Вырастить из кожи нейрон, кусочек сердца и сетчатки: как клеточные технологии помогают ученым бороться с болезнями и старением

Фото: Gorodenkoff/Shutterstock/Fotodom

Может ли человек, как ящерица - выращивать утраченные конечности? Найден ли ключ к лечению болезни Паркинсона? Какие неизлечимые болезни можно победить с помощью терапии стволовыми клетками?

Эти и другие вопросы в программе «Время науки» на Радио «Комсомольская правда» (97,2 FM) обсуждали:

- радиожурналист Мария Баченина,

- академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ),

- их гость – генеральный директор Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины имени академика Лопухина Федерального медико-биологического агентства, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Мария Лагарькова.

Журналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев и гость радиопередачи – гендиректор Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины имени академика Лопухина Мария Лагарькова

Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП

КЛЕТОЧНОЕ СТАРЕНИЕ ОБРАТИМО

Александр Сергеев:

- У нас сегодня очень интересный разговор - разговор о стреле времени. Почему все-таки время для нас течет однонаправленно: от юности - к старости? Если брать физические законы мироздания, то они обратимы во времени. Но где-то наступает порог необратимости. Физики это называют ростом энтропии. Мы все эту необратимость времени чувствуем, потому что с годами не молодеем. Но в XXI веке биологи и медики приблизились к тому, что в определенной степени можно назвать омоложением и организмов, и органов, и клеток. Что было открыто и что сегодня уже используется в этой области?

Мария Лагарькова:

- Один из Центров геномных исследований мирового уровня, в работе которого принимает участие и ФНКЦ ФХМ им. Лопухина ФМБА России, называется «Генетическое репрограммирование и генная терапия». И это словосочетание «генетическое репрограммирование» - обозначает технологию, которая позволяют развернуть вспять программу развития клетки. Замечу, не организма, а клетки. Эта технология, за которую в 2012 году дали Нобелевскую премию японскому ученому Синъя Яманака, позволяет сделать из практически любой взрослой клетки клетку, которая по своим свойствам очень похожа на клетку ранних стадий эмбриона. Это генетическое репрограммирование происходит в чашке Петри. И мы можем таким образом получить клетки, которые, с одной стороны, действительно, вечно юные. А с другой стороны – эти клетки в других условиях умеют превращаться в любые другие клетки организма.

Мария Баченина:

- К примеру, клетка кожи в клетку печени?

Мария Лагарькова:

- Да, клетка кожи через некую промежуточную стадию - в клетку печени. Кстати, современная наука напрямую тоже умеет клетки превращать: например, клетку кожи в нервную клетку и так далее. Почему Нобелевский комитет так высоко оценил эту технологию, которую предложил Синъя Яманака? Потому что человечество получило возможность от любого пациента или любого здорового донора взять либо кровь, либо маленькую биопсию кожи и сделать человеку его собственные стволовые клетки. Эти клетки получили название индуцированные плюрипотентные стволовые клетки - ИПСК.

Александр Сергеев:

- Как это работает в реальных многоклеточных организмах, начиная с оплодотворенной яйцеклетки? Где здесь появляются стволовые клетки? Как вы вторгаетесь в эту эволюцию и переставляете клетки с более поздних этапов на ранние?

Мария Лагарькова:

- На самом раннем этапе развития мы представляем собой оплодотворенную яйцеклетку, она называется зигота. И на совсем ранних стадиях деления, когда клеток всего несколько, они представляют собой тотипотентные клетки. Это значит, что из них может получиться все, что угодно, включая и два организма - однояйцевых близнецов. Дальше в процессе эмбрионального развития идет первое разделение на две разных ткани. Это внешние клетки, которые станут частью плаценты, и внутренняя масса клеток, которая так и называется – внутренняя клеточная масса. Эти клетки внутренней клеточной массы обладают свойством плюрипотентности – из них развивается весь наш организм. При развитии эмбриона это состояние длится от нескольких часов до нескольких десятков часов - это быстрый процесс. Потому что дальше идут следующие стадии развития, когда образуются так называемые три зародышевых листка. То есть три типа клеток, из которых формируются разные системы организма: пищеварительная, нервная, мышечная, кровеносная… Они получили свое назначение: из них уже может образоваться кровь, но, например, не может образоваться поджелудочная железа. А дальше в процессе нашего эмбрионального развития образуются все 200 с лишним типов клеток, которые есть у нас в организме. И этот процесс действительно однонаправленный. Но в организме нужен запас клеток, которые были бы не до конца дифференцированы.

