Сердце бьется, мозг, почки, печень работают, волосы отрастают — мы настолько привыкли к этим процессам, что не задумываемся о том, как и почему они происходят в нашем организме. А ведь за каждым из них стоит неусыпная работа маленьких трудяг — клеток. И среди них есть особенные клетки — стволовые, из которых и произошли все клетки нашего организма. По сути мы, как любой многоклеточный организм, зародились из одной стволовой клетки.
Впервые термин «стволовая клетка» в начале ХХ века ввел в оборот российско-американский гистолог Александр Максимов на заседании гематологов в Берлине. Термин отлично передает суть того, как развиваются клетки любого организма (stem — это ствол/стебель, а cells — клетка). Подобно дереву, ствол — это родоначальная клетка, а ветки и листья — результат ее развития и изменения.
На ранних этапах эмбрионального развития стволовая клетка умеет производить разные типы клеток. Когда человек вырастает, стволовые клетки специализируются и могут производить только клетки определенных типов. Благодаря функции стволовых клеток наш организм постоянно обновляется.
— Например, постоянно гибнут миллионы лимфоцитов крови, они должны из чего-то восстанавливаться. — Из стволовых клеток крови. Мы сбрасываем очень много кожи, эпидермиса, целые граммы в день. А кожа должна восстанавливаться. Из чего? — Из стволовых клеток кожи, — поясняет доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией эпигенетики Института общей генетики Российской академии наук Сергей Киселев.
Заменить больную иммунную систему на здоровую
Срок жизни различных тканей организма мал и если бы стволовые клетки не обновляли его, цивилизация попросту исчезла. Так, волосы на голове живут не больше семи лет, кровь обновляется каждые четыре месяца, а скелет — каждые 10 лет.
Используя способность стволовых клеток восстанавливать ткани, ученые сегодня способны лечить заболевания, которые еще пятьдесят лет назад считались приговором. Сегодня трансплантация костного мозга — одно из самых продвинутых направлений в медицине.
— Самые частые показания для проведения трансплантации — опухолевые заболевания системы крови. Даже после ремиссии на химиопрепаратах иммунная система человека с большой вероятностью снова не распознает опухолевую клетку и пойдет рецидив, что так или иначе со временем приведет к смерти. А трансплантация костного мозга — пожалуй, единственный метод, который позволяет достичь излечения, — уточняет научный сотрудник отделения трансплантации костного мозга национального медицинского исследовательского центра гематологии Михаил Дроков.
Донорство костного мозга — это опасно?
Химиотерапия убивает не только раковые, но и стволовые клетки, от чего страдает иммунная система организма. Трансплантация стволовых клеток — это вариант заменить больную иммунную систему на здоровую, которая будет в состоянии бороться с раковыми заболеваниями крови.
Как это происходит? Из кости таза донора берется пункция ста миллилитров костного мозга. Процедура рядовая и безопасная. Чаще всего донорами становятся родственники, но при условии иммунологической совмести, им может стать и посторонний человек. К 2012 году количество трансплантаций костного мозга в мире превысило один миллион операций.
А если несовместимость? Тогда велик риск осложнений, когда новая иммунная система начинает бороться не с болезнью, а с самим организмом пациента. Открытие системы HLA позволило адекватно подбирать доноров и создавать иммуносупрессанты,способствующие распознаванию иммунной системой донора не всего организма в целом, а только опухолевых клеток.
А что еще умеют стволовые клетки?
Сейчас медики думают, как можно научиться с помощью стволовых клеток костного мозга бороться с генетическими заболеваниями с самого рождения. Так, можно модифицировать стволовые клетки костного мозга пациента, взяв поврежденный ген и заменив его на здоровый. По замыслу ученых это поможет победить на генном уровне такие заболевания, как сахарный диабет, ВИЧ, бесплодие и дальтонизм.
Примечательно, что для того, чтобы проникнуть в клетку и встроить нужный ген, исследователи используют… вирус. Не цельный и не инфицирующий, а микроскопическую его часть, чтобы встроить нужный ген в геном. Это направление получило название генотерапия.
Органы в «пробирке»
Эмбриональные стволовые клетки способны формировать более 350-ти клеток костей, кожи, мозга и других органов. Но где их взять?
Настоящей сенсацией стали в 2006 году лабораторные исследования японского ученого Cинья Яманака, доказавшего, что можно взять любую клетку взрослого человека и путем генного перепрограммирования вернуть ее в состояние эмбриональной.
Российские ученые не отстают. Так, в московском медико-стоматологическом университете смогли вырастить из стволовых клеток …зубы. Для этого исследователи использовали стволовые клетки кожи и мезенхимальные — из жировой ткани и пульпы зубов. Первыми пациентами, у которых из подсаженных зачатков выросли искусственные зубы и на сколы старых зубов наросла эмаль, стали мыши. Приживаемость — почти 100%.
Следующий этап — адаптация технологии для человека и поиск решения, как вырастить зуб необходимого вида, например, передний резец или моляр.
— Это крайне важно, потому что из эмбриональной стволовой клетки мы потом можем получить любой специализированный тип ткани, из этой клетки получить и кровь, и кожу, и кости, и нейроны, и клетки-компоненты глаза, например, и все разнообразие тканей человека, — подтверждает д.б.н., профессор, заведующий лабораторией эпигенетики Института общей генетики РАН Сергей Киселев.
