Организм человека, все тело человека состоит из большого количества клеток — 10¹⁴ клеток, приличное количество, полквадриллиона. И все это многообразие и количество клеток происходит из одной-единственной клетки, которая возникла после оплодотворения. Именно эта клетка стала делиться, давая начало разнообразным тканям — а у нас очень много разнообразных тканей, более 200 типов, — и этому колоссальному количеству, 10¹⁴ клеток. Клетки умножались, становились все более и более разнообразными. Понятно, что в этой одной клетке должен был быть заложен весь потенциал этого развития, что, во-первых, она может столько раз поделиться, удвоиться — не так много на самом деле, если посчитать, то получится 55–60. А с другой стороны, проходя это деление, должна дать разнообразие тканей, чтобы получились наши глаза, волосы, кожа, кровь и так далее.

Эти потенции, которые у нее, были большие. Если мы будем говорить научным языком, то слово «большие» по-латински может быть «мульти» и «плюри», например, и приставки могут быть — мультипотентный, плюрипотентный. Эти приставки, мульти- и плюри-, хотя кажутся сходными, но лингвистически имеют различное значение. Мульти — это чаще всего по количеству, а плюри — это много по разнообразию форм. Потенции и клетки, которые существуют изначально при формировании организма, получили у ученых название плюрипотентные, из которых происходит большое разнообразие тканей. В дальнейшем для того, чтобы построить ткани, то есть наш организм количественно, чтобы была большая рука, большая нога и так далее, клетки должны уже стать мультипотентными, то есть дать большое количество клеток.Из плюрипотентных клеток происходит все. На самом деле это очень занимательные клетки. Если мы научимся управлять этой плюрипотентностью, делать из них все, то мы для каждого человека будем способны создавать дополнительные ткани, которые у него есть, — предположим, кожу, кровь, что понадобится.

В природе эти плюрипотентные клетки существуют во время индивидуального развития, но они существуют очень короткий период времени. У человека эти клетки существуют на стадии эмбрионального развития, которая называется бластоциста, и существуют часов двенадцать. После этого они начинают специализироваться — до этого они еще не плюрипотентные, а после этого они уже теряют плюрипотентность, становятся мультипотентными, и происходит развитие организма.

Оказалось, что эти клетки можно на этой стадии, на стадии бластоцисты, изъять (первая была мышка, понятно, не человек), посадить в культуру на чашку и продолжать их растить. Они будут расти вне организма, причем можно научиться поддерживать их в таком состоянии, что они сохранят все свои свойства. Что значит «сохранят свои свойства»? Это значит, что если их порастить на чашке какое-то время, даже что-то поделать с ними можно, какие-то генетические манипуляции, а потом ввести обратно в полость бластоцисты, откуда они были взяты, а эту бластоцисту подсадить самке — как эмбрион развивается, продолжить весь процесс, — то потом родится нормальный мышонок.

После того как мы поработали с плюрипотентными клетками в культуре, они тем не менее сохранили свойства плюрипотентности — давать ткани и органы организма.

С другой стороны, мы с ними можем работать в лаборатории. И, более того, мы можем проводить различные генетические модификации. За проведение генетических модификаций и получение после этого животных на основе плюрипотентных стволовых клеток мышки была вручена Нобелевская премия в 2007 году. Англичанин и двое американцев получили Нобелевскую премию за плюрипотентные стволовые клетки и за то, что они с ними проводили определенные манипуляции.

Это мышка. Для человека тоже возможно получать плюрипотентные клетки. Для этого, конечно же, не надо что-то делать специально. Все, наверное, знакомы с технологией, которая используется уже более 30 лет в клинической медицине, — это экстракорпоральное оплодотворение, «дети в пробирке». В результате применения этой технологии получаются эмбрионы на стадии бластоцисты, из которых один-два идут на подсаживание женщине, и получаются дети, остальные либо идут на хранение, если согласны оплачивать их хранение, либо, в общем-то, выбрасываются.

Из выброшенных или тех, которые не подходят по качеству для имплантации, тоже можно получать плюрипотентные стволовые клетки человека, давая, по сути, этим эмбрионам, предназначенным для помойки, вторую жизнь. Но вторую жизнь вне организма, в руках ученых, и для того, чтобы можно было их использовать в клинических целях.

Почему они так ценны для ученых и клинической медицины? Не только потому, что из них можно получить целую мышку с какими-то удаленными генами. Первые эмбриональные стволовые клетки мышки были получены в 1981 году, а эмбриональные стволовые клетки человека были получены в 1998 году, и за это время люди научились получать из плюрипотентных стволовых клеток колоссальное разнообразие специализированных тканей клеток вне организма. Не в мышке, а в лабораторных условиях. Что это значит? Это значит, что мы можем использовать эти клетки, для того чтобы, например, выращивать в лаборатории кровь, печень, кожу, глаза, достаточно большое количество тканей и клеточных специальностей, которые могут нам пригодиться.

Конечно, всегда существует такая проблема, с которой мы сталкиваемся в трансплантологии: мы можем их выращивать, а будут ли они совместимы с организмом, которому они нужны? Действительно, такая проблема стоит, потому что те линии плюрипотентных стволовых клеток, которые мы получили в результате извлечения их из бластоцисты, конечно же, должны быть подобраны под реципиента. Это требует времени, но это реально.Как посчитали японские ученые, английские ученые — для разных популяций немножко различные цифры, поэтому я акцентирую на этом внимание, — японская популяция иммунофенотипически достаточно однородна, то есть совместимость тканей в японской популяции будет выше. Так вот надо всего 50 линий плюрипотентных стволовых клеток, полученных для японской популяции, чтобы они были совместимы с 70% населения Японии. В общем-то, очень небольшое счетное количество. Но все равно имеются сложности. Прогресс человечества движется. Зачем разрушать эмбрион? Давайте не будем разрушать — это первое. Второе — конечно же, хочется сделать, чтобы плюрипотентные стволовые клетки, с помощью которых мы можем получить нужную ткань, были максимально совместимы с человеком.

