Как стволовые клетки воспроизводят сами себя
Стволовые клетки обладают функцией самообновления — они могут делиться снова и снова, порождая многие другие типы клеток. Они ежедневно делятся в нашем теле, порождая клетки крови, клетки кожи, клетки, выстилающие наш кишечник, клетки хрящей, даже некоторые нервные клетки и клетки, обеспечивающие работу нервных окончаний. Таким клеткам, как клетки кожи и кишечника, которые постоянно отмирают, все время требуется замена. После деления стволовой клетки одна из образовавшихся дочерних клеток так и остается стволовой, в то время как вторая развивается в специализированную клетку — например, клетку кожи. Стволовые клетки могут делиться и симметрично, то есть так, что обе новые дочерние клетки остаются стволовыми.
Из-за способности к громадному числу делений, равно как и способности порождать самые разнообразные типы клеток, стволовые клетки представляют собой восхитительный многообещающий инструмент, который можно было бы использовать для лечения различных болезней. Они могли бы стать основой регенеративной медицины.
При этом наивысшей способностью развиваться во все существующие типы клеток обладают стволовые клетки, взятые из человеческого эмбриона, — эмбриональные стволовые клетки. Это обстоятельство спровоцировало целую массу этических проблем. Многие люди, которые, зачастую в силу религиозных представлений, считают человеческого эмбриона на ранней стадии его развития и даже саму оплодотворенную яйцеклетку уже готовым человеческим существом, возражают против того, чтобы с эмбрионом проводились какие-либо медицинские манипуляции и из него извлекались клетки.
Следующий набор этических проблем связан с вопросом клонирования. В принципе возможно создать эмбрион с генами какого-то конкретного индивида, поместив взятое из клетки этого человека ядро в яйцеклетку, заранее лишенную ядра, и таким образом получив стволовые клетки, обладающие генами донора. Эти последние достижения клеточной биологии вызвали ряд жарких дискуссий и одновременно открыли новые возможности, — например, весьма вероятно, что благодаря стволовым клеткам будет найден способ заменять нервные клетки пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, или клетки в больном сердце.
Весь этот ажиотаж, связанный со стволовыми клетками, побуждает нас исследовать вопрос о том, как происходит развитие оплодотворенной яйцеклетки. Пока нет ясности в вопросе о развитии яйцеклетки, невозможно квалифицированно судить о том, порождают стволовые клетки и клонирование этические проблемы или нет. Я также постараюсь развеять некоторые заблуждения, из-за которых эти вопросы стали настолько спорными.
Когда выяснилось, что радиоактивное облучение помогает излечивать некоторые виды рака, а трансплантация костного мозга способствует восстановлению клеток крови, уничтоженных радиацией, ученые взялись за изучение механизмов этих процессов. Двое канадцев, Джеймс Тилл и Эрнест Мак-Каллох, провели серию экспериментов, делая различные объемы инъекций клеток костного мозга мышам после того, как они получали смертельную дозу радиации. Джеймс Тилл вспоминает: «Чем больше костного мозга мы вводили, тем выше был процент выживших мышей». Объектом исследования ученых стали кроветворные ткани мышей, и в конце концов Эрнест Мак-Каллох обнаружил странные комочки в селезенках некоторых подопытных. «Мы оба обладали опытом в культивировании клеток, помещенных в искусственную питательную среду, и сразу же подумали о том, что в селезенках мышей возникли новые колонии клеток», — вспоминает Джеймс Тилл.
Им удалось доказать, что странные комочки — это действительно колонии клеток, которые каким-то образом развились из введенных мышам клеток костного мозга. Основываясь на результатах своих экспериментов, Тилл и Мак-Каллох разработали определение стволовых клеток, которое является верным и по сей день: это самовозобновляющиеся клетки, способные к интенсивному размножению и превращению при этом в клетки самых разных типов. Канадские ученые доказали, что стволовая клетка костного мозга может произвести любую клетку крови.
Пересадка костного мозга пациентам, страдающим от лейкемии, осуществляется после того, как стволовые клетки, вызывающие разрастание раковой опухоли, уничтожаются при помощи радиоактивного облучения. Пересадка демонстрирует роль тех стволовых клеток, которые содержатся в донорских порциях костного мозга. Чтобы восстановить работу кроветворной системы организма, их требуется незначительное число. Правда, при этом возникает серьезная проблема — отторжение чужих стволовых клеток иммунной системой организма; это происходит даже тогда, когда эти клетки для пересадки берутся у близкого родственника.
