовательская группа из университета Киото, ведомая Синя Яманакой, практически одновременно сообщили о том, что им удалось перепрограммировать обычные человеческие клетки, создав линию плюрипотентных клеток, неотличимых от эмбриональных.
До сегодняшнего дня основной надеждой для нуждающихся в восстановлении тканей и органов были эмбриональные стволовые клетки.
Вообще все стволовые клетки обладают способностью к делению и потентностью – возможностью дифференцироваться в другие клетки организма. Правда, располагающиеся в тканях стволовые клетки взрослого человека способны лишь к преобразованию в клетки своего зародышевого ростка (эндо-, экто- или мезодермы), то есть они мульти- или олиго- потентны.
Ключевое отличие эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) – плюрипотентность, т.е. способность дифференцироваться в один из известных 220 цитофенотипов человеческого тела. Это и делает их столь интересными и привлекательными не только для ученых, занимающихся фундаментальной наукой, но и для врачей, пытающихся вернуть безнадежно больным утраченные способности. Поэтому подобное открытие снимет еще и дополнительные этические проблемы, возникающие в клинической работе с клетками.
Американская группа работает в лаборатории Джеймса Томпсона, впервые выделившего эмбриональные стволовые клетки человека в 1998 году. Несмотря на то, что подобные работы ведутся во многих странах мира, в том числе и в России, вопрос о моральном праве ученых работать с абортивным и фетальным материалом – человеческими зародышами – остается спорным. Тем более что клиническое применение полученных из ЭСК клеточных линий запрещено: кроме этических аспектов и иммунологической несовместимости (пересаживаемый эмбриональный материал принадлежал другому организму), не исключен риск малигнизации, озлокачествления – развития опухоли из пересаженных клеток.
Подобные споры и боязнь того, что коммерческий интерес превозобладает над научным, привели к тому, что с 2001 года в Соединённых Штатах и в других странах мира работать с человеческими ЭСК можно только в научных целях и только государственным лабораториям.
Для того чтобы превратить обычные клетки в плюрипотентные, американские ученые внедрили в ядро набор из четырех генов.
Объектом стал обычный человеческий фибробласт кожи – легко доступная и получаемая культура, не обладающая свойствами стволовости, но, тем не менее, прекрасно делящаяся в пробирке.
Ученые говорят, что обнаружили эти генетические факторы «стволовости» в яйцеклетке. Получается, что этими факторами, сами того не осознавая, уже сорок с лишним лет пользуются специалисты по клонированию, вводя в яйцеклетку ядро обычной клетки взрослого организма. Несмотря на то, что подобное микроокружение дает ядру возможность сформировать эмбрион со своим генетическим материалом, истинная природа этих факторов до сегодняшнего дня оставалась неизученной.
Интересно, что киотская группа сообщает о тех же четырех генах, правда, их право на лидерство более существенно, ведь Яманака еще летом сообщал в Cell об открытии этих четырех генетических факторов плюрипотентности. Они даже говорили о возможности своеобразного клонирования мыши на основе полученных линий, причем работа была опубликована в одном из самых авторитетных научных журналов – Nature.
Японские ученые также внедрили эти гены во взрослые человеческие клетки, получив схожую с ЭСК клеточную популяцию. Правда, висконсинская группа уже сообщила о создании с помощью нового метода восьми новых клеточных линий. «Хорошо, что не одиннадцати», шутят биологи, намекая на скандальные результаты корейского профессора Хвана У Сука. Более детально об этой работе станет известно в конце декабря, когда планируется опубликование полных научных статей в Science и Cell соответственно.
То, что две параллельно работающие группы добились столь феноменального результата практически одинаковым способом, лишь подтверждает достоверность открытия.
Впрочем, небольшие отличия имеются. Яманака и его коллеги использовали те же гены, что были задействованы для клонирования мыши – OCT3/4, SOX2, KLF4 и c-MYC. То, что они сработали и у людей, удивило и самого японского профессора. Источниками клеток послужили 36-летняя женщина и 69-летний мужчина, а эффективность получения аналогов эмбриональных клеток составила примерно одна линия на 5 тысяч человеческих клеток.
Висконсинская группа не поверила в то, что «мышиные» факторы сработают, и попробовала выделить свои. Два из них совпали (OCT3/4 и SOX2), а два оказались иными – это NANOG и LIN28. Эффективность, правда, у американцев оказалась примерно вдвое ниже, несмотря на то, что клетки они брали от человеческого эмбриона и новорождённого мальчика.
Достижения американских и японских ученых позволят создавать клеточные линии с генетическим материалом пациента, а следовательно – без риска иммунологического отторжения. А если удастся подобрать достаточно безопасный способ пересадки этих четырех «генов плюрипотентности» в ДНК живых клеток, такой способ может стать рутинной процедурой во многих клиниках, обладающих простейшими лабораториями.
На этот раз объектом номер один стали мужские яички, содержащие примордиальные клетки, дающие при делении сперматозоиды.
