Стволовые клетки – почти опухолевые?

Стволовые клетки – почти опухолевые?

Человечество мечтает о вечной молодости или о возможности ее вернуть, чтобы получить еще один шанс начать все с начала, попробовать прожить жизнь еще раз. На одном средневековом полотне изображено, как очень пожилые люди омолаживаются после омовения в волшебном котле. А в греческом мифе даже описана регенерация органов: Прометей был наказан Зевсом, который хотел вылепить людей из глины. В наказание за гордыню Прометея приковали к скале. Каждый день орел клевал его печень, которая за ночь восстанавливалась. Откуда древние греки несколько тысяч лет назад могли знать, что печень человека обладает способностью к регенерации? Посетителям экспозиции стволовых клеток в цюрихском музее задали вопрос: «Задумывались ли вы когда-нибудь, сколько вам лет?» Единственные клетки, которым столько же лет, сколько следует из вашего свидетельства о рождении, – это клетки хрусталика глаза и клетки некоторых сухожилий – они не снабжаются кровью. Все остальные клетки в организме моложе и постоянно обновляются; клетки кожи обновляются каждые несколько дней (отмершие клетки отшелушиваются за счет действия грамположительных и грамотрицательных бактерий); волосы растут со скоростью 1 см в неделю, а ногти – 4 см в год; лейкоциты живут один день, а эритроциты – 100 дней. Клетки других органов и даже головного мозга тоже обновляются. В связи с этим возникает вопрос: «Действительно ли я постоянно меняюсь? Кто я?» Применительно к загадке Дельфийского оракула, известной как «парадокс Тесея» или «корабль Тесея», возникает точно такой же вопрос: если все части корабля заменены новыми, остался ли корабль прежним? И сколько ему лет? Аналогичным образом деревянные японские храмы по своей структуре очень древние, но на протяжении веков дерево, из которого их строили, неоднократно обновлялось.

Рост волос и ногтей – разве это не пример самообновления? Для этого нужно задействовать стволовые клетки. Выдерните волос, и в его нижней части окажется скопление клеток. Часть из них – стволовые клетки, которые могут развиться во взрослые клетки. Стволовые клетки прячутся в луковице фолликула. В процессе миграции на поверхность кожи под воздействием факторов, вырабатываемых их окружением, происходит дифференциация этих клеток. И наоборот, человеческие эмбрионы являются источником эмбриональных стволовых клеток (ЭС) человека. У них сильно выраженная изменчивость, они являются тотипотентными и в зависимости от стимула способны развиться во взрослую клетку любого типа, что может привести к формированию новой личности! Однако их нужно выделить из эмбриона перед имплантацией – то, что остается послеоплодотворения. Выделение стволовых клеток вызывает неоднозначную реакцию, и в ряде стран эти процедуры либо запрещены, либо носят ограниченный характер. Ученым, которые хотят работать с такими клетками, приходится переезжать в страны, где такие эксперименты разрешены. В Германии ЭС-клетки, видимо, были выделены до 2007 г. Плюрипотентные стволовые клетки развиваются в несколько различных органов или типов клеток, например в печень. Затем существуют  стволовые взрослые клетки, которые заменяют клетки в органах для их регенерации и могут вырасти только в определенные клетки. Стволовые клетки локализуются в эпителиальных тканях, как указывалось выше, костном мозге или пуповинной крови. Сердце и головной мозг не слишком активно регенерируются, в тканях этих органов практически нет стволовых клеток. Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК), выделяемые из костного мозга или крови, можно трансплантировать пациентам; они весьма эффективны при лечении определенных видов лейкемии. Стволовые клетки также обсуждаются в связи с развитием рака, но до сих пор остается открытым вопрос, задействованы ли они в этом процессе и какая роль им отводится в терапии рака. Их предпочтительнее называть не «опухолевые стволовые клетки», а «инициаторы опухоли» или «клетки-предшественники». Это удивительно, но некоторые родители десятки лет хранят клетки пуповинной крови новорожденных в качестве возможной «медицинской страховки» для лечения заболеваний, которые могут развиться у ребенка в течение жизни.