Все наши кровяные клетки берут начало из стволовых кровяных клеток, находящихся в костном мозге вместе с теми стволовыми клетками, которые сформировались у нас в печени, когда мы были эмбрионами. Эти стволовые клетки делятся, и их дочерние клетки способны породить любой из нескольких типов кровяных клеток, имеющихся в нашем организме, — прежде всего красные кровяные клетки.
Стволовые клетки также порождают клетки иммунной системы и другие виды клеток, содержащиеся в крови, — такие, как макрофаги, которые обволакивают и уничтожают чужеродные элементы, попадающие в кровь, например бактерии и вирусы, и тромбоциты, которые обеспечивают свертываемость крови в тех местах, где возникают раны или порезы. Стволовые клетки крови, кроме того, производят клетки, которые играют важную роль в формировании костей, когда в ходе развития зародыша создается костная система или когда выявлено повреждение в кости.
Основным типом клетки, порождаемым стволовыми кровяными клетками, является красная кровяная клетка, которая содержит в себе белок гемоглобин, позволяющий переносить кислород из легких в ткани. Красные кровяные клетки имеют ограниченный срок жизни — около 120 дней, и поразительным является то, что каждую секунду наш костный мозг производит два миллиона новых красных кровяных клеток. Красные кровяные клетки не способны делиться, так как они лишены ядра, митохондрий и некоторых других элементов и в них остался в основном лишь гемоглобин. Продукты жизнедеятельности красных кровяных клеток утилизируются макрофагами.
Откуда стволовые клетки узнают, какой именно тип кровяных клеток необходимо произвести и как развиваются эти кровяные клетки? Стволовая клетка имеет в своем составе гены, позволяющие приступить к формированию новых кровяных клеток; производство какого-то определенного типа кровяных клеток требует провести активацию тех генов, которые нужны для их синтеза, и деактивацию других генов — необходимых для производства иных типов кровяных клеток. Эти процессы контролируются двумя сотнями транскрипционных факторов, управляющих активностью гена. Находящиеся вне стволовых клеток белки контролируют, насколько быстро и часто будут делиться стволовые клетки и какой именно тип клеток разовьется из них. Стволовые клетки получают также сигналы издалека: когда организм чувствуют нехватку кислорода, производство красных кровяных клеток стимулируется гормоном, который вырабатывается в почках.
Внешний слой нашей кожи меняется за время жизни человека около тысячи раз. Это происходит благодаря стволовым клеткам, которые порождают клетки кожи и способны неоднократно повторять этот процесс. Стволовые клетки находятся в глубинных слоях кожи и в основании волосяных луковиц. Они порождают кератиноциты, клетки кожи внешнего кожного покрова, которые перемещаются к поверхности кожи. Белок кератин скрепляет их воедино, благодаря чему они образуют внешний защитный слой. Эти клетки все время отмирают и спадают с нашего тела — они один из источников пыли в доме.
Стволовые клетки, находящиеся в основании волосяных луковиц, могут порождать и клетки волос, и клетки кожи. Слой клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кишечника, также обновляется каждую неделю, и это тоже заслуга стволовых клеток. Еще одним примером являются клетки в носу, способные распознавать запахи. Стволовые клетки, существующие в определенных частях головного мозга, способны порождать нервные клетки. Стволовые клетки располагаются также вблизи наших мускулов, и если мускул повреждается, то они превращаются в новые мускульные клетки.
Механизм, который определяет, что одна из двух дочерних клеток станет стволовой клеткой, до сих пор до конца не ясен. Существует теория, согласно которой то, какие типы клеток будут образовываться при делении стволовых клеток, и то, как будут затем развиваться дочерние стволовые клетки, определяют клетки, окружающие нишу со стволовыми клетками. От самих же стволовых клеток зависит, какая из двух дочерних клеток останется стволовой.
Впрочем, все, может быть, организовано совсем иначе и механизм, который определяет будущее нарождающейся клетки, базируется на том, что во время разделения материнской стволовой клетки набор специальных белков не разделяется между двумя дочерними клетками, а отходит только к одной из них. И, как уже отмечалось ранее, возможно такое деление материнской стволовой клетки, когда образуются две дочерние стволовые клетки-близнецы. Это происходит при необходимости увеличить количество стволовых клеток в определенных местах организма.
