Дискуссионный  клуб
научно-популярного журнала
"ЭКОЛОГИЯ И ЖИЗНЬ"

   О журнале | Подписка | Экословарь | Гостевая книга | Форум | Наши партнеры | English
 

Рассылка «Экологические новости, анонсы, обзоры»


Лаборатория Лернейской гидры

Н.А. Токарева

Целый год мы обсуждали проблемы современного здравоохранения, рассказывали о здоровье россиян, дискутировали по поводу состояния медицинской науки. А что если в канун Нового года попробовать заглянуть в будущее медицины, совершить экскурс в науку, у которой пока еще нет названия, познакомиться с мнением тех, кто ее делает? Если согласны, позвольте представить: медицина регенерации (область, где неизведанного ничуть не меньше, чем, скажем, на Луне) и ее главная героиня — стволовая клетка, изучение которой сегодня ставит гораздо больше вопросов, чем дает ответов.


Истории из истории
Сказка, конечно же, «ложь, да в ней намек»... Лернейская гидра или наш трехглавый Змей Горыныч, у которого Иван-царевич без устали рубил самовосстанавливающиеся головы — персонажи хотя и мифические, но явно состоящие в родственных отношениях с вполне реальной ящерицей, рептилией, без особого труда отращивающей потерянный хвост.
Не понятно, правда, почему этими замечательными свойствами некоторых животных человечество наделило своих врагов, а не героев. Может быть, потому что оно было столь же необъяснимым (а потому и страшным), как стихийное бедствие?
Первым развеять мифы об этом явлении и внести научную ясность попытался французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр. Именно он ввел в науку термин «регенерация» — восстановление утраченной части тела с ее структурой (от лат. re — «снова» и generatio — «возникновение») — и провел ряд опытов. Его работа о регенерации ног у рака была напечатана в 1712 г. Увы, коллеги не обратили на нее внимания, и Реомюр оставил эти исследования, тем более что и сфера его научных интересов ими не ограничивалась.
Лишь спустя 28 лет швейцарский натуралист Абраам Трамбле продолжил опыты по регенерации. Существо, на котором он экспериментировал, тогда не имело даже собственного имени. Более того, ученые еще не знали, животное это или растение. Полый стебелек с щупальцами, задним концом прикрепляющийся к стеклу аквариума или к водным растениям, оказался хищником, к тому же весьма удивительным. В опытах исследователя отдельные фрагменты тела маленького хищника превращались в самостоятельные особи — явление, известное до сих пор лишь в растительном мире (так из черенка вырастает новое растение).
А животное продолжало удивлять естествоиспытателя: на месте продольных разрезов на переднем конце тельца, сделанных ученым, оно отращивало новые щупальца, превращаясь в «многоголовое чудовище», миниатюрную мифическую гидру, с которой, по мнению древних греков, сражался Геракл. Неудивительно, что и лабораторное животное Трамбле получило то же имя. Но исследуемая гидра обладала еще более чудесными особенностями, чем ее Лернейская тезка. Она дорастала до целой даже из 1/200 части своего односантиметрового тела.
Реальность превосходила сказки! Но факты, известные сегодня каждому школьнику, в 1743 г. опубликованные в «Трудах Лондонского Королевского общества», ученому миру показались неправдоподобными. И тогда Трамбле поддержал к этому времени уже авторитетный Реомюр, подтвердив достоверность его исследований.
«Скандальная» тема сразу же привлекла внимание многих ученых. Оказалось, что гидра — далеко не уникальное явление природы. Есть и другие животные со способностями к регенерации. Классическими примерами стали ящерицы и головастики, восстанавливающие потерянный хвост; раки и крабы, отращивающие утраченные клешни; улитки, способные вырастить новые «рожки» с глазами; саламандры, у которых происходит естественная замена ампутированной лапки; морские звезды, регенерирующие свои оторванные лучи. Кстати, из такого вот оторванного луча, как из черенка, может развиваться новое животное. Но самым популярным подопытным стал чемпион регенерации — червь плосковик, или планария. Если его перерезать пополам, то на одной половинке тела вырастает недостающая голова, а на другой — хвост, т. е. образуются две совершенно самостоятельные, жизнедеятельные планарии. А возможна и совершенно необыкновенная, двухголовая и двухвостая особь — если на переднем и заднем концах сделать продольные надрезы и не давать им срастаться. Даже из 1/280 части тела планарии получится новое животное!
От наблюдений ученые перешли к анализу и попытались выявить законы этого «самоисцеления» и «самовосстановления» животных. Оказалось, что регенерация тесно связана с возрастом животного. Чем оно моложе, тем легче и быстрее исправляются повреждения. У головастика недостающий хвост запросто отрастает, а вот утрата лягушкой лапки делает ее инвалидом.
Следующий вывод связал эти способности со степенью эволюционного развития организма: чем животное более высоко организовано, тем слабее у него способность восполнения недостающих частей тела, и наоборот. Но природа предлагала все новые загадки. Например, даже среди близких по происхождению и развитию животных регенерация различна: круглые черви, сравнительно низко организованные животные, крайне слабо регенерируют, а вот кольчатые черви (наиболее высокоорганизованная группа) способны восстанавливаться из части тела (хотя тоже не все виды).
Более того, даже некоторые виды высокоорганизованных позвоночных имеют эту способность (конечно, не настолько, чтобы из кусочка тела вырастить целый организм): земноводные восстанавливают утраченные хвосты и конечности, рыбы — плавники, птицы — клювы. Собственно, даже у млекопитающих и человека обнаружились ткани с большими возможностями в данной области — регулярно меняют шерсть многие животные, обновляются чешуйки человеческого эпидермиса, отрастают остриженные волосы и сбритые бороды и т. д.
Человек — существо не только чрезвычайно любознательное, но и страстно желающее любое знание использовать себе во благо. Поэтому вполне понятно, что на определенном этапе исследования загадок регенерации (после изучения индивидуального развития органов и тканей и спонтанно идущей регенерации у животных) возник вопрос: а нельзя ли вызывать регенерацию искусственно? Это было в начале теперь уже прошлого, ХХ века. Собственно, все, что вы уже прочитали, было лишь предисловием, сама история начинается только сейчас. В 1930-х в Европе, Америке и России возникло новое, особое направление в учении о регенерации органов и тканей человека, не регенерирующих при обычных условиях.