Каким образом это сделать? Для этого были разработаны две технологии, за которые в 2012 году были вручены Нобелевские премии. Первая технология — это перенос ядра соматической клетки в энуклеированный ооцит — такое длинное название, но не надо его бояться, все журналисты, все население его знает под термином «клонирование».

И второе — японский ученый получил свою часть Нобелевской премии за то, что он с помощью генов, всего-навсего четырех генов, научился получать плюрипотентные стволовые клетки из любых клеток живущих взрослых организмов. Это наиболее замечательное открытие, потому что, по сравнению с клонированием, оно технологически намного проще. Не нужен перенос ядра, не нужна яйцеклетка — опять-таки существуют какие-то морально-этические проблемы в случае клонирования.

Использование генов либо генетическое репрограммирование, за которое японский ученый Синъя Яманака получил свою часть Нобелевской премии, конечно же, похоже на некое волшебство. Именно поэтому эти четыре гена и были названы «магическим коктейлем Яманаки».

Эти четыре гена можно ввести в любые клетки взрослого организма. Например, взять клетки кожи, в лабораторных условиях ввести в них эти гены, и — о чудо! — через некоторое время, через месяц-полтора, они превратятся в клетки, которые будут совершенно одинаковые с клетками, которые мы бы выделили из бластоцисты, то есть с первыми плюрипотентными стволовыми клетками, о которых мы говорили, которые еще называются эмбриональные стволовые. Эти клетки получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. То есть они были когда-то соматические (сома — это тело нашего организма), но посредством введения туда генетических факторов произошло репрограммирование, изменение программы: из взрослых они вернулись в эмбриональные состояния и приобрели свойство плюрипотентности. При этом, если мы возьмем мышиные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, то есть сделанные из кожи с помощью генов, мы можем ввести обратно в полость бластоцисты, эту бластоцисту имплантировать мышке, подсадить, и из нее родятся мышата.

То есть если мы возьмем кусок кожи хвоста мыши, добавим четыре гена, введем в бластоцисту, подсадим мышке, то из хвоста мышки родится мышь.

Это совершенно замечательное открытие. Оно замечательно не только в плане получения мышей, оно важно еще и в медицинских целях. Это значит, что мы можем сегодня для каждого человека получать плюрипотентные стволовые клетки и из этих плюрипотентных стволовых клеток делать для этого человека персональные тканевые либо клеточные препараты, чтобы, например, использовать их в целях регенеративной медицины либо чтобы изучать те или иные патологии, которые сегодня нельзя изучить, например нейродегенеративные заболевания. Мы же не можем достать у болеющих людей нейроны. Но мы можем взять кусочек кожи, репрограммировать до плюрипотентного состояния, получить нейроны и на этих нейронах воспроизвести фенотип болезни, который протекает у индивидуума. Но мы не можем достать нейроны. То есть мы имеем «второго человека» в лабораторных условиях для изучения, используя технологию репрограммирования и плюрипотентные стволовые клетки.

За последние пару десятков лет очень активно стало развиваться такое направление в науке, как надгенетика, эпигенетика — то, что находится как бы сверх генетики. Что подразумевается под термином «эпигенетика» с точки зрения точной науки генетики? Это наследование, которое не связано с ДНК, с дезоксирибонуклеиновой кислотой, с изменением генетического кода. Наследуется, но с изменением генетического кода и с кодированием внутри генетического кода это не связано.

Забавные эксперименты по эпигенетике были проведены, по-моему, в 2002 году, когда ученые пытались у генетически модифицированной мышки — они ввели туда ген, дающий окраску агути, такую бледно-розовую, какого-то странного цвета, — изменить окраску, воздействуя внешними факторами. И стали ее кормить некими веществами, которые содержат достаточно большое количество химических метильных оснований. Эта мышка агути, кроме цвета, была еще плохая: болела из-за этого диабетом и так далее. Можем ли мы вылечить ее внешними факторами? О, чудо! Потомство этой мыши потеряло цвет агути и стало себя лучше чувствовать — конечно, на тот период, пока продолжалось это кормление.

С чем это связано на самом деле? Последовательность ДНК, кодирующая наши гены, может претерпевать еще некие химические модификации, которые наследуются. В том числе есть такая химическая модификация ДНК, как метилирование, но в результате того, что эта химическая реакция происходит с ДНК, ДНК перестает быть доступно для того, чтобы с нее считывалась информация. В случае мышек агути в составе пищи дали много этих метильных групп, ген замолк, и это наследовалось в ряду поколений. Он сохранился в геноме, просто перестал работать. И — о чудо! — мышки потеряли цвет и даже подлечились. Это как раз практическое влияние эпигенетики.Эпигенетика находится повсюду и начиная с нашего рождения. Например, мы возникаем из одной-единственной клетки или из группы плюрипотентных стволовых клеток, потом они специализируются в тот или иной тип тканей. И эти клетки должны запомнить, в какой тип ткани они специализировались, чтобы на протяжении всей жизни формировать именно тот тип ткани. То есть они должны попасть в определенные окружающие условия, которые зафиксируют их эпигенетическое состояние, определенную работу их генома. Ведь все клетки в нашем организме имеют один и тот же геном, одни и те же гены, но в клетках крови работают одни гены, в волосах работают совершенно другие гены, но это должно наследоваться.

И как раз эти специализированные генетические программы в одном организме фиксируются с помощью механизмов эпигенетики. Эпигенетика — это некое окружение, в том числе окружение, как показывает замечательный пример с мышками агути, связанное с реальной окружающей средой, даже с питанием. О чем это говорит? Это говорит о том, что нельзя в одну и ту же воду войти дважды, как сказал философ Гераклит за пятьсот лет до нашей эры, нельзя повторить историю дважды.