Отвечающие за регенерацию тканей у взрослых стволовые клетки, которые воспроизводят клетки крови, внутренней поверхности кишечника, кожи, нервов, могут породить лишь весьма ограниченное число разновидностей новых клеток. Они способны действовать только в весьма специфической среде — им требуется для функционирования особая ниша; хотя стволовые клетки крови присутствуют в крови, там они действовать не могут. Но можно ли заставить эти стволовые клетки производить те разновидности клеток, которые они обычно не производят? Могут ли стволовые клетки крови порождать, например, нервные клетки? Некоторые исследователи утверждают, что при изменении условий стволовые клетки на это способны. Промелькнуло сообщение о том, что нервные стволовые клетки, пересаженные мыши, породили в ее костном мозгу стволовые кровяные клетки, которые стали в свою очередь делиться и создавать клетки крови. Однако достоверно подтвердить эти данные не удалось.
Другие исследователи заявляли, что когда они культивировали клетки костного мозга в искусственной питательной среде, то те вели себя так, словно они могли породить иные разновидности клеток, не относящиеся к клеткам крови. Однако эти данные также не поддаются убедительному подтверждению. Заявления о том, что стволовые клетки крови могут регенерировать поврежденные ткани печени, возникшие вследствие наличия дефектного гена, были вызваны в действительности тем, что введенные в организм стволовые клетки смешивались с клетками печени и обеспечивали их здоровыми генами.
Стволовые клетки эмбриона не сталкиваются с подобными проблемами. Они значительно отличаются от тех клеток, которые позволяют обновлять ткани взрослого человека. Их способность превращаться в практически любые типы клеток почти неограниченна: они могут произвести любой тип клеток нашего тела. Каждая наша клетка произошла от этих стволовых клеток, когда мы были эмбрионами. Стволовые клетки эмбриона, взятые из тканей эмбриона на ранней стадии его развития, способны создать любые типы тканей нашего тела, и поэтому их относят к числу клеток, обладающих мультипотенцией.
Если эти клетки поместить в искусственную питательную среду и снабдить нормальным питанием, то он начнут безгранично разрастаться, делясь каждые двенадцать часов. Более того — и это самое важное, — они сохранят при этом мультипотенцию. Видоизменяя условия искусственной среды, в которых растут и размножаются эмбриональные стволовые клетки, можно заставить их развиться в специализированные типы клеток — нервные, мышечные и клетки крови. Стволовые клетки эмбриона мыши могут даже породить яйцеклетки.
Ученым лишь частично понятно, каким образом поддерживается мультипотенция этих клеток. Чтобы не позволить стволовым клеткам развиться в различные типы клеток и сохранить их способность к самовоспроизводству, необходимы соответствующие гены, которые уже удалось идентифицировать, и питательная среда.
В большинстве экспериментов забор стволовых клеток из эмбриона, находящегося на ранней стадии развития, приводил к его гибели. Однако при наличии правильно подобранной искусственной среды можно забрать от эмбриона, не нанеся ему никакого вреда, всего одну стволовую клетку и впоследствии превратить ее в целую культуру клеток.
В принципе стволовые клетки, взятые от эмбриона, могут использоваться для целей восстановительной медицины и восстанавливать функции ткани, когда определенные типы клеток отсутствуют или повреждены. Возможно, наиболее важное потенциальное применение человеческих стволовых клеток — воспроизводство на их основе клеток и тканей для использования в клеточной терапии. Сейчас для того, чтобы заменить состарившиеся или пришедшие в негодность органы, применяются донорские органы и ткани, однако потребность в них значительно превышает предложение. Стволовые клетки же способны дать возобновляемые источники клеток и тканей и послужить победе над болезнями Паркинсона и Альцгеймера, поражениями спинного мозга, инсультами, заболеваниями сердца, диабетом, остеоартритом и ревматоидным артритом.
Болезнь Паркинсона обусловлена постепенной утратой особого набора клеток, которые используют химическое вещество допамин, чтобы передавать сигналы другим нервам. Она приводит к тремору и потере равновесия. Пересадка эмбриональных стволовых клеток, которые вырабатывают допамин, вызывает значительное улучшение состояния пациентов. Однако пока все еще не получается с помощью стволовых клеток выращивать у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, утраченные нервные клетки.
Обнадеживающие результаты дала пересадка стволовых клеток пациентам с травмами спинного мозга, которые приводят к обездвиживанию и потере ощущений, хотя механизм наступающих улучшений понятен не до конца. Замена утраченных или поврежденных нервных клеток является крайне актуальной проблемой, и в этой области ведутся обширные исследования.
