Современные генетики моделируют в пробирке самые опасные и смертельные человеческие заболевания и ищут способы их лечения, используя все виды клеток человека, но откуда они получают эти клетки? Если взять клетки человеческой кожи или крови, поместить их в пробирку и заставить в них работать четыре гена, можно переделать их так, чтобы они превратились обратно в стволовые клетки, как у шестидневного эмбриона. Такие клетки ученые называют ИПСК — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, из них они умеют создать всё, что им нужно.
Из таких недиффиренцированных клеток современные генетики умеют получать множество различных типов клеток и даже сложные ткани — нейроны различных типов, аналоги клеток сердечной мышцы, клетки и аналоги кожи, функциональных единиц печени, почек и кишечника, то есть, буквально всё, что может потребоваться для медицинских и биологических исследований. Если задаться целью, можно даже создать целый организм из стволовых плюрипотентных клеток. Например, вырастить настоящую живую мышь, тело которой состоит только из производных ИПСК.
Впрочем, живых мышей и в природе достаточно, а вот живую человеческую почку, печень и, тем более, сердце найти непросто. Для трансплантации используют органы погибших в ДТП молодых и относительно здоровых людей, но пациентов, нуждающихся в новом органе на порядки больше, чем у врачей бывает таких доноров. Выращивать новые органы в лабораториях — это уникальный способ спасти жизнь тысячам людей. Существует реальная перспектива использования организмов свиней, у которых из-за генной мутации не развиваются свои почки или другие внутренние органы. На месте отсутствующих органов можно выращивать человеческие. Для этого в эмбрионы животных имплантируют плюрипотентные стволовые клетки человека. Причем, фибробласты (клетки кожи) для их превращения в стволовые клетки берутся у того пациента, для которого нужно вырастить орган. В результате пациент получает новый орган из своих собственных клеток, что автоматически решает отдельную большую проблему отторжения органа после пересадки.
Правда, поскольку донорские органы для человека растут внутри свиньи какое-то время, то в них все равно вырастают свиные клетки и сосуды в них тоже прорастают свиные, поэтому сегодня специалисты заняты решением уже этой проблемы. Вероятно, в таком описании эта технология пока не внушает доверия и надежды, но нужно не забывать, что современная трансплантология не так давно казалась чем-то фантастическим, и количество неудачных операций в этой области в первые годы практики было колоссальным.
Нобелевская премия за второе рождение
Впервые перепрограммировать клетки и превращать их в стволовые удалось японскому учёному Синъе Яманаке, поэтому данный метод носит его имя. Факторы Яманаки — это четыре гена, которые любую клетку лишают своих отличительных свойств и как бы «возвращают» в тот период их развития, когда она ещё была не определившейся эмбриональной клеткой. Сначала это открытие вызвало скепсис в научном сообществе, но когда массово стали заниматься этими экспериментами, то выводы были неоднократно подтверждены, и обнаружены еще несколько генов, которые тоже возвращают любую клетку взрослого человека в состояние эмбриональной. Это произвело настоящий фурор в научной среде. Ведь повернуть время вспять даже для нескольких клеток — это так созвучно всеобщей мечте о вечной жизни и вечной молодости.
В условиях лаборатории стволовые клетки чаще всего используются для двух направлений исследований — регенеративная медицина и моделирование различных патогенных состояний на клетках и поиск наиболее эффективных способов их терапии. Особенно это касается наследственных заболеваний сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, которые сложно изучать на моделях лабораторных животных. Далеко не все человеческие заболевания можно воссоздать на мышах. Например, болезнь Паркинсона. Даже если внести определенные поломки в её генах, они будут проявлять себя только на молекулярном уровне, а в целом мышь себя будет достаточно неплохо чувствовать, в отличие от человека с такими поломками.
Фенотипически человеческие заболевания на грызунах могут не проявляться. Некоторые гены, которые есть у мыши, работают немного не так, как у человека, да и физиология органов человека и животных отличается некоторыми деталями, которые могут влиять на результаты экспериментов. Чем опыты на живых клетках лучше, чем на живых организмах? Процессы в клетках можно наблюдать непосредственно под микроскопом, не останавливая их. На лабораторных животных можно сделать рентгеновские снимки или прооперировать их, чтобы изучить морфологию органов, при этом взаимодействие веществ и клеток на молекулярном уровне пристально изучать можно в чашках Петри.