Второй подвиг Геракла: «Это было чудовище с телом змеи и девятью головами дракона. Жила гидра в болоте около города Лерна и, выползая из своего логовища, уничтожала целые стада и опустошала окрестности...
...Как непоколебимая скала стоял герой и взмахами своей тяжелой палицы одну за другой сбивал головы гидры. На месте каждой сбитой головы у гидры вырастали две новые».

Разрушительное созидание
Эксперименты начались с утраченных конечностей. Оно и понятно, XX век изобиловал войнами и глобальным развитием промышленности, а, следовательно, и чрезвычайным ростом ранений и травматизма. Утрата конечностей — травма вполне совместимая с жизнью, но жизнью мало комфортной. Как тут не позавидовать тритонам или аксолотлям, которые за месяц-полтора полностью восстанавливают лапки взамен ампутированных.
Исследователям это показалось весьма перспективным направлением, а вскоре появились и положительные результаты: при определенных условиях достигалась полная регенерация конечностей. Так вот, об этих условиях. У исследуемых животных ткани вокруг раны сильно разрушали. Ранее развитые, дифференцированные, они утрачивали свою структуру, становясь похожими на клетки зародышей, клетки-предшественники без какой-либо специализации. Эти упрощенные, морфологически однородные клетки скапливались вокруг раны и начинали делиться. Их масса образовывала под наружным пластом клеток эпидермиса регенерационный зачаток, очень сходный с зачатком конечности в эмбриогенезе — зародышевом развитии. Из него и возникала «новая» конечность. А вот в контрольной группе животных, где на месте ампутированной конечности не проводили дополнительной травматизации тканей, дедифференцировки клеток не происходило, а вместо новой лапки — лишь зажившая рана с рубцом.
Подобные исследования проводились биологами и медиками, в лабораториях и клиниках. Вот далеко не полная, зато показательная их антология.
Травматология. Объектами исследований были головастики и лягушки (на разных этапах развития), затем мыши и крысы. Результаты были положительными — ампутированные конечности восстанавливались, если экспериментально вызывать сильное разрушение различными воздействиями — химическими, физическими, гормональными и др. (Впервые вызвать частичную регенерацию конечностей у млекопитающих — новорожденных крысят — удалось в нашей стране в 1951 г., а еще через 10 лет у нас, в Австралии и Англии добились регенерации пальцев у детей.)
Именно эти главные факторы, лежащие в основе регенерации, использовали ученые и для восстановления скелетных мышц у кроликов, крыс и собак. У них полностью удаляли икроножную мышцу, тщательно ее измельчали и пересаживали на место. Частично кусочки ткани разрушались и рассасывались, но сохранявшиеся регенерировали новую мышцу.
Хирургия. А вот для получения регенерации костей (свода черепа у собак и человека) ученые пошли другим путем, предложив четыре (!) совершенно новых биологических метода регенерации.
При операциях головного мозга нейрохирургам приходится удалять значительные участки костей черепа, а затем ставить неживые «заплатки» (из аллопластического тантала, плексигласа и пр.). А если вместо этого заставить кость восстановиться? Предложившего это Л.В. Полежаева многие сочли ненормальным — столь фантастичным казалось его предложение. Но...
Удаляемый при операции кусочек кости сильно разрушали и заполняли рану полученными костными опилками, и происходило чудо — по всей области дефекта кость полностью регенерировала. А ведь в данном случае из двух известных факторов один — дедифференцировка — отсутствовал. Регенерация шла другим путем — путем индукции. Костные опилки — индуктор — быстро (у собак за 7 дней) растворялись ферментами, выделяя вещества, которые индуцировали в изобильную незрелую соединительную ткань (реагирующий материал) молодую кость. Возникала вначале губчатая, потом пластинчатая кость, надежно закрывающая рану. Новый механизм регенерации подтвержден 250 успешными нейрохирургическими операциями (людей) в клиниках нашей страны.
Стоматология. Эта хорошо знакомая, но среди пациентов мало любимая медицинская специальность, не могла не привлечь внимания специалистов по регенерации. И почему регенерация зубов возможна лишь раз в жизни, когда выпадают молочные?! Трудно сказать, пытались ли ученые вырастить новые зубы взамен выпавших, но вот над пломбами потрудились: в эмали и дентине высверливались камеры (до пульпы канала), дентинные опилки тщательно смачивали раствором пенициллина и полученной пастой пломбировали камеру зуба. Результаты удивляли видавших виды пломбовых дел мастеров — каналы были надежно закрыты биологической пломбой из натурального, родного дентина.
В другой серии опытов камера зуба заполнялась дентинными опилками (играющими роль индуктора) с соединительной тканью десны (амфодонтом) в роли реагирующего материала. И амфодонт тоже превращался в дентин.
Кардиология. Сегодня «инфаркт» — диагноз чаще всего не смертельный, но чрезвычайно неприятный. А можно ли соединительнотканный рубец (омертвевший в результате нарушения кровоснабжения участок ткани) регенерировать в здоровый миокард?
В опытах на млекопитающих ученые попытались вместо рубца получить образование мышечных клеток и волокон, опровергая объективные данные патологической анатомии («мышца сердца не регенерирует»). И получили желаемую картину. У животных в экспериментальной группе сильно измененная после искусственно вызванного инфаркта миокарда электрокардиограмма вновь становилась нормальной, приходили в норму и измененные биохимические показатели нуклеинового и белкового обмена. Этим подопытным сразу после искусственного инфаркта в малых дозах вводился гидролизат миокарда млекопитающих, т. е. продукты белкового распада миокарда. Препарат в 2,5 раза ускорял разрушение омертвевших мышц. При этом весь очаг заполнялся новообразованными, еще слабо дифференцированными мышечными волокнами сердца.
Результаты лабораторных исследований (а иногда и клинических испытаний) не могли не впечатлять. Однако, как и два столетия назад, работы биологов и медиков, занимающихся проблемами регенерации, мягко говоря, вызывали неоднозначную реакцию ученых. Явно не хватало теоретического обоснования этих процессов (или они вступали в противоречие с общепризнанными теориями).
Но исследователи, верившие в фантастические возможности регенерации человеческих органов и тканей, проводили бесчисленные эксперименты в поисках факторов, вызывающих регенерацию, продолжали идти вперед и вперед. Не могло их остановить и откровенное третирование коллег, возмущенных попытками замахнуться на святая святых — нервную ткань: «Это тот самый Полежаев, который считает, что нервные клетки восстанавливаются?!».
Кто бы всего несколько лет назад мог предположить, что именно нервным клеткам предстоит совершить настоящий переворот не только в понимании регенерации, но и в самой биологии?!