Прорыв в исследованиях стволовых клеток у людей произошел в связи с появлением «коктейля». Его ингредиенты дают возможность перепрограммировать дифференцированные зрелые клетки, чтобы они стали стволовыми. Мечта человечества осуществилась, поскольку этот коктейль способен превратить клетки взрослых мышей в эмбриональные. Этот коктейль может «перепрограммировать» клетки взрослого организма, чтобы можно было «все начать сначала». Все, что нужно для этого коктейля, – набор из четырех белков, которые называются с-Myc, Oct4, Sox2 и Kif4. Все они относятся к транскрипционным факторам, и каждый из них может регулировать большое количество генов – несколько сотен. Факт превращения зрелых клеток в эмбриональные подтверждается результатами имплантации в организм мыши-самки клеток, обработанных коктейлем, – развивается новая мышиная особь. Это действительно фантастический эксперимент: полностью специализированная (дифференцированная) клетка превращается обратно в эмбриональную, универсальную плюрипотентную клетку. Это вполне возможно, поскольку в каждой клетке, в том числе и в зрелой, присутствуют все гены, но лишь немногие из них активно экспрессируются в силу имеющихся у них клеточных программ. Существует 200 различных программ для 200 различных типов зрелых клеток. Программы омоложения должны быть в состоянии подавить все эти программы и реактивировать все гены, сделать все клетки плюрипотентными. Поскольку четыре фактора «индуцируют» это состояние, такие клетки называются «индуцированными плюрипотентным стволовыми клетками», или сокращенно iPS-клетками. Такие клетки могут запускать процесс заново и превратиться в одну из 200 различных типов клеток организма вследствии действия специфических факторов дифференциации. Простой способ – это поместить iPS-клетки рядом с тканью, которую нужно получить. Например, существующие клетки мышечных тканей способствуют формированию клеток мышечной ткани из iPS-клеток путем секреции факторов, стимулирующих специфические клетки мышечной ткани. Это основа регенеративной медицины.

iPS-система была разработана лауреатом Нобелевской премии японским ученым Синъей Яманакой из Киотского университета. Он систематически проводил исследования с целью выявления факторов, обеспечивающих это изменение, и протестировал 24 фактора в разных комбинациях. В результате было выделено четыре транскрипционных фактора. Ретровирусные векторы переносят гены для факторов в фибробласты кожи человека и активируют несколько сот генов. Транскрипционный фактор c-Myc стимулирует рост клеток, во время которого клетка проходит клеточный цикл и деление. Однако c-Myc также наблюдается во многих опухолевых клетках, при раке головного мозга или раке легких. Изначально его выявили как онкоген ретровирусов, о чем речь шла выше. Таким образом, при дерегуляции данного фактора или его чрезмерной продуктивности клетки могут превратиться в опухолевые. В этом заключается проблема со стволовыми клетками. Они находятся в опасной близости от раковых клеток. Рост опухолевых клеток остановить невозможно. А как остановить рост стволовых клеток? Сначала человек хочет, чтобы клетки росли, а потом стремится прекратить их рост. В настоящее время разрабатываются специальные методы, позволяющие при необходимости определенным образом включать или выключать эти четыре фактора. Кроме того, их необходимо контролировать и следить за тем, чтобы они экспрессировались в правильной дозе. Это снизит риск развития рака.