Если мы задумаемся: мы имеем плюрипотентные стволовые клетки либо мы делаем клонирование, хотим кого-то клонировать. Мы хотим клонировать Эйнштейна — давайте это сделаем. Что для этого нужно? Для этого нужно не только воспроизвести генофонд Эйнштейна, что сегодня просто сделать с помощью технологии клонирования, за которую получили Нобелевскую премию в 2012 году, — взять частичку кожи Эйнштейна, его генофонд, перенести ядро. Но что нам нужно сделать? Нам нужно повторить все внешние условия, которые сопровождали Эйнштейна на протяжении всего его развития: от одной клетки вплоть до рождения и вплоть до создания им теории относительности. Возможно ли это сделать? Конечно же, невозможно. Поэтому, если мы захотим клонировать Эйнштейна, мы получим человека, похожего на Эйнштейна. Но будет ли он таким чудаком, который играл на скрипке и создавал теорию относительности, — не факт, совершенно не факт. Это как раз и есть влияние эпигенетики.

Мы всегда имеем в организме, в жизни гены, они дают нам диапазон возможностей. И этот диапазон возможностей реализуется в определенных внешних условиях среды и наследуется.

То, что наследовалось в результате этих внешних условий среды, — это и есть эпигенетическое влияние.

Поэтому, если говорить о плюрипотентных стволовых клетках, о клонировании человека, можем ли мы точно все воспроизвести, можем ли мы точно воспроизвести тот или иной орган? Нет. Мы его можем воспроизвести точно генетически, мы его можем постараться воспроизвести точно структурно, но это все равно будет несколько другая ткань, потому что этот орган развивался в других внешних условиях.

Но это не страшно, в большинстве случаев не надо бояться. Например, если мы хотим возобновить свой мозг с помощью регенеративной медицины, то, наверное, мы сможем воспроизвести нейроны. Но будут ли они иметь память? А память — это и есть эпигенетика, это то, что мы хотим сохранить, и то, что определяет индивидуальность. Конечно же, сохранив структуру мозга, мы не сохраним память, потому что эпигенетические условия, в которых мы будем все это делать вне организма, будут совершенно другими. В случае сердца, наверное, это не так важно. В конце концов, сердце — это лишь насос, оно должно сокращаться, выполняя свою функцию, и тут нам на эпигенетику не стоит обращать внимание.

Когда мы говорим об иммунной системе, если мы хотим с помощью плюрипотентных стволовых клеток восстанавливать, предположим, ту или иную иммунную систему, чтобы бороться с инфекционными заболеваниями либо с онкологическими какими-то вещами, — нам нужна память. Потому что иммунология — это память, которая остается. Тут окажется, что эпигенетика говорит: нет, ребята, нам все надо обучить сначала, потому что не существует этой памяти.

Замечательно проявление эпигенетики в женских клетках, будь то человеческий организм, будь то — самый интересный пример — кошечки. У женщин в каждой клетке две X-хромосомы, но две X-хромосомы — это слишком много для одной женщины, это слишком большая роскошь, поэтому в каждой клетке одна из X-хромосом должна быть инактивирована, не должна работать, потому что, если она будет работать, это будет приводить к патологиям. Но эта инактивация, замолкание одной из X-хромосом в каждой клетке, происходит на ранних этапах эмбрионального развития женского организма и хаотично. В одной клетке от папы инактивировалась хромосома, в другой от мамы и так далее, потом это закрепляется уже и передается по наследству.Почему нельзя получить некоторые цвета кошек? Потому что у них не получаются правильные окрасы: у них гены окраса расположены на X-хромосоме. И если мы хотим воспроизвести тот или иной правильный окрас, то, поскольку инактивация X-хромосомы происходит случайным образом, окрас родителя не будет воспроизводиться. Именно поэтому, кстати, отказались от клонирования кошек, потому что хозяева хотят получать кошечку, которая выглядит точно так же, как исходная кошечка, а вот случайная эпигенетика, случайная инактивация X-хромосомы дает нам разнообразие — разнообразие признака, разнообразие приспособления к окружающей среде. И не только генетика обеспечивает нам возможность выживания в этом мире, но еще эпигенетика, которая дает достаточно широкое взаимодействие с внешней средой.

Глаз — это специальный человеческий прибор, который напоминает — и мы все знаем — фотоаппараты. Ведь это свет, который проходит через линзу, фиксируется — раньше фиксировался на фотопленку, на кинопленку, но теперь фиксируется на специальной подложке, которая воспринимает пиксели, воспринимает отдельные световые импульсы и преобразует в те или иные сигналы. Точно так же, как и любой фотоаппарат, любой объектив, устроен человеческий глаз. Итак, это объектив, через объектив проходит свет, и при попадании его либо на пленку, либо на матрицу, содержащую пиксели, возникает сигнал об этом изображении.

Понятно, мы можем взять и уронить фотоаппарат, и он разобьется — не будет проходить свет. Случайным образом могут быть выбиты пиксели, как сейчас есть битые пиксели на телевизорах, в камерах они тоже есть, будут битые пиксели, и свет, информация будет потеряна там, где разбит пиксель. То же самое происходит и у человека, когда начинаются глазные болезни. Например, есть такое наследственное генетическое заболевание, как амавроз Лебера. Это связано с тем, что происходит мутация в определенном гене, который как раз ответственен за принятие сигнала, то есть, условно назовем, за некий пиксель. Поскольку этот ген работает во всех клетках сетчатки глаза, того, что принимает световой сигнал, то получается, что вся матрица имеет битые пиксели, человек живет в темноте.