Эксперименты на мышах дали результаты, которые позволяют предположить, что со временем появится возможность использовать эмбриональные стволовые клетки для замены мускулов и сердечной мышцы, а также для лечения диабета первого типа, заменяя производящие инсулин клетки.
Но какими бы обнадеживающими ни были результаты экспериментов, необходимо помнить, что опыты на мышах показали: на месте инъекции эмбриональных стволовых клеток в кожу мыши появляется опухоль, состоящая из разных типов клеток. Поэтому стволовые клетки следует вводить в человеческий организм с чрезвычайной осторожностью. Существует и проблема отторжения чужих стволовых клеток иммунной системой человека.
Один из способов преодолеть проблему отторжения видят в изменении генетической конституции эмбриональных стволовых клеток таким образом, чтобы они не рассматривались организмом как чужие. Этого можно добиться за счет пересадки клеточного ядра, взятого из клетки пациента — причем из любой, даже из клетки соединительной ткани, — в яйцеклетку. Если этот метод сработает, станет возможным взять у эмбриона на ранней стадии развития стволовые клетки, которые будут иметь ту же генетическую конституцию, что и клетки самого пациента. Такие стволовые клетки не вызовут реакции иммунного отторжения. Но несмотря на то, что в последнее время достигнуты успехи в экспериментах как на клеточном материале людей, так и высших приматов, оказалось весьма непросто добиться последующего развития яйцеклетки с пересаженным в нее ядром чужой клетки.
Другой вариант преодоления иммунного отторжения — создание стволовых клеток на базе обычных клеток пациента. В этой сфере достигнут значительный прогресс. Идентифицированы гены, которые должны быть активированы, чтобы клетка приобрела характеристики эмбриональной стволовой клетки, — их оказалось всего четыре. В ходе экспериментов установлено, что клетки, обладающие характеристиками эмбриональных стволовых клеток, могут быть созданы из клеток кожи человека или мышей при помощи вируса, который введет в них эти четыре ключевых гена, и тогда они станут кодировать белковые транскрипционные факторы. А транскрипционные факторы, в свою очередь, активируют гены, чье воздействие необходимо, чтобы обычные клетки заработали как стволовые. Это позволит создать высококачественные клетки из клеток тела, которые сравнимы с эмбриональными стволовыми клетками по форме, распространению и генетической составляющей.
Правда, есть опасность, что эти клетки из-за участия в их создании вируса могут привести к формированию опухоли. Поэтому ученые подходят к перспективе их использования в медицине очень осторожно.
В общем, требуется еще немало времени, чтобы изучить молекулярные основы перепрограммирования обычных клеток в стволовые и отыскать молекулы, которые смогут перепрограммировать клетки, не передавая им при этом потенциально вредоносные гены наподобие тех, что содержатся в вирусах. Имеются, например, обнадеживающие данные о возможности создания эмбриональных стволовых клеток из мужских яичек. Если подобные исследования увенчаются успехом, это будет равносильно превращению свинца в золото.
Последние достижения в сфере клеточной биологии спровоцировали возражения со стороны религиозных групп — давление ощутили даже области патентного права и законодательства. В 1988 году ученые из университета Висконсина создали технологию, позволяющую выделять и выращивать в искусственной среде человеческие эмбриональные стволовые клетки, и запатентовали ее вместе с набором придуманных ими практических методов. В апреле 2007 года патентное бюро США по моральным соображениям отменило решение о регистрации этого патента. Однако позже это решение пересмотрели, и регистрация патента вновь была подтверждена.
Проблему нехватки человеческих яйцеклеток, накладывающую ограничения на производство эмбриональных стволовых клеток для разного рода экспериментов, можно решить, создавая клетки-химеры. Есть возможность создавать человекоподобные эмбриональные стволовые клетки, добавляя гены человека в яйцеклетки животных, например коров. Ядро из обычной человеческой клетки (скажем, клетки подкожной соединительной ткани) можно трансплантировать в яйцеклетку коровы и затем выделить эмбриональные стволовые клетки на ранней стадии развития эмбриона. При этом все ключевые гены такой клетки будут человеческими и лишь несколько генов, которые задают коды белков в митохондриях, будут взяты от коровы. Выделенные таким образом клетки могут стать весьма ценным материалом для изучения генетических заболеваний человека. Британские власти поддерживают исследования, которые проводятся подобным образом, хотя некоторые религиозные группы и протестуют против этого.