В 2012 г. Яманака получил Нобелевскую премию за «открытие зрелых клеток, которые можно перепрограммировать и получить плюрипотентные клетки», что означает получение iPS-клеток из дифференцированных клеток взрослого организма. Он разделил эту премию с Джоном Гёрдоном, ученым, представляющим старшее поколение. В 1962 г. Гёрдон трансплантировал клеточные ядра из кишечника лягушки в ее яйцеклетку и в результате получил настоящую лягушку. Как мне хорошо запомнилось, этот эксперимент вызвал скептицизм и даже некоторое неприятие. Позднее он лег в основу клонирования овец, кошек и собак. Все знают о клонированной овечке Долли, самой известной в мире овце, у которой не было отца. В 1996 г. в Шотландии ее клонировал Иэн Уилмут, выделив клетку из вымени шестилетней овцы. Он выделил клеточное ядро и имплантировал его в яйцеклетку без ядра. Так получилась овечка Долли. Однако ее генетическому материалу было уже шесть лет, поэтому теломеры на концах ее хромосом были укороченными, как у старых овец, и процесс омоложения был неполным. В скором времени у Долли развились возрастные заболевания, в частности артрит, и в 2003 г. она умерла. Смерть наступила в результате заражения вирусом овец – ретровирусом, состоящим в близком родстве с вирусом ), который около 40 млн лет назад способствовал образованию плаценты в организме человека. (Удивительно, что этот ретровирус до сих пор существует!) В конце концов, у Долли было потомство. Легко представить себе Иэна Уилмута в Стокгольме вместе с Яманакой и Джоном Гёрдоном. Рудольф Йениш из Института Уайтхед (Бостон), мой гамбургский друг, с которым я познакомилась много лет назад, помог нам разобраться в механизме перепрограммирования эмбриональных стволовых клеток; за эту работу он был удостоен многих наград.

Наличие iPS-клеток делает выделение ЭС-клеток неактуальным. Сегодня зрелые соматические клетки можно перепрограммировать, чтобы они превратились в iPS-клетки. Изучаются способы совершенствования этих методик.

Деление стволовых клеток происходит за счет специального механизма, то есть путем асимметричного деления, при котором одна часть клетки остается «прикрепленной к нише», а другая часть достаточно открыта, и на нее воздействуют факторы роста и дифференциации, в результате чего возникают новые клетки. Можно представить себе, что от арктического айсберга откалывается часть. Оставшиеся же клетки характеризуются способностью к саморегенерации и могут пройти неограниченное число делений. Получаемые стволовые клетки могут развиться в один из 200 видов специализированных клеток организма.

Лишь недавно стал известно, что зародышевые клетки переносятся навсегда, и, похоже, они вечны. В настоящее время это явление исследуется на модели червей . У зародышевых клеток, должно быть, существует механизм омоложения, но они превращаются в смертные, если животные в силу мутаций становятся бесплодными. В настоящее время стоит задача выяснить, какие химические пути обусловливают омоложение и бессмертие.

Мечты о практическом применении результатов таких исследований стимулируют исследователей. Есть надежда, что можно «производить запасные части»: новые сердечные клапаны, новые диски для лечения заболеваний позвоночника, более здоровые тазобедренные суставы, более молодой мозг и новую кожу при ожогах – и все это можно получить из iPS-клеток. Сейчас уже разрабатывается методика получения искусственной кожи с помощью пигментов, но пострадавшим до сих пор приходится слишком долго ждать, пока у них вырастет новая кожа. Иммунная система не ополчится против «собственных» клеток, и отторжение не состоится, поскольку пациент и есть донор. Кроме того, донорские клетки волос или кожи ни у кого не вызывают опасения, и не нужно ждать, когда в результате аварии или естественной смерти доноров появится возможность трансплантировать нужные органы.

Однако до тех пор, пока эти методики не станут настолько совершенными, что будут применяться для лечения людей, можно представить более простые способы их использования. В лабораторных условиях из iPS-клеток пациента можно выращивать специализированные клетки, например клетки головного мозга, печени, сердечной мышцы или опухолевые клетки, с целью проверять их реакцию на лекарства. Можно определять эффективность препарата и его переносимость определенным пациентом. Для проведения лабораторных экспериментов понадобится несколько дней, зато это поможет снизить потенциальные риски и сократить расходы, так как стоимость разработки некоторых противоопухолевых препаратов составляет сотни тысяч долларов. Это один из аспектов персонифицированной медицины будущего. В США от последствий неправильного лечения ежегодно умирает около 50 000 человек. В Англии компании, занимающиеся страхованием здоровья, уже сейчас требуют проведения предварительного тестирования при страховании людей, которым назначается очень дорогое лечение.

