Стволовые клетки: как человечество придумало себе новое чудо

В Cредние века алхимики напряженно искали философский камень, чтобы превращать все подряд в золото и получить эликсир вечной жизни. Со временем ценности поменялись, и сегодня здоровье (читай — вечная жизнь) гораздо важнее золота, поэтому на роль философского камня c подачи СМИ назначили чудодейственные стволовые клетки.

Фото

SPL/EAST NEWS

Отформатировать память

Но в истории с волшебными клетками имеется одна сложность: их нигде нет. Практически все клетки взрослого организма высокоспециализированы (ученые говорят «дифференцированы») и могут порождать только себе подобных. Стволовых клеток много у эмбрионов, благодаря им из яйцеклетки развивается сложное существо. Но чтобы добыть универсальный строительный материал для взрослого человека, эмбрион нужно уничтожить. Это порицается как светскими, так и церковными институциями.

Стволовые клетки, дающие начало разным типам нервной ткани, под флуоресцентным микроскопом. Они выращены из клеток эмбриона, а подобные опыты запрещены во многих странах. iPS-клетки как раз решают эту проблему

Клонирование — технология, которая «породила» овечку Долли, — вроде бы решило проблему, но позже выяснилось, что полученные таким путем стволовые клетки ущербны и для полноценного лечения людей не подходят.

Все изменилось в 2006 году, когда японский биохимик, а в прошлом хирург Синъя Яманака опубликовал в журнале Cell статью с увлекательным названием «Индукция образования плюрипотентных стволовых клеток из культур мышиных эмбриональных клеток и фибробластов (клеток кожи) при помощи определенных факторов». Работа моментально стала сенсацией: Яманака и коллеги показали, что для превращения мышиной взрослой клетки в стволовую достаточно добавить к ней всего четыре гена. Как объясняет Яманака, «при этом запускается процесс, аналогичный форматированию жесткого диска, и клетка „забывает“ все, чему она научилась, когда превратилась в высокоспецифичную». Через год ученый точно так же получил стволовые клетки человека.

Лаборатория в Центре изучения и использования iPS-клеток при Киотском университете, который возглавляет Яманака

Авторы назвали «перепрограммированные» взрослые клетки, полученные этим методом, индуцированными плюрипотентными клетками (iPS-клетками). Открытие Яманаки оказалось настолько значимым, что в 2012 году ученый получил Нобелевскую премию — практически мгновенно по меркам Нобелевского комитета. Академики не ошиблись — у iPS-клеток уже сегодня есть реальное применение.

Трансплантация органов

Даже в странах, где налажено донорство органов, трансплантация не всегда бывает успешной из-за отторжения. Вместо органов другого человека больным можно пересаживать их собственные клетки, выращенные из iPS-клеток. Например, при обширном инфаркте пациенту делают соскоб с кожи, превращают полученные фибробласты в стволовые клетки и in vitro (в пробирке) заставляют их развиться в клетки сердца, которые и подсаживают больному. Так как это его же клетки, иммунная система не распознает их как врагов.

«Сегодня мы умеем превращать iPS-клетки в различные клетки пищеварительной системы, нейроны, клетки печени, сердца, крови, — рассказывает Яманака. — Но в большинстве случаев мы получаем не полностью созревшие клетки, потому что пока не умеем доводить дифференцировку до конца. Для устранения последствий инфаркта таких клеток достаточно, но, например, для лечения диабета незрелые бета-клетки поджелудочной железы не подходят, так как они не могут нормально производить инсулин».

Поврежденный позвоночник

При травмах спинного мозга часть нейронов повреждается или гибнет, что нередко приводит к параличу. Если заменить утраченные нервные клетки на новые, подвижность восстановится.

В 2010 году Яманака и коллеги провели серию экспериментов на мышах, у которых был поврежден позвоночник. Из мышиных клеток кожи ученые получили iPS-клетки, превратили их в нейроны и подсадили в место травмы. После операции мыши с парализованными задними лапами стали нормально ходить. Тот же эффект специалисты получили на мартышках. Через три-четыре года Яманака планирует начать испытания на людях.