Может ли человеческий организм восстанавливать свои органы? Долгое время ученые считали, что никакой регенерации органов у человека, как и у млекопитающих животных, не происходит. Частично поврежденные органы у высших организмов восстанавливаются примерно так же, как кожные раны — за счет клеток соединительной ткани, устремляющихся к месту повреждения и выделяющих специфические волоконца. Переплетаясь, они создают рубец, быстро закрывающий рану и предохраняющий организм от кровотечения и проникновения инфекции. Поверхность рубца гладкая, на нем не растут волосы, в нем отсутствуют кожные железы. И хотя этот участок не вполне полноценный, большая площадь поверхности кожи вполне позволяет организму не замечать этого.
Но масса внутренних органов не столь велика, и организм не может расточительно ограничиваться только образованием рубца, что не лучшим образом скажется на функционировании поврежденного органа. Что же происходит в этом случае? При утрате, например, части печени, по краю разреза образуется рубец, сплетенный волокнами соединительных клеток. Прежняя форма органа не восстанавливается (то же самое происходит с почками, легкими, селезенкой), но для нормальной работы этих органов совершенно неважно, какой они формы. Важны лишь величина и масса. Только при определенном количестве клеток орган может выполнять положенную ему работу. И хотя на раневой поверхности внутреннего органа новой ткани не образуется, зато за счет увеличения количества и размеров клеток усиленно разрастается его оставшаяся часть.

Нервные клетки не восстанавливаются?
Действительно, для большинства специалистов замахнуться на неизменность нервной ткани мозга было просто святотатством. Практически со времен Рамон-и-Кахаля, величайшего нейроморфолога конца XIX — начала XX вв., эта неизменность была категорической догмой: «Это — данность. Здесь восстановление невозможно», — такое вот своеобразное табу.
«Нервные клетки не восстанавливаются», — учили медики весь прошлый век. Впрочем, вот совсем свежее (2000 г.) учебное пособие «Основы нейрофизиологии» для студентов вузов (биологов и психологов). Его автор, уважаемый профессор, заведующий кафедрой высшей нервной деятельности МГУ утверждает: «Таким образом, нейроны нашего мозга, однажды образовавшись из клеток-предшественников (нейробластов), живут с нами всю нашу жизнь. На этом длительном пути мы только теряем нейроны нашего мозга» (курсив мой — Н.Т.).
А ведь еще в начале 1970-х американский исследователь Д. Альтман, заинтересовавшись возможностями нового тогда метода авторадиографии (в организм вводятся меченые предшественники ДНК, которые связываются с ДНК в делящихся клетках), обнаружил, что в мозге даже взрослых крыс есть области, в которых наблюдается деление клеток. Он точно указал области нахождения этих клеток и даже проследил, как они мигрируют. Ученый предположил: делящиеся клетки преобразуются в нервные и глиальные клетки. Это было столь революционно, что и его проигнорировали, на долгие годы просто забыв о фактах, противоречащих основным догматам нейрофизиологии.

