Чем плюрипотентные клетки отличаются от мультипотентных? Какое значение плюрипотентные стволовые клетки имеют для клинической медицины? Что такое «магический коктейль Яманаки»? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Сергей Киселев.
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.