Александр Сергеев:

- Когда мы говорим «стволовая», это значит, из нее может родиться несколько разных типов клеток, да?

Мария Лагарькова:

- Правильно. Но есть еще одно очень важное условие: клетка должна уметь самовоспроизводиться. Один ее потомок, предположим, может стать какой-то специализированной клеткой, а другой потомок должен восполнить запас стволовых клеток.

Александр Сергеев:

- А стволовые клетки сами по себе бессмертны? У них есть бесконечный теломерный хвост?

Мария Лагарькова:

- Сложный вопрос, который до конца не решен для разного типа стволовых клеток, потому что в нашем взрослом организме таких плюрипотентных клеток, которые могут сделать любую клетку, нет.

Александр Сергеев:

- Но клетки какой-то потентности в костном мозге присутствуют?

Мария Лагарькова:

- В костном мозге у нас присутствует целых два типа стволовых клеток. Они друг на друга влияют, но друг в друга не переходят. Это кроветворные стволовые клетки, из которых происходят все клетки нашей крови. И так называемые мезенхимные стромальные клетки, которые умеют давать жир, кость, хрящ, некоторые другие соединительные ткани.

Гендиректор Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины имени академика Лопухина Федерального медико-биологического агентства, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Мария Лагарькова

Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП

НАСКОЛЬКО НАМ ХВАТАЕТ ЗАПАСА СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК?

Александр Сергеев:

- Правильно ли я понимаю, что во взрослом организме стволовые клетки присутствуют, но их существенно меньше в процентном отношении ко всем другим клеткам?

Мария Лагарькова:

- Это правда. Но надо уточнить, что запас стволовых клеток в нашем организме - и мезенхимных, стромальных, и гемопоэтических, и других - он гораздо больше, нежели нам может понадобиться в течение жизни. Некоторые данные, полученные в результате анализа костного мозга долгожителей, которые прожили сто и более лет, говорят о том, что у них запас стволовых клеток сохраняется на довольно высоком уровне. Это значит, у нас запас прочности довольно большой.

Александр Сергеев:

- Тем не менее, задача - увеличить количество стволовых клеток, в том числе через искусственные методы, над которыми вы работает - она очень актуальна. Кстати, мы сейчас говорим про человека, про млекопитающих, но у растений-то все по-другому. Черенок растения дает корни и из старых клеток появляются более молодые. Везде ли в природе такая эволюционная динамика, что обязательно идет уменьшение потентности клеток?

Мария Лагарькова:

- Давайте по порядку. Во-первых, как это ни странно, перед учеными не стоит задачи пополнить запас стволовых клеток человека. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, про которые я говорила, это клетки, предназначенные совсем для другого. Например, мы можем вырастить из них клетки, чтобы восполнить запас на случай ожога кожи или нейродегенеративного заболевания, которое приводит к гибели нейронов. Мы умеем в чашке Петри делать и кожу, и нейроны. Из стволовых клеток взрослого организма их сделать сложнее - мы либо не можем эти клетки из организма достать, или мы еще не научились нарабатывать в том количестве, чтобы из них можно было сделать, например, много-много крови.

Что касается истории про возможности регенерации, то эмпирическим путем было показано: чем сложнее организм, тем меньше он умеет регенерировать. Чемпион среди позвоночных животных, наверное, саламандра, потому что у нее можно лапку отрезать, и она снова вырастает. Более того, недавние работы в очень серьезных журналах показали, что и мозг частично может регенерировать. Среди беспозвоночных животных я могу массу примеров назвать. Школьный пример – это планария, плоский червь, которую можно разрезать пополам, вдоль, и там каждая половинка даст свою особь. Регенерация бывает разная. Репаративная, когда нужно что-то починить, и физиологическая. Физиологическая регенерация в нашем организме нужна ежедневно, ежесекундно. Потому что за нашу жизнь в организме производится несколько тонн клеток крови. Каждые несколько дней у нас идет регенерация клеток кишечника. Поэтому, конечно, нам нужны стволовые клетки, которые будут заниматься физиологической регенерацией. А вот с репаративной регенерацией у нас дела обстоят не так хорошо.

КАКИЕ ТЕХНОЛОГИИ УЖЕ ПРИМЕНЯЮТСЯ НА ПРАКТИКЕ?

Александр Сергеев:

- Видимо, где-то потеряли в процессе эволюции... А какие клетки, которые потом идут на ремонт разных органов человека, уже сейчас используются в медицинской практике?