Есть ли у тканей потенциал для самовосстановления? Про стволовые клетки крови, из которых можно получать весь гемолитический ряд, известно уже 40 лет. Человек ведь достаточно легко восстанавливает небольшие кровопотери именно за счет собственного потенциала. Но лишь в последние годы стало известно, что стволовые клетки присутствуют в очень многих органах: в печени, глубоких слоях кожи, в желудочно-кишечном тракте, в некоторых отделах головного и спинного мозга — практически везде.
Сегодня уже доказано, что из стволовых клеток можно получать очень широкий спектр дифференцировок — это одна из основных ее особенностей. Клетки, которые выделены, скажем, из мозга эмбриона (где их более всего), или из определенных областей мозга взрослых людей, способны стать абсолютно любыми клетками.
Организм способен восстанавливать самые различные повреждения своих тканей. Другой вопрос, достаточно ли этих клеток или каким образом их нужно стимулировать для того, чтобы направить дифференцировку (и направить их самих) в область повреждений. Существует некоторое представление о том, что из области повреждений посылаются специфические сигналы. Именно на них и откликаются стволовые клетки и направляются туда. Клетки (уже потомки стволовых), дифференцировавшись в утраченные, восполняют там поврежденные популяции.

Тихая революция
Восстановление нервной ткани — очень острая медицинская проблема. Да и прогнозы ВОЗ не позволяют расслабляться — в новом тысячелетии она приобретет еще большую актуальность, ведь благодаря успехам здравоохранения люди стали жить дольше, число пожилых людей значительно увеличивается, следовательно, растет заболеваемость целым рядом специфических неврологических болезней. А если к этому добавить бесконечные повреждения клеток мозга в результате инфекционных, генетических, хронических, экологически детерминированных и прочих заболеваний...
И при этих патологиях далеко не всегда помогает медикаментозное лечение, поскольку мозг надежно защищен гематоэнцефалическим барьером от различных проникновений. Фармакологи создают все новые и новые конструкции, способные «перетаскивать» через него медикаментозные средства, но медицина ждет более эффективных способов лечения.
А если попробовать трансплантировать в поврежденный мозг здоровую эмбриональную нервную ткань (ЭНТ)? Еще 20 лет назад это направление показалось весьма перспективным. Такая ткань не отторгается после пересадки в головной или спинной мозг. Нейроны трансплантатов устанавливают тесные синаптические связи с нейронами реципиента. Но клинические результаты были весьма скромными.
Скорее всего, основная причина заключалась в не самом успешном выборе болезни-модели (болезнь Паркинсона). Она развивается долго. Из-за того что гибнут специфические нейроны, которые в своих синапсах (окончаниях) выделяют дофамин (вещество из группы биогенных аминов, медиаторов), нарушается весь медиаторный баланс мозга. Но мозг — удивительно пластичен. Он не ждет, когда погибнут все клетки, а начинает как-то подлаживаться под ситуацию, перестраивается. Диагностируется же болезнь Паркинсона, как правило, в поздней стадии, поэтому исследователи абсолютно не знают, какие изменения в мозге произошли к этому моменту. К тому же для клинических испытаний отбираются больные с очень тяжелыми и запущенными формами болезни — в этой ситуации надеяться на полное излечение даже трансплантацией эмбриональных тканей очень трудно. И все же последние отчеты шведских и французских исследователей свидетельствуют, что 2/3 больных, которым сделаны нейротрансплантации, получили облегчение.
Проведенные работы дали очень многое в понимании организации мозга, факторов, оказывающих влияние на него. Но это было только начало... потому что годы спустя эти исследования стали неожиданно востребованными — оказалось, что 20 лет нейротрансплантологи, не ведая того, работали со стволовыми клетками. И именно этим клеткам природа отвела роль «восстановителя» нервных клеток мозга (поскольку нейроны, действительно, не могут делиться) да и других тканей организма. И этот факт произвел в биологии самую настоящую, хотя и тихую революцию. Собственно, и весь научно-клинический бум по поводу стволовых клеток, возникший на рубеже веков, обязан в основном именно открытию стволовой клетки мозга, и именно она породила новый виток научного интереса как к самим клеткам, так и к регенерации тканей и органов, открыв совершенно новый уровень понимания ее факторов и механизмов.
А клетки эти оказались поистине удивительными. И в рейтингах самых великих научных открытий ХХ века самые уважаемые международные научные издания (журналы «Science», «Nature») четыре позиции из десяти отдали именно этим исследованиям.

При некоторых неврологических и психических заболеваниях в мозге широко распространены явления очагового, или диффузного, разлитого повреждения — дистрофии или дегенерации нейронов. Нервные клетки сморщиваются и погибают. Это наблюдается при старческом слабоумии, шизофрении, болезнях Альцгеймера, Геттингтона, маниакально-депрессивном психозе, отравлении угарным газом или автомобильными выхлопами и т. д.