Многие возражения против забора эмбриональных стволовых клеток из эмбриона на ранней стадии развития основаны на том, что эмбриону может быть нанесен ущерб и он может даже погибнуть, — это, дескать, равносильно тому, чтобы убить человека. Для некоторых групп протестующих решающим является то соображение, что в данном случае эмбрион создается непосредственно для исследовательских целей, — таким образом, по их мнению, ставится эксперимент над человеком.
Католическая церковь придерживается того взгляда, что оплодотворенная яйцеклетка равнозначна новорожденному ребенку или даже взрослому человеку. Но у подобного воззрения нет никакого научного обоснования. Даже Фома Аквинский полагал, что эмбрион или зародыш не становится человеческой личностью до тех пор, пока его тело не изменится под воздействием разумной души. Святой Августин считал, что «оживление», то есть вход души в тело, когда новорожденного можно крестить, происходит на сороковой день для мальчиков и на восьмидесятый день для девочек. Впоследствии он посчитал этот срок равным сорока дням для представителей обоих полов.
Но в течение последних тридцати или сорока лет католическая церковь придерживается того взгляда, что душа присутствует в теле с самого начала существования оплодотворенной яйцеклетки, хотя в Библии не содержится ничего, что позволило бы считать эмбрион на ранней стадии развития человеческим существом. Католики (к ним присоединяются многие протестанты) призывают наложить запрет на все исследования в области эмбриональных стволовых клеток, заявляя, что они являются преступлением против невинных людей. В то же время многие христиане и иудеи, напротив, приветствуют проведение исследований в области изучения эмбриональных стволовых клеток, надеясь, что это обеспечит излечение целого ряда тяжелых заболеваний. В США Национальный институт здоровья, дабы не возбуждать излишние страсти, изъял слово «эмбриональный» из своего реестра стволовых клеток и заменил его словом «плюрипотентный».
Примерно четверть всех оплодотворенных эмбрионов погибает на ранней стадии развития в утробе матери. Помимо этого в той же Великобритании ежегодно совершается до 200 тысяч абортов. Может ли кто-то с полной ответственностью утверждать, что гибель этих эмбрионов хоть в чем-то походит на смерть ребенка или взрослого человека? Мое собственное мнение состоит в том, что эмбрион превращается в человеческое существо только тогда, когда он становится способен самостоятельно существовать за пределами утробы своей матери при минимальной технической поддержке, а это происходит тогда, когда возраст эмбриона достигает 36 недель. Энн Макларен, ведущий исследователь в этой области, как-то задала вопрос: сколько человек из числа тех, кто считает, что оплодотворенная яйцеклетка является человеческим существом, во время пожара предпочтет спасти сотню находящихся в горящем здании оплодотворенных яйцеклеток или эмбрионов на ранней стадии развития вместо одного живого ребенка?
Во время искусственного экстракорпорального оплодотворения происходит оплодотворение сразу нескольких яйцеклеток, которым затем позволяют развиться до той стадии, когда становится возможным пересадить их в матку матери-реципиента. При этом пересаживаются не все оплодотворенные яйцеклетки, а те, что остаются, уничтожаются. В период между 1991 и 2005 годом в Великобритании один миллион эмбрионов, созданных по методу экстракорпорального оплодотворения, оказался неиспользованным. Не существует никакой разницы с точки зрения этики между искусственным экстракорпоральным оплодотворением и созданием стволовых клеток, поскольку оба метода требуют создания эмбрионов, которые впоследствии окажутся лишними и от них просто избавятся. Исходя из религиозных воззрений, кто-то, вероятно, выступает против обоих методов, но при этом нельзя быть против одного из них и в то же время поддерживать другой. Метод искусственного экстракорпорального оплодотворения приобрел исключительно важное значение для человечества, и так же будет и со стволовыми клетками.
Без сомнения, существуют те, кто испытывает отвращение к самой мысли о том, чтобы взять человеческий эмбрион на ранней стадии развития и извлечь из него клетки. Однако безоговорочно негативный настрой отнюдь не лучший способ выработать взвешенное суждение. Стоит задаться вопросом — кому, в конце концов, наносится вред использованием этого метода? Люди приходили в ужас при известиях о первых пересадках сердца, однако в настоящее время живут тысячи тех, кто успешно прошел через эту операцию и безмерно благодарен врачам. И если кому-то, кто негативно относится к стволовым клеткам, они спасут жизнь, этот человек, скорее всего, будет счастлив, что кому-то пришла в голову идея использовать их для лечения людей.
Для того чтобы лучше понять природу человеческого эмбриона, мы рассмотрим далее другое уникальное жизненное явление — происхождение всего живого из одной-единственной яйцеклетки.