Всего лишь один ген — и полная слепота с рождения до конца жизни. Но оказалось, что если мы восстановим, исправим функцию этого гена, то может восстановиться зрение. Сделано это было не так давно, в 2010 году журнал Science опубликовал исследование. Ген, который был поврежден у этих людей, RPE65, в нормальной своей форме был встроен в аденовирусный вектор. Мы все знаем аденовирусы, аденовирусную инфекцию, мы болеем этой инфекцией каждый год, и этим аденовирусом можно манипулировать. Так что в него мы поместили нормальный ген RPE65 и такой аденовирус закапали в глаза тем людям, которые имели генетические наследственные заболевания.Мы все прекрасно знаем, как аденовирус легко заражает наши слизистые, так же легко этот специально сконструированный вирус заразил слизистую глаза, проник в клетки и восстановил функцию поврежденного гена. Это было действительно похоже на некое чудо. Конечно же, зрение полностью не вернулось, конечно, об этом, поскольку это самое начало, говорить еще рано. Но люди вышли из полной темноты, они стали различать темно-серые образы, по крайней мере они могли уже не натыкаться на предметы, то есть стали ориентироваться. Это очень большое достижение.

На самом деле есть не только генетические заболевания глаз, но и заболевания, которые связаны с возрастом. Ведь глаз воспринимает кванты света, и при этом воспринимаются они определенными фоторецепторными клетками, так что происходит повреждение определенного вида белка, воздействие с определенным белком, и этот сигнал, этот квант света, преобразованный в импульс, потом идет по нервной системе и детектируется как фрагмент того или иного изображения.

Оттого что кванты света попадают на этот белок, он, конечно же, становится со временем дефектным и должен быть удален. В фоторецепторных клетках этот специальный белок слущивается и выбрасывается наружу, потому что он уже стал старый, он уже не может хорошо воспринимать квант света. Специальные клетки, которые находятся рядом с фоторецепторными, поглощают этот неправильный белок, удаляя его.

Происходит постоянная наработка белка, приход света, фиксация света, использованный белок удаляется из клетки и поглощается другими клетками, которые очищают это пространство.

Сколько это может происходить? Это не может происходить бесконечно долго, с возрастом эта система нарушается, и нарушается она чаще всего из-за того, что начинают страдать клетки, которые поглощают этот использованный белок. Эти клетки носят название пигментного эпителия сетчатки глаза. Они начинают погибать. Как только клетки начинают погибать, появляется избыток использованного белка, начинает происходить гибель клеток фоторецепторов, то есть тех клеток, посредством которых возникает зрительный импульс и мы видим те или иные образы.

Конечно, это происходит в тех районах, где через глаз проходит максимум света. Это центральное зрение, потому что примерно 70% — это центральное зрение, и только остальные процентов 20 — боковое зрение. То есть центральная часть глаза, макула, страдает из-за того, что дегенерировали клетки пигментного эпителия сетчатки, а за ними уже фоторецепторные клетки. Примерно 50–60% населения Земли в возрасте за 60 лет начинают страдать возрастной макулодистрофией. Возможно ли им помочь?

Очень интересные эксперименты и даже клинические вещи сделали британские ученые. Они брали периферический пигментный эпителий — повреждается у нас в основном центральный, — трансплантировали в центр и таким образом восстанавливали зрение. Как часто бывает, в трансплантации при ожогах используют собственную кожу, взятую с необожженного места, — здесь точно так же. Грубо говоря, необожженный светом пигментный эпителий трансплантировали в центр, и зрение восстанавливалось.

В одних случаях это возможно, в других это меньше возможно, потому что может быть повреждение и периферического пигментного эпителия. Конечно, всегда искали источник материала, который может служить для трансплантации. Этим источником сначала оказались эмбриональные стволовые клетки человека — это клетки, которые универсальны по своим стволовым свойствам, из которых можно получить любой специализированный тип клеток. И оказалось, что из них достаточно просто можно получать как раз клетки пигментированного эпителия ретины. Мы получаем их в своей лаборатории, у нас опубликованы на этот счет статьи, и единственный недостаток, конечно, — что это очень долго. Примерно 4–5 месяцев занимает вырастить этот пигментированный эпителий ретины на чашке. Но, действительно, на чашке в лаборатории вырастают клетки, которые полны пигментов и которые профессионально работают так, что они поглощают белки, активно едят белки. Более того, как было показано американскими учеными до клинических исследований, трансплантация этого пигментного эпителия помогала крысам в экспериментальных моделях и восстанавливала зрение.В 2009 году в Соединенных Штатах было одобрено начало клинического испытания клеток пигментированного эпителия ретины, полученных из эмбриональных стволовых клеток человека, для восстановления зрения. Первая фаза клинических испытаний завершилась в конце 2014 года. Очень небольшое количество пациентов было взято в исследование — всего 18 человек, если мне не изменяет память, и более чем у половины остановилась дегенерация и произошло улучшение зрения. При этом им трансплантировали очень малое количество клеток, потому что делали это первый раз в истории человечества и боялись вызвать какие-то негативные эффекты. Не произошло никаких негативных эффектов, все оказалось хорошо, и этот метод на сегодня перешел на вторую стадию клинических исследований. Более того, исследования начались не только в США, но и в Англии, Франции, Австралии и сразу прошли очень массово.

Но это эмбриональные стволовые клетки человека. В некоторых случаях нам нужно, чтобы были родственные, индивидуальные, персональные клетки, чтобы иметь, например, возможность произвести генетическую коррекцию. Японский ученый Синъя Яманака чуть позже, чем американские ученые, в 2014 году, начал клинические испытания по трансплантации пигментированного эпителия ретины, но уже полученного из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток — это так называемые репрограммированные клетки. У пациента можно взять, например, фрагменты кожи, в лабораторных условиях произвести небольшие изменения, модификацию клеток, и они приобретают свойства эмбриональных стволовых клеток, из них тоже можно получить пигментированный эпителий ретины. В Японии сейчас активно идут клинические испытания этого метода, и я думаю, что через пару лет нас действительно ждет революция в области новых методов терапии заболеваний глаза с помощью клеточных и генных технологий.

