Максим Руссо: Перепрограммированные клетки и новые органы

Максим Руссо «Мини-мозг», выращенный из стволовых клеток в Институте молекулярной биологии в Австрии IMBA/Madeline A. Lancaster Интеллектуальный партнер проекта

Немногим больше года прошло с момента, когда в ноябре 2012 года одним из лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине был назван японский ученый Синъя Яманака, а термин «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки» (iPS-клетки) переместился со страниц специальных научных журналов в массовые издания. За прошедшее время интенсивность исследований в области применения стволовых клеток в медицинских целях ничуть не уменьшилась.

Напомним кратко суть дела. Стволовые клетки – это клетки-предшественники, которые способны в процессе деления превратиться в клетки других типов (дифференцироваться). Это делает их крайне ценными для лечения многих заболеваний, в том числе онкологических и нейродегенеративных, восстановления поврежденных органов и тканей, например, сердечной мышцы после инфаркта. Теоретически возможно даже вырастить новый орган. Однако получить стволовые клетки не так просто. Тотипонтентные (которые могут дифференцироваться во всё, что угодно) стволовые клетки составляют организм эмбриона на ранних стадиях развития. Во взрослом организме присутствуют стволовые клетки, способность к дифференцировке которых ограничена. Основными источниками их служат костный мозг и жировая ткань. Но стволовая клетка из костного мозга может превратиться в клетку крови, но не даст новых нервных клеток.

С эмбриональными стволовыми клетками тоже не всё ладно. Чужие стволовые клетки вызовут у пациента иммунный ответ. Да и законодательства ряда стран запрещают или ограничивают использование тканей эмбрионов человека в медицинских целях. Собственные эмбриональные стволовые клетки человека можно получить при его рождении из пуповинной крови,

Именно из этой ситуации нашел выход Синъя Яманака. В августе 2006 года он опубликовал в журнале Cell статью, в которой описал эксперимент по превращению обычных клеток мышей в стволовые. Летом следующего года следующий этап экспериментов был описан в Nature. В ноябре 2007 года Яманака и его коллеги получили стволовые клетки из клеток фибробластов человека.

Суть метода Яманаки состоит в ведении в геном клетки определенных генов. Когда-то, когда клетка была стволовой, эти гены в клетке уже работали, но в процессе дифференцировки они выключились. Если искусственно, создав специальный вирус, ввести в геном эти же гены, они начнут работать, и вскоре «проснутся» аналогичные гены самой клетки. В результате они заставляют (индуцируют) соматическую клетку превратиться в стволовую. Этот процесс сейчас часто называют перепрограммированием клетки. Огромный потенциал открытия Яманаки заставил Нобелевский комитет присудить ему премию в срочном порядке, менее чем через шесть лет после открытия (часто от открытия до награды проходят десятилетия) и в сравнительно молодом возрасте – 50 лет (средний возраст лауреатов в области физиологии и медицины – 58 лет).

Активные работы с iPS-клетками начали уже после первых публикаций Яманаки, в 2013 году интенсивность исследований отнюдь не снизилась. Ученые стремятся к созданию из клеток новых органов, но, если в деле дифференцировки клеток уже достигнуты определенные успехи, то заставить клетки образовать нужную трехмерную структуру, превратившись, например, в печень или почку, значительно сложнее. Но и тут в уходящем году был заметен прогресс. Группа ученых из Барселоны и Калифорнии смогла создать из индуцированных стволовых клеток структуры, напоминающие почки. В Колумбийском университете из индуцированных и эмбриональных стволовых клеток создали ткань легкого. Японские ученые не только смогли вырастить из iPS-клеток мыши подобие печени, но и успешно пересадить эту печень в организм мышей.

Среди работ по выращиванию органов интересна попытка английских медиков вырастить искусственные зубы, используя клетки десны взрослого человека и мезенхимальные стволовые клетки мыши. Сходного результата добились и китайские ученые, которые получили участки ткани зубов из iPS-клеток.

В Копенгагене успеха добилась группа, занимающаяся выращиванием ткани поджелудочной железы. Ученые получили клетки-предшественники нужного типа и сумели вырастить миниатюрный органоид, где присутствовала даже сеть островков, подобная той, которая есть настоящей железе. Органоид, существующей в гелевой среде, оказался способен вырабатывать пищеварительные ферменты или гормоны, такие, как инсулин. Подобные органоиды пока еще нельзя пересаживать в организм пациента, но уже можно использовать для тестирования лекарств от заболеваний соответствующего органа. В Институте молекулярной биологии в Австрии аналогичным образом вырастили даже органоид из ткани человеческого мозга.

А вот ученые из Токио, занимающиеся выращиванием из стволовых клеток слезных и слюнных желез, уже смогли пересадить полученные органы пациентам. Правда, пока в роли пациентов выступают мыши. Железы на момент публикации результатов исследования успешно работали уже 18 месяцев – очень большой срок для мыши. Это исследование поможет в дальнейшем при лечении ксерофтальмии – сухости роговицы глаза из-за прекращения работы слезных желез.

В Бостоне же сумели пересадить мышам искусственно созданные почки. В дном случае ученые применили технологию так называемого «бесклеточного матрикса». Матрикс – это каркас любого органа, окружающий каждую клетку. Сейчас разработан способ вымывать все клетки из матрикса, оставляя сам каркас неповрежденным. Что самое удивительное, затем этот каркас можно вновь заселить клетками соответствующего типа и вновь получить орган. Именно такие почки были пересажены мышам в эксперименте. Они работали менее эффективно, чем обычные, но всё-таки выполняли свои функции. Технология бесклеточного матрикса сейчас очень перспективна при трансплантологии, ведь она позволяет дать пациенту новый орган из его собственных клеток (полученных из iPS-клеток) и избежать тем самым иммунного отторжения.

Впечатляющий эксперимент с применением этого метода был в 2013 году проведен в Питтсбурге. Ученые получили матрикс сердца мыши, и заселили его человеческими клетками-предшественниками клеток сердечно-сосудистой ткани. Клетки были получены путем перепрограммирования клеток кожи в iPS-клетки. В результате ткани сердца восстановились и даже стали спонтанно сокращаться, достигнув 50 ударов в минуту.

С помощью перепрограммирования клеток ученые из Университета Миннесоты разработали метод лечения миодистрофии Дюшенна – заболевания, считающегося пока неизлечимым. Оно связано с точечной мутацией, которая блокирует синтез белка дистрофина. Эксперимент проводился на мышах. Исследователи взяли клетки кожи этих мышей, перепрограммировали их в плюрипотентные стволовые клетки, затем, использовав специально созданный мобильный генетический элемент (транспозон), внедрили в эти клетки ген, кодирующий недостающий белок. Наконец, ученые сумели также заставить полученные стволовые клетки дифференцироваться именно в клетки мышечной ткани.

Смотрите также: На МКС вырастят стволовые клетки Ученые повернули старение мышей вспять Александра Брутер Диагноз до рождения Британские биологи напечатали слой сетчатки