Стволовая клетка как она есть
Характерно, «Медицинский толковый словарь» (Медпрактика, 1999) определяет ее как «общее название клеток кроветворной ткани, начального этапа развития клеток крови». Но не зря учение о стволовой клетке назвали революцией в науке — даже само определение этой самой клетки сегодня изменилось кардинально.
Представьте себе самую раннюю стадию (первые 5 дней после слияния сперматозоида и яйцеклетки, на этапе бластоцисты) развития эмбриона человека (или другого млекопитающего): еще нет органов, только-только начинается размножение клеток, и их еще совсем немного. Оказывается, каждая из эмбриональных клеток способна развиваться в самых разнообразных направлениях (т. е. «обладает огромным потенциалом к развитию»). Степень пластичности настолько высока, что из каждой такой клетки-предшественника может развиться любая ткань (около 300 различных типов специализированных клеток организма). Этот особый вид клеток и назвали эмбриональными стволовыми клетками.
Эмбрион продолжает развиваться, начинают специализироваться клетки и формироваться органы. Дифференцированных клеток становится все больше, а вот стволовых (уже фетальных, как их называют на этапе развития эмбриона) клеток все меньше и меньше. Но даже у взрослого организма, хоть и в малом количестве, они сохраняются (теперь региональные).
Способность к самообновлению или поддержанию этого состояния — уникальная особенность стволовых клеток, приводящая прагматичных исследователей в состояние поэтического экстаза: «она самодостаточна и обладает неким бессмертием», «это своеобразная галактика». Ее сравнивают (слегка пренебрегая научной корректностью) с мощнейшим биологическим компьютером, в который изначально закладывается полная программа жизни.
Все это, так или иначе, соответствует истине, ведь к стволовым клеткам не приложимы известные принципы клеточного деления. Они это делают по-своему — при симметричном митозе обе дочерние клетки останутся стволовыми, а если происходит ассиметричный митоз, из двух новых клеток одна останется стволовой, а другая уйдет в дифференцировку. В стволовой клетке не происходит того укорачивания хромосом, которое, в конце концов, приводит к потере специализирующейся клеткой способности к размножению. Такое деление постоянно сохраняет определенный ресурс, определенный набор стволовых клеток, из которых, как из ствола дерева, растут ветви, возникают самые разнообразные специализированные клетки. Это тоже революционизирующая новость в биологии, раньше не предполагалось наличие у человека (и высших млекопитающих) клеток, способных на такие значительные вариации в своем развитии.
При этом все специалисты единодушно отмечают, что в зависимости от того, в какое микроокружение попадает вновь образовавшаяся неспециализированная клетка, в тот тип она и будет дифференцироваться: окружают ее нервные клетки — быть ей нейроном.

Нейротрансплантация. Ученые в течение ряда лет занимаются разработкой проблемы восстановления нервной ткани после повреждения, моделируя у млекопитающих морфологические изменения, возникающие при шизофрении, старческом слабоумии и в других случаях.
У белых крыс вызывали сильное кислородное голодание. А клетки мозга очень чувствительны к недостатку кислорода и при лишении его погибают через 5–10 мин. В опыте для стимуляции сниженной физиологической регенерации нервной ткани головного мозга постгипоксических крыс им в мозг трансплантировали ЭНТ (в других опытах — различные фракции, выделенные из нее). Происходила почти полная нормализация морфологии дистрофированных нейронов, биохимических показателей (содержание ДНК и РНК в нервной ткани мозга приближалось к норме) и функции высшей нервной деятельности животных.

Интегрированная наука
Генетики, цитологии, эмбриологи, физиологи, нейроморфологи, медицинские специалисты самых разнообразных специальностей объединились вместе, чтобы создать целостную картину Учения о стволовой клетке. РАН сейчас на редкость большое внимание уделяет этому направлению. Более того, свои усилия она объединила с РАМН. Кстати, за последние два года Президиум Академии медицинских наук проблемам стволовых клеток посвятил целых четыре заседания. Это колоссальное внимание сравнимо разве что с вниманием к участию Советского Союза в атомном проекте (конец 1940-х) или в проекте «Геном человека» (конец 1970-х — начало 1980-х).
И в значительной степени это внимание в нашей стране спровоцировала разработанная Г.Т. Сухих (лаборатория Центра акушерства и гинекологии РАМН) технология получения культур стволовых клеток. По мнению его коллег, их качество ничуть не уступает самым известным в научном мире культурам, полученным английскими исследователями. И вот два года как несколько лабораторий объединились для их исследования: подключились профессор Л.И. Корочкин с сотрудниками (Институт биологии гена — ИБГ РАН), профессор М.А. Александрова с коллегами (Институт биологии развития — ИБР РАН).
Так что же происходит в этих лабораториях, какими тайнами бытия делятся с учеными удивительные клетки?
Все начинается с того, что суспензию клеток мозга, полученную из эмбрионального материала, помещают в особые среды. Факторы, которые содержатся в них, позволяют клеткам делиться, но не разрешают дифференцироваться. На этом этапе главная задача — наращивание массы стволовых клеток. Клетки в культуре активно делятся, формируют сферические образования (нейросферы), которые имеют родоначальником всего одну стволовую клетку.
Для специалистов, интересующихся клеточной дифференцировкой, нейросфера — уникальный объект изучения. Правда, как ни стараются ученые, но по мере нарастания клеточной массы (по-видимому, за счет каких-то клеточных взаимодействий, возникающих в этом агрегате) начинается спонтанная дифференцировка внутри сферы: как не держи — клетки все равно стремятся к дальнейшему развитию.
Второй этап изучения стволовых клеток — их поведение после трансплантации в мозг. Здесь культивированные человеческие стволовые клетки пересаживают в различные участки мозга крыс. И они не погибают. Более того, трансплантированные клетки оказались чудными путешественниками. За 4–6 сут они проходили расстояние в 3–4 мм. Это абсолютно рекордная дистанция для таких маленьких клеток! И мигрировали они целенаправленно и адресно — в область повреждений.
Интересным оказался и их выбор будущей специализации — под влиянием локальных команд (которые называются микроокружением), они становились нейронами или превращались в глию.
Дальнейшие исследования будут связаны с дифференцировкой в различных областях и зонах мозга. Но главный и принципиальный ответ, волновавший ученых, уже получен: клетки после культивирования сохраняют хорошую способность и потенцию к широкой миграции и, вероятно, они будут замещать какие-то утраченные популяции клеток. Но это уже следующий этап исследований.