Достаточно большая группа болезней, которые поражают человечество, особенно связанных с возрастом, — это нейродегенерация. Это всем известные болезни Паркинсона, Альцгеймера, Гентингтона, боковой амиотрофический склероз — список бесконечен. Большое количество людей страдает от этих болезней, и наносится большой экономический ущерб. Конечно же, возможно воссоздавать их на каких-то модельных системах, на животных, например, либо на мушке-дрозофиле. Это все действительно работает, и все это хорошо. Но приходится создавать трансгенные модели, то есть вносить гены. В норме мушки-дрозофилы не болеют Паркинсоном, мышки тоже не болеют Альцгеймером. Поэтому то, что создается, — это только каким-то образом имитирует, моделирует действительные заболевания людей.

Почему бы не изучать это на более близком объекте? Это практически невозможно: мы не можем человеку при жизни залезть в мозг, вскрыть, достать больные нейроны, которые умирают. Причем в случае болезни Паркинсона это один тип нейронов, дофаминергические нейроны, которые лежат в одном определенном отделе мозга, а в случае болезни Гентингтона, например, это функционально другой тип нейронов. Это невозможно сделать прижизненно. Но только нейроны человека будут передавать истинный смысл патологии, только благодаря им мы сможем детально узнать, каким образом болезнь развивается, за счет чего, и даже постараться найти лекарственное средство.

Конечно же, совершенно замечательным и прорывным открытием явилась технология репрограммирования. Она позволяет репрограммировать клетки взрослого организма, причем любые клетки. У больного каким-нибудь нейродегенеративным заболеванием можно взять немного либо крови, либо кожи, либо клеток с волос, провести репрограммирование этих клеток, после этого получить индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, являющиеся универсальными стволовыми клетками, и из этих универсальных стволовых клеток уже можно получить специализированный тип нейронов, которые генетически будут абсолютно идентичны тому пациенту, у которого мы брали исходные, предположим, клетки крови или фибробласты кожи. И, таким образом, мы можем, во-первых, персонально для этого человека, а во-вторых, именно на нейронах этого человека проводить наши эксперименты.Первое подобное исследование было проведено в 2009 году для пациентов с наследственной дисаутономией. Не были известны причины заболевания, было известно, что погибают моторные нейроны и что это приводит впоследствии к гибели пациентов. Моторные нейроны сложно изучать, они не имеют никаких дефектов при жизни.

Что было сделано? Были получены индуцированные плюрипотентные стволовые клетки от этих пациентов, из них были получены моторные нейроны. Параллельно из нормальных контрольных людей тоже были получены индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и контрольные моторные нейроны. И в этих двух образцах с помощью современных методов полногеномного анализа сравнили, какие гены как транскрибируются и на каком уровне. И оказалось, что один из генов имеет дополнительный вариант. Сегодня очень много внимания придается сплайс-вариантам генов. Один из генов имел дополнительный сплайс-вариант, и исследователи решили посмотреть: а если мы возьмем и постараемся каким-нибудь способом убрать этот сплайс-вариант, то что у нас произойдет?

Ученые провели анализ имеющихся химических молекул и нашли одно вещество, кинетин, которое может регулировать дополнительный вариант гена.

Затем они налили это вещество на больные моторные нейроны — вне пациентов, конечно же. И оказалось, что уровень этого гена действительно нормализовался и эти моторные нейроны вне организма перестали быстро гибнуть. То есть в результате проведенной работы оказалось, что ученые, во-первых, нашли, почему развивается заболевание — это появление дополнительного сплайс-варианта гена IKBAR, — и, более того, нашли лекарственное вещество, которое потенциально может быть полезно для этих людей. Почему потенциально? Потому что они показали это в доклинических исследованиях на модельной системе человеческих мотонейронов как раз этих пациентов, но надо еще все это подтвердить и в клинических экспериментах. И, собственно, теперь получено разрешение соответствующего министерства США, для того чтобы провести клинические испытания этого лекарственного средства. То есть реально получается, что мы можем, используя эти вещи, изучать нейродегенеративные болезни и, соответственно, подбирать лекарственные вещества.

Сходная работа была проведена на пациентах с боковым амиотрофическим склерозом. Это заболевание, которое на сегодня вообще не имеет никаких видов терапии, и, конечно же, оно протекает и развивается очень тяжело. Даже не узнавая причины возникновения заболевания, исследователи взяли индуцированные плюрипотентные стволовые клетки от пациентов с боковым амиотрофическим склерозом, получили из них моторные нейроны, и эти моторные нейроны у них в культуре гибли. Они взяли целый спектр химических соединений и стали наливать на эти моторные нейроны и смотреть, к чему это приводит. Из полутысячи они отобрали примерно 5–7 кандидатных соединений, которые приостанавливали гибель моторных нейронов. То есть в этом случае они даже не ставили задачу узнать, каковы молекулярные механизмы заболевания, но была поставлена другая принципиальная задача, как бы конечная — как вылечить. И, проведя скрининг примерно полутысяч лекарственных субстанций, они обнаружили где-то полдесятка потенциальных кандидатов, которые стоит исследовать более детально, а затем двигаться дальше.Я считаю, что это фантастическое достижение, которое позволяет принципиально по-другому подойти к разработке лекарственных средств. Мне также хочется упомянуть и нашу работу, которая связана с изучением болезни Гентингтона, она должна быть опубликована в 2015 году. И мы изучали болезнь Гентингтона на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, полученных из трех пациентов. И мы решили провести электрофизиологические эксперименты с помощью наших коллег из Санкт-Петербурга, а именно подтвердить либо опровергнуть гипотезу о вовлечении токов кальция в клетку в патологии Гентингтона. И, понимаете, получилось самое удивительное: мы подтвердили, что кальций вовлечен, но в чем состояла удивительность?