Клетки сердца в чашке Петри
Нейроны и кардиомиоциты — это подходящие человеческие клетки для таких исследований. Нейродегенеративные заболевания лучше всего изучать на нейронах, причем на нейронах именно того отдела мозга, который страдает при конкретном заболевании. Увидев какую-то определенную поломку в клетках этого типа, можно постепенно прийти к пониманию, каким образом её можно исправить. Кардиомиоциты, полученные из плюрипотентных стволовых клеток какого-то человека, могут воспроизводить физиологические и биохимические нарушения и его реакцию на лекарственные препараты, поскольку они совпадают со всеми остальными клетками донора, то есть, обладают тем же геномом, со всеми его индивидуальными особенностями. Это методика используется для тестирования и разработки лечения.
— Опыты на клеточных культурах вышли на принципиально новый уровень, когда учёные получили возможность работать с любыми клетками организма, будь то клетки сердечной мышцы, клетки почек, легких, печени и даже клетки черной субстанции среднего мозга, которая отвечает за развитие болезни Паркинсона, — поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории эпигенетики развития Института цитологии и генетики СО РАН Сергей Медведев. — Мы взаимодействуем с ведущими медицинскими центрами нашей страны, такими как НМИЦ им. Е. Н. Мешалкина и ФГБУ «Федеральный центр нейрохирургии» в Новосибирске, а также медицинскими центрами из Москвы, Санкт-Петербурга, Томска. Это практикующие клиники, в которых ежегодно проводят тысячи операций пациентам со всех регионов нашей страны. Если диагноз пациента подпадает под направление наших исследований, то мы предлагаем ему принять в них участие, подписав информированное согласие и сдав нам несколько миллилитров крови.
Учёные выделяют из клеток пациентов ДНК, секвенируют ее и со временем создают целую библиотеку геномов пациентов с различными диагнозами. Данные секвенирования анализируют специалисты в области биоинформатики. Другая часть клеток замораживается, чтобы всегда иметь возможность разморозить их и получить ИПСК, провести необходимые эксперименты, если нужно, например, проверить действие нового препарата или комплексного воздействия препаратов.
Живые системы или реальная модель человека
Перепрограммировать главные клетки крови (эритроциты) не представляется возможным, поскольку они не содержат ядра, а именно оно и является основным объектом волшебных превращений. Итак, из лейкоцитов пациентов учёные получают плюрипотентные стволовые клетки. Это даёт возможность в будущем получить из них любые требуемые для исследований клетки — нейроны нужного типа, кардиомиоциты и другие клетки данного конкретного пациента. Теперь генетики могут смоделировать процесс, который происходил бы, например, в сосудах, в легких или в мозгу у этого человека, если бы он получал то или иное лечение.
Однако ещё до того, как разработать лекарство и испытывать его действие на клетках, нужно исследовать само заболевание, рассмотреть, какие поломки в ДНК клеток сопровождают его и какие «неправильные» биохимические реакции происходят в этих клетках на молекулярном уровне. В каждой нашей клетке одновременно идут тысячи реакций — синтезируются белки, экспрессируются гены, выделяются метаболиты, одним словом, клетка — это сложная живая система.
Изучение реальных моделей живых систем — это передний край науки, сложнейшая задача, требующая самого современного инструментария. Уже существуют способы изучить белки и даже предсказать их структуру. С помощью рентгеноструктурного анализа, криоэлектронной микроскопии или синхротронного излучения можно видеть взаимодействие белков с какими-то молекулами веществ. Например, увидеть, какая аминокислота в белке взаимодействует с какой-то молекулой потенциального лекарственного вещества. Это значит, мы сможем подобрать молекулы, чтобы повлиять на ДНК, РНК или белки так, как нам нужно. Вся область изучения молекулярных внутриклеточных процессов в последнее десятилетие отмечалась Нобелевскими премиями, присуждаемыми то за изобретение новых методов исследований, то непосредственно за научные открытия, сделанных благодаря этим методам.
Невероятных успехов достигли создатели системы искусственного интеллекта, способной предсказать структуру белка по последовательности его аминокислот с очень высокой степенью достоверности. Современные генетики сегодня имеют технологии структурной биологии, клеточные модели живых систем и информационные системы высокой предсказательной силы. Кроме того, в их руках теперь есть и новая технология редактирования геномов с помощью CRISPR-Cas9, которая очень широко используется в лабораторных экспериментах.
В конечном варианте исследования от моделей в чашках Петри всё равно рано или поздно придут к изучению непосредственно пациента, но с появлением клеточных моделей учёные получили уникальную возможность сузить пределы своих поисков и сократить их время во много раз, а не «прочёсывать» десятилетиями всю потенциально значимую территорию исследований. Получив возможность смоделировать процессы в конкретных типах клеток, биологи приблизились к решению вопросов жизни и здоровья миллионов людей. Этими задачами сегодня и занимается лаборатория эпигенетики развития ИЦиГ СО РАН.
Проект «3.14 Будущее наступило» создан при поддержке министерства науки и высшего образования РФ.
Подпишитесь на нас в Telegram