Параллельно российские ученые работают над проблемой алопеции. Они уже научились конструировать в пробирке волосяной фолликул для дальнейшей пересадки человеку обратно. Но в экспериментах, опять-таки на грызунах, столкнулись с неожиданной проблемой — пересаженные в холку лысым мышкам волосы выросли густым пучком, но в разных направлениях, куда им вздумается, и даже прорастали вовнутрь. И тут нашлись принципиально новые подходы — клонировать, мультиплицировать волосы для пересадки в поредевшие места или пересаживать даже не готовые луковицы, а их клетки, и давать фолликулам образовываться самим. К сожалению, применение этого метода возможно только, если хоть что-то от собственных волос осталось.
— Мы научились выделять специализированные клетки волосяного фолликула, которые также могут быть использованы для того, чтобы увеличить размер собственных волосяных фолликулов, то есть придать волосам толщину, а также, что самое главное, пробудить спящие волосяные фолликулы, которые смогут снова образовывать стержень, — поясняет заведующая лабораторией клеточной биологии института биологии и развития РАН, член-корреспондент РАН, д.б.н.Екатерина Воротеляк
Биопринтер — наше будущее?
А как выращивать более сложные, чем зубы и волосы, органы? Пока сосуды и органы, состоящие из различных типов тканей, вырастить в пробирке невозможно. Так появился метод биопечати.
— Это создание трехмерных ткане-инженерных или, как мы их еще называем, органных конструкторов с использованием клеточного материала, — это принципиально важно, из живых клеток по заданной трехмерной модели. Собственно, эта технология была разработана в начале 2000-х годов, много было взято из технологии классической 3D-печати, — рассказывает исполнительный директор компании-разработчика биопринтеров Юсеф Хесуани.
На 3D принтере стало возможным печатать не только чехлы для телефонов и бытовую технику, но и органы. К примеру, биопечатная щитовидная железа отлично прижилась в теле мыши и даже через несколько месяцев уровень гормонов зверька остался в норме. Это стало возможном благодаря специальным биочернилам, которые состоят из сфероидов — микроскопических шариков, в основе которых тысячи стволовых клеток нужной специализации.
Упрощенно суть биопечати выглядит так. Из кирпичиков-сфероидов, наполненных стволовыми клетками нужного типа, принтер выкладывает слои. Цементом служит гидрогель. Слои чередуются. В зависимости от того, какую функцию будет выполнять орган, специалисты по биопринтингу решают, нужно ли сохранить биологическую форму, или достаточно оставить лишь функцию. С примером щитовидной железы важна не форма, а внутренняя структура. А если дело касается сосудов или части трахеи, то здесь форма предопределена индивидуальными анатомическими особенностями, поэтому за основу 3D-модели берут, к примеру, файл компьютерной томограммы.
Конечно, квадратные почки и треугольное сердце вряд ли кому-нибудь нужны. Со временем точность и эффективность биопринтеров вырастет и специалисты научатся создавать точные копии поврежденных органов. Как внутренних, так и внешних. Человечество дождется момента, когда стволовыми клетками можно будет вылечить любой недуг.
Мифы и спекуляции
Во всем мире множество клиник предлагают лечение стволовыми клетками. И такие предложения надо очень внимательно проверять.
— Если у вас болит коленка, они вам введут клетки в коленку. Если у вас завтра заболит, голова, они введут в голову. Если заболит рука, введут и туда. Им все равно, куда вводить, им главное продать, стоимость процедуры от $5000 до $50 000. Все будет сделано по вашему желанию. И подобные клинике, к сожалению,найдутся в любой стране мира, — сетует Сергей Киселев.
В 2009 году история американца Джимма Гэсса всколыхнула научный мир. При обследовании в его теле обнаружили огромное новообразование, но не раковое, а гигантское бесформенное скопление клеток... другого человека! Оказалось, что ранее мужчина проходил терапию стволовыми клетками. Ученым все сразу стало понятно. Дело в том, что стволовые клетки, если их ввести в кровоток, не могут самостоятельно найти пораженное место и вылечить его. Для этого нужно подготовить условия. В противном случае они будут просто гулять по кровяной системе, и в результате, как в данном случае, скопятся в одном месте.
— Если мы возьмем стволовые клетки из костного мозга или из крови (это возможно сейчас) и введем просто человеку в вену, то получим …ровно ничего. Они исчезнут, уйдут в легкие, в печень и разрушатся. Они умрут, — генеральный директор ФГБУ «НМИЦ гематологии» Минздрава России, Валерий Савченко.
Именно поэтому сегодня исследования и эксперименты с использованием стволовых клеток во многих странах находятся под строжайшим контролем.
Тем не менее, клеточные технологии постепенно становятся одним из главных инструментов медиков. Стволовые клетки уже успешно применяются при лечении более сотни серьезных недугов — онкологических заболеваний крови, при лечении сосудов, кожных заболеваний, дистрофии сетчатки глаза.
Мы живем в эпоху открытий. И, возможно, человечество в скором времени забудет об институте донорства. А все нужные для трансплантации органы будет выращивать в пробирке из собственных клеток пациента или печатать.
В статье использованы данные программы «Большой скачок» телеканала «Наука».