Мария Лагарькова:

- Я могу поделиться с вами совсем свежими данными. Только что закончился конгресс Международного общества исследования стволовых клеток. И практически весь он был посвящен переводу наших исследований в клиническую практику. В официальном регистре больше 150 клинических исследований, которые проходят в полутора десятках стран. Есть интересные работы по созданию пигментного эпителия сетчатки, который сделан из плюрипотентных стволовых клеток, либо из эмбриональных, либо индуцированных. В мировой научной литературе уже описаны несколько клинических случаев использования предшественников нейронов. Почему это важно? Это один из возможных способов лечения, например, болезни Паркинсона. Потому что при болезни Паркинсона гибнут специфические нейроны, которые производят дофамин в черной субстанции мозга. Есть клинические исследования бета-клеток поджелудочной железы, продуцирующих инсулин, они правда, в клинических исследованиях не трансплантируются в поджелудочную железу пациента, а функционируют как инкапсулированный мини орган под кожей.

Мария Баченина:

- Мария Андреевна, правильно ли я понимаю, что это работает примерно так: создали клетки, размножили, сделали укол (ввели эти клетки) - вылечили.

Мария Лагарькова:

- Я думаю, что волшебной пули еще никто не создал, равно как и волшебного лекарства. Если говорить про работы, которые в офтальмологии сейчас идут во многих странах, пигментный эпителий сетчатки получается из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Методически это выглядит так. У пациента берут кровь или маленький кусочек кожи, репрограммируют клетки до состояния, когда они умеют делать все типы клеток, - то есть до индуцированных плюрипотентных. Для этого нужно ввести в клетки 4 гена, которые запускают процесс генетического репрограммирования Дальше эти ИПСК путем направленной дифференцировки превращают в клетки пигментного эпителия сетчатки. Понятно, что трансляция всех наших лабораторных умений от лаборатории в медицинскую практику проходит еще массу этапов. Прежде всего, мы должны оценить безопасность этих клеток, чтобы в них не накопились какие-то мутации в процессе манипуляций.

Мария Баченина:

- Каждую клеточку надо на мутации проверить?

Мария Лагарькова:

- Нет, не каждую - мы проверяем популяцию клеток. У нас сейчас есть в распоряжении масса методов полногеномного секвенирования. Методы оценки хромосомной стабильности. А дальше этот пигментный эпителий надо каким-то образом трансплантировать и не куда-нибудь, а в глаз, да еще и в макулу (центральная часть сетчатки, где происходит основная фокусировка лучей света. Расположена на заднем полюсе глаза, напротив зрачка - Ред). Вообще, зачем это надо? Потому что и возрастная и наследственная макулодистрофия, могут привести к потере зрения. А это происходит от того, что погибают клетки пигментного эпителия.

Первая трансплантация клеток пигментного эпителия сетчатки была проведена в 2015 году в Японии. Этот опыт был положительным, хотя сказать, что человек был слеп, а стал зрячим, это не совсем так. Потому что, когда погибает пигментный эпителий, из-за этого начинают умирать фоторецепторы. Поэтому зрение не восстанавливается, а просто останавливается процесс деградации сетчатки. Вслед за этим исследователи начали заниматься фоторецепторами. Их научились делать достаточно функциональными. Другое дело, что пока эта технология не транслирована в клиническую практику. Но я думаю, что это вопрос недолгого времени.

КАК ОТРЕМОНТИРОВАТЬ СЕРДЦЕ

Александр Сергеев:

- Мария Андреевна, а я хотел бы спросить про кардиомиоциты (мышечные клетки сердца - Ред). Сейчас на ЭКСПО-2025 в Осаке в качестве забойного экспоната представили небольшое человеческое сердце - 20-30 миллионов клеток, которое сделано по IPS-технологии и просто пульсирует в растворе. Это пока наука или уже применяется в клинической практике?

Мария Лагарькова:

- Есть несколько исследований, которые направлены на применение кардиомиоцитов уже в клинической практике. Но тут тоже очень много подводных камней. Потому что нужно, чтобы они сокращались с соответствующей частотой и амплитудой по отношению к сердцу. Реально, исследователи пока могут делать некие «заплатки» на сердце. Но пока в широкой клинической практике они не применяются. Есть технологии, которые позволяют в живом организме репрограммировать судьбу клетки. Например, если есть какое-то повреждение, очень часто возникает фиброз. Клетки соединительной ткани - фибробласты - заполняют эту нишу, возникает рубец. Так вот, этот рубец можно убрать, эксперименты, которые делались и лабораторных животных, показали, что это возможно.

Мария Баченина:

- Убрать фиброз ткани возможно прямо в организме?

Мария Лагарькова:

- Да, прямо в организме сделать из одной клетки другую.