У нас было три человека, мы у каждого взяли по кусочку кожи, по фибробласту, каждому независимо прокультивировали фибробласты, от каждого независимо получили индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, потом для каждого получили эти нейроны, затем мы отвезли это в Санкт-Петербург в лабораторию.

Исследователи стали мерить, и оказалось, что во всех трех образцах отклонения тока кальция абсолютно идентичны.

То есть это фантастическая воспроизводимость метода, что говорит о том, что данная модель является абсолютно адекватной и она может быть стандартизована для каких-то других применений. Кажущаяся такая длительность: сначала репрограммируем, потом дифференцируем, — конечно, незнающие люди даже не понимают этих слов, а им и не надо понимать, им надо из этой части рассказа знать, что мы получаем стандартизованную модельную систему, которая может быть использована. И это, конечно, когда наступает слияние биологии и каких-то более точных наук.

Сегодня очень хорошо развиваются исследования в области изучения такого нейродегенеративного заболевания, как Паркинсон. В недавно проведенном исследовании — оно было проведено в 2012 году — было выявлено несколько лекарственных субстанций, которые могут быть потенциально использованы, и уже идут подобные клинические испытания для лечения больных паркинсонизмом, но с определенными генетическими мутациями.

Что нам дали новые клеточные технологии? Они, по сути, дали нам возможность перенести часть мозга из организма в лабораторию исследователя. И это не мозг дрозофилы, не нервные клетки мышки или крысы, а это именно часть нервной системы человека, и это реальная нервная система. А о том, насколько она реальна и как ее можно использовать для других экспериментов, мы еще поговорим в будущем.

Великим достижением самого начала XX века было то, что люди научились культивировать клетки человеческого организма, млекопитающих вне организма. Для этого они использовали чашки Петри, то есть плоские поверхности, куда высаживали эти клетки. Вообще вначале это культивирование происходило даже в висячей капле, без поверхности, то есть капля свешивалась, и в этой капле, ни к чему не прикрепленной, отдельно плавали клеточки. Потом техника стала совершенствоваться, и мы научились растить клетки на поверхности так, что нам стало удобно смотреть на них в микроскоп, наблюдать, что происходит. И, конечно же, вся клеточная биология и генетика сильно развивались с учетом того, что мы сумели культивировать клетки нашего организма вне организма очень долгое время, выращивая их на чашках.

Но, как всегда, мы доходим до каких-то границ, когда чашка переполнена, мы говорим: надо двигаться куда-то дальше, потому что нам уже этого не хватает. Так же и человечеству теперь перестало хватать этого двумерного распространения клеток на чашке, потому что мы же трехмерные, мы же не плоские, размазанные как по асфальту, мы существуем трехмерно. Каким образом существует это содружество клеток в трех измерениях? Все наши органы тоже трехмерные. То есть с развитием технологий у исследователей появилась возможность изучать не плоские культуры, а трехмерные культуры, или, как их стали называть сейчас, органоиды.

Подобное направление появилось весьма недавно, буквально за последние, наверное, 3–5 лет. Понятно, что всегда было желание собрать какой-нибудь объемный орган с помощью чего-нибудь, но надо понимать, что в процессе индивидуального развития, формирования организма его никто не собирает снаружи — это все происходит как бы изнутри, клетки сами себя укладывают. А те, которые не уложились туда, куда надо, которые не оказались в правильном соседстве, на самом деле погибают, не находя руки помощи от соседней клетки. Тут стоит задача как раз обратная: нам надо собрать различные клетки так, чтобы они были дружны между собой и продолжали дальше расти. Это удается сделать не для всех типов клеток и культур. Но за последнее время действительно был очень большой прогресс в искусственном выращивании органоидов.Первая замечательная работа была опубликована в 2013 году, когда австрийскими исследователями был выращен органоид, который они назвали мозжечковым органоидом. Они работали со стволовыми клетками и, как и многие, выращивали их на чашке, в плоскости, в культуре, но потом решили оторвать от поверхности и перенести в плавающую, в суспензионную культуру, чтобы клетки не прикреплялись. Для того чтобы не прикреплялись, они их поместили в биореактор с мешалкой, которая все время их перемешивала и не давала прикрепиться. Эти культуры клеток приняли сферическую форму, образовались маленькие сферы, а потом, что удивительно, они стали увеличиваться все больше и больше в размерах. Оказалось, что в биореакторных условиях, когда мы вокруг растущей ткани активно меняем культуральную среду, тем самым обеспечивая кислородом и питанием эти растущие клеточные образования, клетки себя чувствуют хорошо, в них идут правильные процессы.

Ученые изучали и использовали в своих экспериментах эмбриональные стволовые клетки. В эмбриональных стволовых клетках во время нейрональной дифференцировки в направлении нейронов, конечно, заложен потенциал формирования всего мозга. И что же они увидели через некоторое время? Когда предоставили нейрональной культуре возможность расти в трехмерном пространстве и при этом обеспечивали питательными веществами, то, что они получили, — это были зачатки мозжечка. Когда они извлекли эти культуры и стали их анализировать с помощью так называемых секций — порезали на очень тонкие секции и под микроскопом стали смотреть, на что похожи структуры гистологически, то есть как клетки там лежат, — оказалось, что действительно похоже на то, как происходит в мозжечке. После этого они взяли уже специальные маркерные белки и с их помощью окрасили эти срезы, и оказалось, что они действительно вырастили структуру мозжечка: там точно так же располагались клетки, такими же слоями, формировали такие же содружества клеток.