Как найти стволовую клетку в мозге. Уже существуют методы выявления стволовых клеток. Каждому периоду их развития соответствует появление определенного белка, специфического маркера. Вот, например, у клетки мозга способной развиваться в любом направлении, появляется белок нестин. Его присутствие — признак стволовой клетки. Далее появляется белок виментин. Он свидетельствует о том, что данная клетка может стать либо нейроном, либо вспомогательной глиальной, и никакой иной. На последнем этапе, когда идет дифференцировка, обнаруживается следующий специфический белок, для нейронов — бета-тубулин III, а при развитии вспомогательной глиальной клетки появляется глиальный кислый фибриллярный белок.



Здоровье на клеточном уровне
Все эти фундаментальные исследования чрезвычайно важны. И очень нужны тем, кто придет на смену ученым-теоретикам и будет заниматься решением прикладных задач — оздоровлением человечества и борьбой с тотальными заболеваниями: нейродегенеративными заболеваниями мозга, сахарным диабетом (1-го и 2-го типа), проблемами ускоренного старения, аутоиммунными заболеваниями и многими другими. И регенерацией, самовосстановлением организма в самом широком плане.
Эффективно разработанные технологии трансплантации стволовых клеток могут полностью изменить нашу жизнь. Но это будущее, а сегодня у этой области знаний нет даже своего названия, только варианты: «клеточная терапия», «трансплантация стволовых клеток», «медицина регенерации», даже «инженерия тканевая» и «инженерия органная».
Впрочем, очень многих исследователей, работающих в клиниках, нисколько не смущает ни это, ни то, что ученые-теоретики еще только в начале пути и не знают ответов на огромное количество вопросов, связанных с функционированием объекта изучения. Клиницисты Кардиологического НЦ, НИИ сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, главного НЦ хирургии, Онкологического НИИ, ЦНИИ травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова и многих других научных центров РАМН активно подключились к применению фундаментальных знаний. Вот только некоторые направления, где, как предполагают, трансплантация стволовых клеток может быть весьма эффективным методом лечения.
Цирроз печени. У тяжелых больных с этим диагнозом, как правило, только одно спасение — трансплантация печени. Справедливо решив, что на каких-то этапах развития заболевания пересадку целого органа можно заменить введением лишь стволовых клеток (через артериальное русло, прямыми пункциями, прямыми трансплантациями клеток в ткань печени), специалисты Центра хирургии РАМН начали пилотное исследование. Начальные результаты обнадеживают: колоссальная способность стволовых клеток к размножению, к превращению в различные типы клеток, позволяют даже небольшому их количеству (по отношению к общей численности клеток органа) заменять пораженные функции или компенсировать эти поражения.
Сердечно-сосудистые заболевания. Очень интересные предварительные разработки ведут российские кардиологи. Уже сегодня у них накоплены экспериментальные доказательства, что введение стволовых клеток больным с инфарктом миокарда или тяжелой ишемией — перспективный метод лечения.
Инсульт. Невропатологи давно наблюдают: на какой-то стадии лечения и реабилитации у пациентов с этим диагнозом, хоть и медленно, но ряд неврологических функций начинает восстанавливаться. Полагают, частичная компенсация происходит за счет стволовых клеток, которые (находясь вокруг и в нижней области боковых желудочков мозга) по еще мало понятным даже специалистам навигационным сигналам и схемам устремляются к повреждениям. Однако собственных стволовых клеток в мозге не достаточно для существенного восстановления, для этого необходимо создавать новые нейрогенные зоны путем трансплантации стволовых клеток. Инъецированные в место катастрофы, они заменяют собой, как минимум, три типа клеток и под влиянием локальных сигналов осуществляют свою генетическую программу — разворачивают в том направлении и развивают те типы клеток, которые необходимы организму в данное время и в данном месте.
Первые клинические эксперименты с трансплантацией стволовых клеток, начавшиеся в Питсбургском университете США, дали хорошие результаты — сейчас у тяжелых больных, перенесших ишемический или геморрагический инсульт, после клеточной терапии неврологическая реабилитация хорошо заметна.
Церебральный паралич. А в Москве целым рядом ведущих медицинских учреждений накапливается положительный опыт борьбы с тяжелыми заболеваниями в детской неврологии. В самом крупном национальном Центре акушерства и гинекологии, к сожалению, очень хорошо известно, насколько высок процент детей с внутриутробным развитием поражения мозга, в том числе и с церебральным параличом. Уже доказано, что если таким детям начать трансплантацию стволовых клеток (или терапию, направленную на их стимуляцию, т. е. на локализацию собственных, эндогенных, клеток в области поражения), то по прошествии первого года жизни часто наблюдается, что даже при сохранении анатомических изъянов мозга дети несут минимальную неврологическую симптоматику.
Рак. По мнению Г.Т. Сухих, опасности, грозящей развитием опухолей, при пересадке стволовых клеток (особенно фетальных — 8-я неделя развития эмбриона), как о том порой сообщает пресса, не существует. Более того, эти клетки в медицине «в самое ближайшее время будут применяться в качестве уникального оружия — оппонента опухолевой клетке». Потому что стволовые клетки по отношению к раковым выступают в роли сурового сержанта американской армии: «Вы сегодня новобранцы. Вы — ничто. Смотрите на меня и делайте, как я».
Изучение уникальных свойств стволовых клеток могут оказаться чрезвычайно полезными не только для понимания роста злокачественных новообразований, но и для контроля за ними. Потому что длительная биологическая эволюция сделала все, чтобы на фоне колоссальной потенции к размножению и вероятности огромных ошибок в геноме сформировалась мощнейшая система самоконтроля и даже «самоубийства» клеток. Существует многократный уровень гарантий: если клетка эмбриональная дает неправильное расхождение или рождается ненужная клетка, с нарушенным геномом — она неминуемо должна погибнуть.
Еще 5 лет назад были проведены опыты: культивированные стволовые клетки человека (и все то, что они продуцируют во время своего размножения) поместили в культуру клеток, которым дали команду на гибель. Ученых потрясла картина увиденного: клетки, которые двигались в сторону гибели, но еще не прошедшие критической точки, начали возвращаться к жизни — произошла отмена команды на самоубийство. А клетки, прошедшие этот перевал, очень быстро погибали. Похоже, что потенции, заложенные в стволовые клетки, действительно, могут быть уникальным инструментом для управления ростом опухолевых клеток путем отдачи команд на самоубийство или на остановку развития и на специализацию.
Диабет. Мы живы до тех пор, пока существует пул самообновляющихся стволовых клеток. Если, например, по каким-то причинам (аутоиммунная цитология или вирусная) исчезает пул клеток Лангерганса, синтезирующих инсулин, — возникает инсулинозависимый диабет 1-го типа. Можно ли его лечить с помощью пересадки стволовых клеток?
Два года назад пресса рассказывала об успехах американских и канадских исследователей в лечении этого заболевания с помощью трансплантации стволовых клеток. Но на самом деле пересадили тогда не стволовые, а бета-клетки (взятые у погибших взрослых людей). Операции были, действительно, успешными — пациентам вернули независимость от инсулина. Российские специалисты в области стволовых клеток тоже готовятся начать работы, которые помогут разобраться в возможностях использования культур клеток (стволовых или бета-клеток) для лечения или компенсации отдельных форм диабета.
Гинекология. В этой области у стволовых клеток тоже большие перспективы. К сожалению, очень многие молодые женщины сегодня обречены на бесплодие: их яичники прекратили продуцировать яйцеклетки. Часто это означает, что исчерпался пул клеток, из которого возникают фолликулы. Следовательно, необходимо искать механизмы или индукции, их восполняющие. Первые обнадеживающие результаты недавно появились.
Травматология. В Институте травматологии и ортопедии исследователи получают стволовые клетки из костного мозга. После 4–6 недель размножения клеток в культуре их пересаживают в сустав, где они реконструируют хрящевые поверхности.