Александр Сергеев:

- Вы про нейроны начали рассказывать. Когда можно будет избавиться от нейродегенеративных заболеваний? Недавно очень звонко прозвучала информация о том, что в Японии сделаны из ИПСК искусственные нейроны и искусственные глиальные клетки, которые позволили первым пациентам получить лечение при параличах в результате спинномозговых травм. Получив эту инъекцию, парализованный человек через какое-то время начинал передвигаться самостоятельно.

Мария Лагарькова:

- Первые пилотные клинические исследования внушают надежду. Но процесс перехода научной технологии в клиническую практику - дело не быстрое. Медицина консервативна, потому что в начале идет набор данных. Надо смотреть, что через много лет будет с людьми, которые участвуют в клинических исследованиях. Насколько эффекты долговременны, безопасны и устойчивы. Но я считаю, что клеточная терапия, которая основана на индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, безусловно, перспективна. Что касается нейронов и вообще восстановления мозга, очень бы хотелось получить позитивные результаты. Но там надо решить еще много проблем, например, как трансплантированные нейроны, сделанные из ИПСК, встроить в эту сложную систему. Мы этого до конца не понимаем. Думаю, это вопрос времени.

Мария Лагарькова: "Процесс перехода научной технологии в клиническую практику - дело не быстрое. Медицина консервативна, потому что в начале идет набор данных"

Фото: Иван МАКЕЕВ. Перейти в Фотобанк КП

ЧТО ТАКОЕ IPS-БАНКИ

Александр Сергеев:

- Мы знаем, есть разные банки: банк пуповинной крови, костного мозга. Сейчас есть банки ИПСК? И не пора ли нам свои клеточки туда сдавать на всякий случай?

Мария Лагарькова:

- Сейчас мы в рамках Центра геномных исследований мирового уровня такой банк будем создавать. Банк костного мозга для чего нужен? Костный мозг - источник гемопоэтических стволовых клеток, клеток крови. Кстати, пуповинная кровь тоже. Но из пуповинной крови можно получить кровь и только кровь, и ничего другого. Но это тоже очень важные банки, потому что пуповинной крови обычно достаточно, чтобы восстановить кроветворение у пациентов весом 40 килограммов и менее.

Александр Сергеев:

- Особенно для детей это очень важно.

Мария Лагарькова:

- Да, потому что, если эта пуповинная кровь не востребована - ребенок, слава богу, здоров - то его пуповинная кровь может спасти жизнь другого ребенка, которому подойдет по иммунологическим параметрам. Поэтому и банки костного мозга очень важны, и банки пуповинной крови. И я надеюсь, что, создав банк ИПСК, мы сможем закрыть некую брешь в этой области, и, в конечном итоге, сделать возможным применение ИПСК в регенеративной медицине в России.

Александр Сергеев:

- ИПСК, конечно, это гениальное изобретение человечества. Яманака - гений. Но не мог же он просто так придумать этот коктейль из четырех белков? Наверное, он оказался на острие - развил то, что было в науке до него?

Мария Лагарькова:

- Одновременно с Яманака такую технологию пробовали разрабатывать еще несколько групп. Яманака был первым. Это не гениальное озарение, а тяжелый, кропотливый труд, действительно свойственный японцам. У исследований Яманака было несколько источников. Первый и самый главный – это работы Джона Гердона, который разделил с ним Нобелевскую премию, он ждал ее с 60 лет, а не шесть, как Яманака. Гердон пересадил ядро взрослой клетки в яйцеклетку, из которой предварительно вынул ядро, и получил в итоге головастика. Объектом была шпорцевая лягушка. Гердон доказал на физиологическом уровне, что в цитоплазме яйцеклетки содержится нечто, что может перепрограммировать судьбу клетки в обратную сторону. А второй источник - это работы с эмбриональными стволовыми клетки, их независимо друг от друга в 80-х годах получили Эванс и Кауфман, и Мартин. К 2006 году исследователи уже знали, чем отличаются ранние эмбриональные клетки от клеток взрослых. Так вот Яманака со своим аспирантом Такахаши взяли 24 гена, исключительно важных для эмбрионального развития и роста эмбриональных стволовых клеток. И методом последовательных приближений, из 24 генов отобрали 10, а потом и 4 гена, которых было достаточно, чтобы делать из клеток кожи ИПСК. Конечно, элемент гениального озарения там был, но прежде всего, это исключительно кропотливый труд.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Чудо-исцеление Трампа и светящиеся растения: как ученые создают лекарства внутри человека

СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ

На каком этаже стоит жить, чтобы не сойти с ума