Это стало бы еще одним шагом на пути к введению iPS-клеток непосредственно в сердечную мышцу пациента, где они могли бы трансформироваться в клетки сердечной мышцы под воздействием факторов дифференциации, поставщиками которых могут стать соседние клетки. На мышиной модели инъекция клеток непосредственно в сердечную мышцу, при которой им не нужно долго проходить через тканевые культуры, уже показала свою эффективность. Предметом процедур по омоложению являются рубцовые ткани. Возможно, со временем будет достаточно шприца с транскрипционными факторами, в частности c-Myc, которые вводятся непосредственно в рубцовую ткань при наличии локальных факторов дифференциации. Это было бы замечательно. Регенерационная медицина весьма многообещающа. Приоритетом внедрения этой терапии является кардиология, так как сердечно-сосудистые заболевания – одна из основных причин смертности в западных странах. Но на это потребуется время.

Совместно с американской компанией Neuronics мы проанализировали плюрипотентные стволовые клетки в чашке Петри и изучили роль факторов дифференциации в активации программ формирования специфических клеток. Мы распознали нейроны и увидели, как клетки бьются, словно сердце! Но вылечить опухоль не удалось. У основателя этой компании была опухоль мозга, и он всячески поддерживал разработку новой терапии данного заболевания. Он считал причиной возникновения своей опухоли чрезмерное использование первых мобильных телефонов, после того как они появились на рынке. Я всегда помню о том, что во время разговора аппарат нагревается, что стимулирует рост клеток и может способствовать развитию рака.

Помню первые флайеры, появившиеся в немецких поездах в 1960-х гг., рекламирующие «терапию клеточного омоложения». Ходили слухи, что наш канцлер Конрад Аденауэр, который тогда уже был довольно пожилым человеком, и папа римский лечились омолаживающим экстрактом из клеток, полученных из эмбрионов овец. Это соответствует скорее гормонозамещению, а не замене с помощью стволовых клеток. Если гормоны, например, быка и человека достаточно близкородственны, то, возможно, к некоторым из них это утверждение применимо. Данная терапия в настоящее время запрещена, поскольку может быть сопряжена с переносом заболеваний.

Согласно опубликованному в газетах сообщению, в Сан-Франциско отмечен случай эффективного лечения с использованием стволовых клеток человека. Однако, как потом выяснилось, это был обман! Такой же непорядочный поступок был совершен и в Японии. Почему же имели место сразу два подряд случая предоставления ложной информации о применении на практике стволовых клеток и соответствующих исследованиях, ведь совершенно очевидно, что обман сразу же раскроется, потому что все постараются воспроизвести эти результаты? Может быть, фальсификаторы научных данных – фанатики или нездоровые люди? Такие случаи были и раньше. Однажды в целях фальсификации мышь покрасили черными чернилами, а в другом случае на авторадиограмме фломастером нарисовали точки. Так можно бесславно закончить карьеру, и таким исследователям остается только работать на бензоколонке. Мне известен один такой случай. Однажды на научной конференции в США рядом со мной обедал молодой постдокторант. Он был героем этого симпозиума, а полученные им результаты украшали обложку сборника рефератов данного мероприятия. Мне он показался не вполне нормальным, скорее больным, чем гением. И действительно, он создал своему руководителю, известному биохимику, много проблем и ушел из науки. Однажды я провела почти все рождественские каникулы в лаборатории, где без посторонних глаз просматривала тетради и протоколы своей коллеги и анализировала данные, чтобы выяснить, не подтасованы ли они. К счастью, все было в порядке. Однако, как это ни странно, такое довольно часто случается даже в таких элитных научных учреждениях, как Швейцарская техническая школа Цюриха. Особенно сложно выявить подтасовку данных, осуществленную при помощи компьютера. Я бы не смогла обнаружить подлог за время рождественских каникул, поскольку не разбираюсь в современных программах, установленных на своем компьютере! Я решила, что мне не стоит больше оставаться ведущим автором статей в тех случаях, когда я не могу самостоятельно оценить биостатистические данные и не в состоянии гарантировать точность всех деталей. У меня возникает вопрос: единственный ли я исследователь, столкнувшийся с этой новой проблемой?