Сколько стволовых клеток в организме? Очень интересный, с большими и любопытными перспективами, современный ресурс стволовых клеток — пуповинная кровь. После родов в НЦ акушерства и гинекологии исследователи собирают от 50 до 120 мл такой крови. Из каждого 1 мл выделяется 1 млн клеток, но лишь 1% из них — клетки-предшественники. Во взрослом организме стволовых клеток и того меньше — в лучшем случае 0,01%, а то и 0,001%.
Этот личный запас восстановительного резерва организма — чрезвычайно мал, а потому бесценен.

За счет внутренних резервов
Кстати, попытки исследователей лечить больных, используя их собственные стволовые клетки (собственно, то, с чего и начиналась «прикладная регенерация»), продолжили и Харьковские криобиологи. Они брали у пациентов предшественники нервных клеток, культивировали их, а затем трансплантировали обратно. Несколько операций, проведенных ими, имели вполне видимый эффект.
Так значит, все-таки возможно «включить» собственные резервы организма, помочь ему направлять стволовые клетки в области повреждений, и путь, по которому шли первые исследователи регенерации, перспективен?
Ученые — люди ответственные и не торопят события. Вот мнение М.А. Александровой. Она считает, что пока говорить об этом рано, особенно если речь идет о столь тонкой и точной системе, как мозг, к тому же еще не вполне изученной. Ученым известно о существовании природой заданной программы постоянного восполнения клеток, находящихся в ольфакторной зоне, работающей всю жизнь. Но такого не происходит в остальных известных сегодня областях мозга со стволовыми клетками. Более того, пока даже неизвестно, что и при каких обстоятельствах заставляет их работать. Существуют некоторые возможности воздействовать на них, можно даже стимулировать их дифференцировку. Но... пока слишком много моментов не определенных и не известных. Стимулировать все эти клетки? Но где гарантия, что в мозге не начнется спонтанный, беспорядочный и неконтролируемый рост клеток? Речь даже не о возможном росте опухолей (таких данных нет), а о том, что пока нельзя исключить бесконтрольного формирования клеток любой популяции, которое может привести к изменению функциональной активности, к изменению синаптических взаимодействий и т. д. Нужно точно знать механизмы, заставляющие эти клетки не просто делиться, но еще и отправляться путешествовать в ту область, которая требует пополнения клетками; да еще и дифференцироваться там именно в те клетки, которые погибли, и включить эти клетки в общую интегративную систему мозга.
Без сомнения, предстоит еще долгий научный поиск.