Потеря зрения

Люди, не связанные с медициной, вряд ли слышали о макулодистрофии, а между тем именно из-за этой болезни пациенты старше 50 лет чаще всего теряют зрение. При самой опасной форме недуга сосуды глаза начинают аномально разрастаться, и просачивающаяся кровь разрушает фоторецепторы — нейроны сетчатки, которые отвечают за восприятие света. Заболевание лечится плохо, а препараты нужно вводить прямо в глаз. Коллега Яманаки, офтальмолог Масайо Такахаси научилась превращать iPS-клетки больных в клетки сетчатки, выращивать из них слои и пересаживать пациентам. В 2013 году правительство Японии одобрило методику, и до конца года ученые планируют начать клинические испытания.

Болезнь Паркинсона

Производящие дофамин нейроны, выращенные из iPS-клеток

Она развивается у двух человек старше 50 лет из 1000. У пациентов начинают дрожать руки, им становится трудно двигаться, брать предметы, нарушаются речь и память, часто развивается депрессия. Заболевание неизлечимо, и со временем состояние ухудшается. В мозгу страдающих от паркинсонизма умирают нейроны, которые производят нейромедиатор дофамин. Исследователь Центра изучения и использования iPS-клеток при Киотском университете Джун Такахаси (кстати, муж Масайо Такахаси) разработал технологию выращивания синтезирующих дофамин нейронов из iPS-клеток. В экспериментах с обезьянами пересадка таких нервных клеток ослабляла симптомы. Через три года Такахаси приступит к испытаниям на людях.

Рак

«Одним из перспективных методов лечения онкологических заболеваний считается иммунотерапия, — рассказывает Яманака. — Из iPS-клеток, выращенных из кожи пациентов, мы получаем Т-клетки и NK-клетки — компоненты иммунной системы, — которые прицельно атакуют раковые клетки конкретного человека». Выращенные из iPS-клеток «солдаты» расправляются с опухолью и не распознаются организмом как чужеродные.

Проверка лекарств

Многие препараты, в том числе антибиотики, часто имеют побочные эффекты, один из них — аритмия, которая иногда может убить пациента. Фармкомпании проверяют, нет ли у перспективного лекарства такого эффекта, с помощью моделей, созданных на основе раковых клеток. Тест ненадежен и часто дает как ложноположительные, так и ложноотрицательные результаты.

Используя iPS-клетки, можно вырастить полноценную сердечную ткань, которая сокращается, как настоящий орган. Подсоединив электроды, исследователи видят, как клетки реагируют на лекарство. Наборы для такой проверки уже есть на рынке — их производят две компании из Японии и США. Кроме того, при помощи iPS-клеток ученые определяют токсичность препаратов, тестируя их непосредственно на нужных тканях.

Персональная медицина

Послезавтра или чуть позже.
Панацея для всех

Чтобы иммунная система не отторгала пересаженные органы, в идеале они должны быть выращены из собственных клеток пациента. Но чтобы получить iPS-клетки, из которых можно вырастить органы и ткани, требуется время, а часто пересадка нужна срочно. Главным «раздражителем» для иммунитета служат белки так называемого человеческого лейкоцитарного антигена (HLA), расположенные на поверхности всех клеток. Существует несколько типов HLA, и у каждого человека они попарно сочетаются в разных комбинациях. Иногда в геноме «сходятся» два одинаковых типа HLA, и такие люди могут быть универсальными донорами клеток для части популяции, несущей этот HLA в сочетании с каким-то другим.

Яманака и коллеги решили создать базу iPS-клеток от таких доноров. К 2018 году они надеются найти людей, чьи клетки подойдут 50% населения Японии. Для этого нужно всего 10 человек, и трое уже есть. К 2023 году ученые рассчитывают отыскать 100 универсальных доноров, чтобы обеспечить iPS-клетками 90% японцев.

Пациенты с одним и тем же заболеванием по-разному реагируют на препараты: кому-то они помогают, а у других болезнь прогрессирует. Пока ученые далеко не всегда понимают, почему таблетки или уколы оказывают разное действие, но благодаря iPS-клеткам специалисты смогут предсказать, кому из пациентов какие препараты использовать. В 2013 году группа ученых во главе с Такаюки Кондо при помощи iPS-клеток вырастила из клеток кожи пациентов с разными типами болезни Альцгеймера нейроны и астроциты — клетки, необходимые для работы нейронов. Исследователи показали, что популярные лекарства оказывают на одни и те же клетки больных различный эффект. В будущем, используя этот подход, медики будут разрабатывать индивидуальные протоколы лечения для каждого больного.