Удивительным образом получилось, что вне человеческого организма — а они использовали как раз и эмбриональные стволовые клетки, и репрограммированные клетки человека — сформировался фрагмент человеческого органа.

Другая группа ученых из Англии чуть позже получила схожий органоид, но то, что они наблюдали, немножко изменив условия культивирования, — оказывается, там был органоид коры головного мозга. То есть мы можем выращивать некие небольшие органы (они так и были названы — органоиды), которые будут повторять структуры отдельных органов человека, тем самым давая нам возможность более детально изучать какие-то процессы, что-то моделировать. Вообще, самое замечательное в этих органоидах — это, наверное, моделирование, возможность моделировать что-то человеческое, но без участия человека.

Другим подобным органоидом был кишечник. Опять-таки в качестве исходных клеток были взяты плюрипотентные стволовые клетки человека, ученые определенным образом воздействовали на них с помощью определенных ростовых факторов, а потом, дорастив до определенной стадии, поняли, что на чашке и в биореакторе они не очень хорошо будут расти: они становятся очень большими. И тогда они решили пойти на такой трюк: они эти зачатки органоидов трансплантировали в мышку, и в мышке это стало развиваться дальше. И в том месте, куда трансплантировали эти зачатки, действительно развился кишечник — с криптами, со всеми необходимыми клетками и так далее.

Более того, когда этот кишечник человека, который развился в мышке, заразили Helicobacter pylori, то он оказался инфицированным и как бы проявил все признаки язвенной болезни. Таким образом, получилось, что мы, с одной стороны, начали создавать что-то вне человеческого организма, на чашке в лаборатории, потом, для того чтобы получить более адекватную модель, перенесли это в животное, но и в этом случае это полностью имитировало то, что происходит в организме человека. То есть подобные органоиды дают сегодня колоссальную возможность использовать это в первую очередь для разработки новых технологий, для поиска новых лекарств, для моделирования тех или иных заболеваний. Это уже относится не столько к области научного знания, сколько к тому, что мы используем научное знание для разработки определенной технологии создания этого органа.

Одним из способов создания органов является биопечать. Она сегодня находится в зачаточной форме, потому что принтеры уже хорошо разработаны, но пока что для биопечати не хватает биочернил, которые бы вели себя таким же образом, каким ведет себя программа и соединительная ткань организма во время развития, чтобы сначала каждая клетка была изолирована, а потом, когда мы орган напечатали, у нас получался орган, состоящий из клеток, которые взаимодействуют между собой.Но идут и по другому пути: используют не биопечать, а биосборку. И мы в своей лаборатории достаточно успешно используем подобную биосборку. Мы, например, получаем отдельно клетки эндотелия сосудов, по которым проходит кровь, отдельно получаем клетки печени и отдельно получаем фибробласты стромы. Все это мы получаем из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, то есть генетически это принадлежит одному пациенту. Потом мы смешиваем в определенных условиях клетки эндотелия сосудов, клетки печени и клетки фибробласта в клетке стромы — у нас формируются шарообразные структуры, которые представляют зародыш печени, маленький фрагмент, как будто соту.

Если мы возьмем много таких сот, которые у нас легко собираются, сложим их воедино и они скоммуницируют друг с другом — чем сейчас мы как раз и занимаемся, — то мы получим уже большую печень. Но ее сборка произойдет искусственным образом, не так, как церебральный органоид, созданный за счет внутренней программы клеток, не так, как биопринтинг, когда мы клетки куда-то насильно запихиваем. Когда мы получили три клеточные популяции, они сами формируют одну структуру, аналогичную той, которая существует в печени. Наверное, это на сегодня самые яркие примеры существования и разработок искусственных органоидов, которые есть.

Вы, наверное, знаете, что человеческое тело состоит из 10¹⁴ отдельных клеток и что очень большое количество клеток мы теряем во время жизни. Например, человек в процессе жизни теряет порядка 300 килограмм клеток кожи — просто слущивается, и мы теряем это. Раз в неделю обновляется выстилка клеток кишечника, потому что мы употребляем различную пищу — она достаточно агрессивна, она переваривается, и вместе с непереваренными остатками выходят также и клетки. Но все это должно восстанавливаться, и, действительно, во взрослом организме, в зрелом организме все эти слои клеток восстанавливаются: клетки кожи, клетки эпителия кишечника, кроветворные клетки, десятки миллионов которых мы ежеминутно теряем. И эти потерянные клетки должны каким-то образом восстанавливаться. Восстановление этих утраченных клеток в процессе жизнедеятельности взрослого организма происходит как раз за счет стволовых клеток взрослого организма. Имеются свои специализированные стволовые клетки в каждой ткани.

Стволовые клетки, которые впервые были экспериментально обнаружены, — это стволовые клетки крови. Экспериментально было показано на клетках крови, что во взрослом организме существует стволовая клетка, которая может полностью восстановить все кроветворение. Для этого американские ученые брали мышку и облучали ее так, что полностью прекращалось кроветворение. У другой мышки брали одну-единственную, но стволовую клетку крови, переносили в облученную мышку, и эта облученная мышка обретала вторую жизнь, у нее развивалось кроветворение, и эта мышка в дальнейшем жила. Таким образом были открыты стволовые клетки взрослого организма.