Маршрут миграции. Американские ученые проследили судьбу стволовой клетки, находящейся в зубчатой извилине мозга. После деления стволовые клетки в виде нейробласта мигрировали в другие отделы гиппокампа, где и начиналась дифференцировка. У них сформировались специфические аксоны и дендриты (отростки нейронов), аксоны установили специфические связи. По своим электрофизиологическим свойствам эти новые клетки оказались абсолютно идентичными тем, которые должны находиться в конкретной области мозга, и несли те же функциональные нагрузки.
Для этих стволовых клеток гиппокампа характерно то, что разные функциональные нагрузки вызывают различную интенсивность их образования. Известны и некоторые факторы, стимулирующие их деление: интенсивная учеба и другая интеллектуальная работа, активная физическая нагрузка (например, занятия спортом), умеренное голодание, острый и кратковременный стресс. А вот длительный и затяжной стресс угнетает процесс митоза стволовых клеток мозга.
У клеток-предшественников, которые находятся в субвентрикулярной зоне (у желудочков мозга), иной маршрут миграции. Очень специфическим и длинным путем они стремятся в ольфакторную зону и замещают там погибшие нейроны обонятельных луковиц. Здесь идет непрерывный процесс обновления в течение всей нашей жизни, причем независимо от нашего общего физиологического состояния.

Третий глаз
даже российские исследования, из-за недостаточного финансирования изрядно отстающие от мировых, за последние два года заметно продвинулись вперед. Культивированные стволовые клетки сегодня позволяют отойти от эмбрионального материала, вызывающего столько споров этического, нравственного, религиозного характера, — клетки, выращенные в культуре ткани, становятся как бы безличными.
Сегодня учение о стволовой клетке просто не могло не стать кардинальной научной проблемой для очень многих областей (они перечислены выше). Но есть еще одна область, которой, по мнению Л.И. Корочкина, учение о стволовой клетке реально придало второе дыхание. Это — генная терапия. Судите сами, уже 10–12 лет назад генетики умели вводить генную конструкцию в клетку, позволяя ей сработать. Но вся причуда заключается в том, что клетка с новым (исправленным) геномом не бессмертна, она погибает. И вся великая, тончайшая, ювелирная работа генных инженеров сводится к нулю. А если эту конструкцию поместить в стволовую клетку? Появляется не только возможность гораздо более длинного периода жизни клетки, но и размножения ее с этой генетической конструкцией.
При этом в стволовую клетку, предназначенную для трансплантации, можно ввести такие гены, которые придадут им формообразовательный импульс, такой, что под влиянием активности этого гена они из некой хаотической массы будут, например, формировать целый орган. Фантастика? Но, возможно, только пока...
Ведь известны же эксперименты, доказывающие, что образование целого органа, например глаза, зависит от одного гена, правда, запускающего целый комплекс вспомогательных генов. Например, если заставить его работать в каком-то необычном месте, то и глаз образуется в этом самом месте, пусть и необычном. У дрозофилы в результате таких экспериментов третий глаз мог оказаться то на крыле, то на брюшке. То же самое происходило и в опытах с лягушками.
Если найти, выявить такие гены, то можно совместить клеточную терапию с генной. Но здесь еще непочатый край работы.

Как получают стволовые клетки. Прежде всего из мозга (или других тканей) эмбрионов можно выделить клетки, поместить их в культуру ткани, где начинается их размножение. Эти клетки могут жить в культуре более года.
Стволовые клетки можно выделять из пуповинной крови и из мозга взрослых людей (например, при нейрохирургических операциях). А можно выделять из мозга недавно умерших, так как эти клетки обладают устойчивостью (по сравнению с другими клетками нервной ткани), они сохраняются тогда, когда нейроны уже дегенерировали.
Поскольку интересные работы, которые российские ученые могут сейчас предложить мировому сообществу, связаны именно с исследованиями конкретных человеческих стволовых клеток (в нашей стране пока нет никаких специфических запретов на получение и использование абортивного материала). И дело не только в том, что исследования клеток лабораторных грызунов — пройденный этап в данной области. Но и в том, что стволовые клетки крыс и мышей весьма существенно отличаются от человеческих и по-разному ведут себя в культуре. Фундаментальные открытия, конечно же, можно делать на грызунах. Но прикладные проблемы решаются не так.

О ложке дегтя
Понятно, что рассказ о новом направлении не обойдется без ложки дегтя. Несмотря на единодушное мнение специалистов о колоссальных возможностях стволовых клеток уже сегодня действует целый ряд существенных ограничений в их клиническом использовании. Сначала спорили: какие клетки следует брать для трансплантации (клетки бластоцисты или более поздние, фетальные). В прошлом году пошли еще дальше. В США к серьезнейшей дискуссии помимо прессы и общественности были привлечены президент, конгресс. Всем миром пытались создать баланс между этикой, религией, запросами общества и науки. Результатом стал мораторий: сегодня американские ученые могут заниматься лишь с 64 линиями стволовых клеток (которые были созданы до его принятия), и только их могут применять в клинических технологиях.
Но попытки вырастить и использовать стволовые клетки с очень узкой специализацией не всегда повторяют основное правило эволюции. И поэтому российские исследователи сегодня выступают за право сохранить возможность работы с эмбриональными, фетальными, региональными, постнатальными стволовыми клетками, клетками пуповинной крови и взрослого организма, т. е. со всем их спектром.
Но это уже серьезная тема для совсем другого рассказа.


 

Rambler's Top100

Телеконференция по экологии PROext: Top 1000 http://allbest.ru/libraries.htm Каталог ресурсов Ростовского интернета

© "Тайдекс Ко". Авторские права защищены действующим российским и международным законодательством. Ссылка при перепечатке обязательна. E-mail: info@ecolife.ru

Дизайн и программирование: Иванов Сергей. Поддержка и обновления: "Тайдекс Ко"

По вопросам размещения рекламы на сервере, конференциях и списках рассылки обращайтесь к вебмастеру. По вопросам размещения рекламы в журнале обращайтесь в редакцию.