Как выяснилось, они обладают свойством плюрипотентности, то есть способны превращаться во все известные типы клеток взрослого организма. В этом смысле они полностью «равны» эмбриональным стволовым клеткам. Хотя Томас Скутелла из Университета Тюбингена и его немецкие и британские коллеги ограничились демонстрацией лишь самых базовых возможностей своих «подопечных», в преимуществе примордиальных клеток над существующими источниками для клеточной терапии ученые не сомневаются.
Преимуществ – в перспективе и терапевтических – у стволовых клеток немало, вот только до недавнего времени свобода выбора была очень ограничена из-за предопределенности судьбы отдельных клеточек нашего организма. Это связано с разделением зародыша на три листка еще в ходе эмбрионального развития. Экто-, эндо- и мезодерма, известные уже больше века, дают начало соответствующим тканям, а ткани, объединяясь, формируют органы.
обладают свойством плюрипотентности, то есть они могут дифференцироваться в любые клетки, из которых состоит организм – клетки эндодермы, мезодермы и эктодермы. Это свойство отличает их от мультипотентных стволовых клеток, которые могут дифференцироваться лишь в различные специализированные клетки того или иного типа.
Тем не менее, из плюрипотентной клетки не может развиться полноценный организм, поскольку из неё не могут появиться клетки, необходимые для такого развития, внешние по отношению к эмбриону – например, клетки плаценты. Клетки, которые могут дифференцироваться и в клетки плаценты называются тотипотентными. В человеческом организме таковой является зигота – продукт слияния яйцеклетки и сперматозоида в процессе оплодотворения, а также клетки двух последующих стадий дифференцировки – бластомеры и эмбриобласты.
Даже самые «перспективные» мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки, получаемые из костного мозга, превращаются лишь в ткани мезодермального происхождения: кость, мышцы и жир. А получить нейроны из стволовых клеток эпителия и вовсе невозможно.
То, что авторы публикации в Nature обратились к яичкам, неудивительно. Ведь именно там «презарождается» наша жизнь, когда из примордиальных клеток образуются сперматозоиды. Предварительные исследования мышиных яичек оказались весьма обнадеживающими, так что Скутелле и его коллегам оставалось только повторить удачные эксперименты, но уже с человеческим материалом.
И это им удалось: из паренхимы яичек они выделили клеточки, практически идентичные эмбриональным стволовым.
Поскольку последние можно получить только из живых человеческих зародышей и абортивного материала, то первое преимущество нового метода становится очевидным.
Что же касается потенциала к превращению в другие клеточные типы, а следовательно, и перспектив клинического применения, то здесь тоже все оказалось удачно. Конрад и её коллеги получили несколько дифференцированных линий, в частности, инсулинсинтезирующие клетки поджелудочной железы, кроме того, продемонстрировали плюрипотентность и сходство своих подопечных с эмбриональными стволовыми клетками. Кстати, ровно такие же доказательства – несколько дифференцированных линий – в своё время представлял и оскандалившийся позднее кореец Хван У Сук; хочется надеяться, что со Скутеллой такого не случится, научное сообщество хорошо научено горьким корейским опытом.
Как и у эмбриональных стволовых клеток, у выделенных из яичек плюрипотентных клеток есть многочисленные маркеры, косвенно свидетельствующие о их «стволовом» состоянии.
А самое главное – при выращивании в чашке они дают производные всех трех упомянутых листков.
Если же пересадить помеченные примордиальные клетки в эмбрион на совсем ранних стадиях развития, то они даже принимают участие в развитии некоторых органов.
эмбриома, дизэмбриома – опухоль, возникающая в результате нарушения эмбрионального развития тканей. Встречается преимущественно в детском или молодом возрасте; локализуется в половых железах, реже в других органах и частях тела.
Как правило, состоит из многих тканей (соединительной, эпителиальной, мышечной, нервной и других) с включениями дифференцированных дериватов этих тканей (например, зубов, волос). Наиболее сложные состав и строение у тератомы из ранних бластомеров или из первичных половых клеток, которые тотипотентны (способны давать начало любым тканям организма). Состав тератом, возникающих на более поздних стадиях эмбрионального развития (после гаструляции), ограничен формообразовательными потенциями того зародышевого листка или зачатка органа, от которых происходит данная тератома.
Появления каких-либо опухолей у людей учёные допустить не могут – потому и эксперименты пока проводят только на мышах. Впрочем, если верить ученым, появления опухолей легко избежать, если проводить первый этап дифференцировки в пробирке, а пересаживать клетки с уже определившейся судьбой. Тем более что «источник вечной молодости» оказался весьма стабильным: у всех 22 добровольцев, среди которых даже были пациенты с небольшими проблемами сперматогенеза, выделялось достаточное, а главное, постоянное количество примордиальных клеток.
Правда, теперь коллектив рискует получить обвинения в шовинизме, ведь из соображений иммуносовместимости воспользоваться их достижениями смогут только мужчины.
Выделить подобные клетки из женских яичников невозможно, поскольку в женском организме первый этап образования половых клеток завершается ещё в эмбриональном периоде.
Зато других ограничений в первом приближении не предвидится, и из яичек можно будет получить, к примеру, сетчатку глаза или даже нейроны мозга.