Открытие стволовых клеток взрослого организма и, в частности, клеток крови тотчас же было подхвачено медиками-экспериментаторами. И если первые эксперименты по обнаружению стволовой клетки крови на мышах были проведены в 1961 году, то уже в конце 60-х годов начали трансплантировать костный мозг, который как раз и содержал стволовые клетки крови. Причем начали трансплантировать очень успешно, и практически с самого начала подобные трансплантации стали помогать людям, которые либо были облучены, либо имели онкогематологические заболевания. Это сразу стало помогать. Кстати, за разработку подобного метода лечения с помощью стволовых клеток немного позднее была вручена Нобелевская премия как раз тому человеку, Эдварду Томасу, который первый стал делать подобные трансплантации.То есть стволовые клетки взрослого организма на сегодня существуют и прекрасно используются, например стволовые клетки крови. Конечно же, развитие техники, технологий, инструмента для характеристики клеток, культуральные среды впоследствии позволили ученым обнаружить стволовые клетки не только крови и не только костного мозга, но и других тканей. Кстати, если говорить о стволовых клетках костного мозга, то тут очень большой вклад российских ученых Фриденштейна и впоследствии Черткова, которые как раз обнаружили, что в костном мозге у каждого человека существует два типа стволовых клеток: кроветворная стволовая клетка и так называемая стромальная стволовая клетка. Кроветворная стволовая клетка дает начало всем клеткам крови, а стромальная, или мезенхимальная, стволовая клетка — есть различные ее названия — дает начало таким тканям, как кости, жир, хрящи. Они существуют рядом, но это две разные стволовые клетки, и они не могут обмениваться функциями друг друга. И это как раз было показано российскими учеными, советскими учеными, и это активно цитируется, и их во всем мире знают и уважают сделанное ими открытие.

Позднее были открыты стволовые клетки, например, волос, мышц, стволовые клетки, которые могут восстанавливать миокард, стволовые клетки мозга. Как оказалось, почти в каждой ткани есть стволовые клетки, которые могут восстанавливать эту ткань.

Другое дело, насколько сегодня мы умеем использовать стволовые клетки взрослого организма.

Когда были обнаружены стромальные стволовые клетки (другое название — мезенхимальные стволовые клетки), как раз открытые нашими соотечественниками Фриденштейном и Чертковым, то через несколько десятилетий, в начале XXI века, стали активно стараться использовать их для лечения, например, сердечно-сосудистых заболеваний. Либо выделялся определенный фенотип клеток из фракции костного мозга, либо использовали всю фракцию костного мозга, и это вводилось пациентам, у которых, например, был инфаркт миокарда. Было проведено несколько клинических испытаний в ряде стран — и в Европе, и в США. И было показано, что действительно наблюдаются некие не очень большие и не очень стабильные эффекты. С чем это связано? Во-первых, скорее всего, с тем, что клеточная популяция, которая использовалась, не очень хорошо была охарактеризована, не было и до сих пор остается непонятным, какие именно клетки из всего костного мозга могут оказывать положительное действие. На сегодня эта технология не используется рутинно, хотя в клинических испытаниях, как эксперимент, это продолжается во многих странах мира, то есть лечение миокарда с помощью клеточной популяции, выделенной из костного мозга, содержащей, скорее всего, стволовые клетки.

На самом деле для многих случаев стволовые клетки не нужны. Прекрасно идет, во-первых, переливание крови, трансплантация различных тканей — например, кожная трансплантация прекрасно идет. И даже не столько ученых, сколько практиков это привело к идее: а что, если мы попробуем клетки, которые составляют нашу кожу, фибробласты кожи, использовать для того, чтобы исправлять какие-то дефекты, связанные с внешностью? Дефекты внешности могут быть разные. Это могут быть, конечно, и просто возрастные морщины, но, с другой стороны, это могут быть какие-то послеоперационные шрамы, рубцы, ожоги. Поэтому эта часть, конечно же, остается очень важной, потому что из-за послеоперационных рубцов, которые остаются, человек может себя дискомфортно чувствовать в обществе. Конечно же, это может быть применено и в косметологических целях, и это тоже определенное направление в медицине.Была разработана технология, по которой собственные фибробласты человека культивировались в лабораторных условиях и потом трансплантировались в места, которые нуждались в улучшении питания. Те люди, которые это делали, давали в эти места бо́льшую дозу свежих клеток, которые секретировали коллаген, а коллаген как резинки, дающий как раз упругость нашей коже. И это приводило и приводит к очень хорошим результатам. За рубежом и у нас в России существуют и одобрены подобные технологии, и они рутинно используются в косметологической практике — либо для чисто косметологических дел, либо для восстановления после ожогов, каких-то операционных дефектов и так далее. То есть, когда мы говорим об использовании клеток взрослого организма, совершенно необязательно опускаться до уровня «это должна быть стволовая клетка». Вполне можно использовать и те клетки, которые не являются стволовыми, но которыми мы можем манипулировать. Другое дело, надо знать, для какой нозологии это используется.

В последние годы был достигнут очень большой успех в изучении стволовых клеток кишечника. Нидерландский ученый Ганс Клеверс посвятил этому очень много времени и опубликовал совершенно фантастические работы. В своих работах он показал, что стволовая клетка кишечника может быть культивирована вне организма. Более того, потом она может быть использована в большом количестве практических вещей.

Например, она может быть специализирована в ту или иную ткань кишечника и потенциально использоваться для трансплантации.

Пока это доклинические исследования, но в скором времени, наверное, будут уже клинические исследования. Эта система может быть использована, например, для того, чтобы проводить изучение и скрининг новых лекарственных форм, которые могут помочь при опухолевых заболеваниях. Наверное, Ганс Клеверс может быть даже отчасти претендентом на Нобелевскую премию ближайших нескольких лет.

Вообще стволовые клетки взрослого организма не так активно используются, как нам бы хотелось. В основном это кроветворные клетки, фибробласты, клетки, выделенные из жировой ткани. Но применение их достаточно ограниченно. Почему? Потому что потенциал их небезграничный, хотя привлекает доступность: они не нуждаются в манипуляциях, их можно взять у каждого человека и с небольшими манипуляциями трансплантировать обратно. Вопрос остается: куда? Поэтому, несмотря на то что стволовые клетки взрослого организма доступны, легко культивируются, их практическое терапевтическое применение пока еще достаточно ограниченно.