Стволовые клетки обещали стать универсальным средством для лечения и омоложения. Реальность подкорректировала мечты, но, в отличие от других, когда-то перспективных технологий, у стволовых клеток по-прежнему хороший потенциал. Но это опять не философский камень.

«Мы изучили человека всего на 10%»

«Вокруг света» поговорил с Синъя Яманакой на конференции «Терапия будущего», организованной Сколковским институтом науки и технологий

Синъя Яманака за рабочим столом

Откуда вы знаете, что нужно делать, чтобы превратить iPS-клетки в другие типы клеток?

Мы многое заимствуем из биологии развития. Специалисты в этой области изучают, что происходит, когда оплодотворенная яйцеклетка превращается в полноценный организм. Мы пытаемся повторить отрезки большого пути в чашке Петри. Но сегодня ученые знают о том, как устроено наше тело, не больше 10%. И пока мы умеем получать только некоторые типы клеток.

Возможно ли использовать технологию для лечения болезней, вызванных мутациями, например гемофилии? Выращивать из iPS-клеток нужный тип клеток, исправлять в них мутацию и помещать в организм на место больных?

Да, над совмещением iPS-клеток и генотерапии работают многие ученые. Клинических испытаний на людях пока не было, но опыты на животных успешны.

Многие эксперты считают, что подсадка iPS-клеток может привести к опухолям…

Потенциально манипуляции с iPS-клетками опасны двумя типами малигнизации (образования опухолей). Первый — развитие тератомы: опухоли эмбриональных тканей из не до конца специализировавшихся iPS-клеток. Раньше риск был высок, но методы получения дифференцированных клеток становятся все лучше. Кроме того, мы хорошо умеем очищать смеси клеток от неспециализированных iPS-клеток. Второй путь развития рака — из-за мутаций, возникающих в геноме клетки при ее превращении в iPS-клетку. Но сегодня мы можем целиком «прочитать» ДНК iPS-клеток и отобрать те, которые не несут опасных мутаций.

Тем не менее насколько высок риск новых мутаций при создании iPS-клеток?

Когда мы впервые получили iPS-клетки человека, опасность была очень серьезной, потому что для превращения клеток кожи в аналоги стволовых мы применяли ретровирусы, которые встраиваются в геном. Сейчас мы используем вирус Сендай или особые фрагменты ДНК — плазмиды: оба агента не интегрируются в ДНК. Именно благодаря этим технологиям мы в принципе смогли начать клинические испытания iPS-клеток.

Технология iPS-клеток позволяет создать ребенка без ведома «родителей»: достаточно получить клетки кожи нужных людей. Как можно защититься от подобных рисков?

Да, это возможно. Как и любая технология, методика создания iPS-клеток несет новые риски, так что понадобятся новые регулирующие документы.

Есть ли другие перспективные технологии получения стволовых клеток?

Наверняка есть, но пока мы их не знаем. Сегодня наш метод — самый простой и воспроизводимый вариант получения стволовых клеток. Кроме того, можно клонировать клетки тела. Некоторые исследователи вообще уверены: чем изобретать методы получения стволовых клеток, лучше научиться добывать стволовые клетки из тела — некоторое их количество живет там всю нашу жизнь.

Каков прогноз развития отрасли? Можно ли будет, скажем, через 50 лет при помощи iPS-клеток омолодить организм?

Через 50 лет появится множество лекарств, полученных по итогам использования iPS-клеток. Уже в ближайшие 10 лет мы поможем людям с определенными заболеваниями. Но, на мой взгляд, восстановление клеток мозга или сердца прямо в организме намного лучше, чем пересадка новых клеток извне. Так что в регенеративной медицине, скорее всего, будут преобладать другие методы.

^{Фото: CENTER FOR IPS CELL RESEARCH AND APPLICATION, KYOTO UNIVERSITY GLADSTONE INSTITUTES/CHRIS GOODFELLOW; ASUKA MORIZANE, CENTER FOR IPS CELL RESEARCH AND APPLICATION, KYOTO UNIVERSITY}