Универсальные, всемогущие, вселяющие надежду — такие определения всплывают постоянно, когда речь заходит о стволовых клетках. Средства массовой информации и ученые не устают снова и снова, словно молитвенное правило, повторять длинный список болезней, которые ученые собираются когда-нибудь вылечить с помощью невидимых, микроскопических клеток: диабет, болезнь Паркинсона, сердечная недостаточность, боковой амиотрофический склероз (БАС), бесплодие, параплегия и так далее.

Одновременно с этим спектаклем и почти с такой же шумихой проходит дискуссия о том, этично ли использовать так называемые эмбриональные стволовые клетки для исследовательских целей, жертвуя при этом потенциальной жизнью. И почти не замеченными остаются гигантские, но не столь сенсационные успехи в изучении стволовых клеток. Биологи узнают все больше нового и неожиданного о том, как могут изменяться и развиваться эти клетки. При этом ученым становится ясно, что каждый организм обладает куда большим естественным потенциалом регенерации, излечения и преобразования, чем предполагалось ранее.

Специалист по стволовым клеткам Герд Кемперманн из Дрезденского технического университета именно к этому привлекает наше внимание в своей интереснейшей книге «Человеку нужны новые клетки». Стволовые клетки, пишет он, стали настоящим символом современного развития биомедицины. Ученые поражаются тому, насколько изменчивы уже взрослые живые существа, в какой степени они еще поддаются формированию: «В биологии мы привыкли исходить из данности, из того, „что есть“, и, выясняя связи, двигаться по этой цепочке к первопричине», — добавляет он. А биология стволовых клеток перевернула перспективу. Сегодня, рассматривая клетки, ученый и его коллеги обдумывают, что они могут из них сделать. Стволовые клетки — «проявление возможности». Они «определяются через то возможное, что в них заключено».

Стволовыми эти клетки называются потому, что от них, как ветки от стволов, происходят другие клетки, очень просто объясняет Кемперманн. С точки зрения эпигенетиков, это означает, что на геноме стволовых клеток, которые определяют свое развитие, а следовательно, и сущность, например, в качестве составных частей нервной ткани или слизистой оболочки кишечника, некоторые переключатели установлены не окончательно. Клетки еще ждут сигналов, которые дадут им команду надежно и в большинстве случаев необратимо включить или выключить конкретные гены. Как только это произойдет, клетка станет немного более зрелой, менее гибкой и приблизится к окончательной дифференциации.

Стволовые клетки с наибольшим потенциалом — действительно эмбриональные, так как они находятся в самом начале своего развития, то есть на самой высокой точке эпигенетического ландшафта, каким изобразил его Уоддингтон. Так называемые взрослые стволовые клетки, или клетки-предшественники, напротив, находятся в разных органах организма, например в коже, в кроветворном костном или в головном мозге. Из них в большинстве случаев могут развиться уже только те типы клеток, которые нужны организму для регенерации конкретного органа.

Многие судьбоносные биохимические решения на долгом пути от первой эмбриональной стадии — бластоцисты — до одной из приблизительно 200 возможных полностью дифференцированных соматических клеток прослеживаются до того, как произойдут модификации гистонового кода, метилирование ДНК или РНК-интерференции. Часто эпигенетические переключатели даже дополняют друг друга и обеспечивают двойную гарантию, что конкретный ген никогда не будет активирован, а клетка уже не сможет изменить своему назначению.

Неудивительно, что эпигенетики заинтересованы в развитии исследований стволовых клеток, но надеются извлечь из этой дисциплины пользу для себя. «Мы стремимся лучше понимать клетки, — говорит Александр Майсснер, работающий в обеих областях. — Речь идет о том, чтобы придумать, как лучше распознавать потенциал развития клеток». Он надеется, что уже через несколько лет на основании характерных мест эпигенома клетки можно будет определить, «способна ли она еще свернуть влево или вправо либо уже приняла окончательное решение».

Когда это произойдет, молекулярные биологи наверняка гораздо точнее, чем сегодня, будут знать, какие переключатели они еще могут задействовать, чтобы изменить тип клетки или подтолкнуть ее развитие в определенном направлении. Лишь тогда мечты исследователей стволовых клеток можно будет считать осуществимыми.

 

Основополагающая идея лечения стволовыми клетками — независимо от области применения — всегда одна: подобно источнику вечной молодости, они должны в любом месте обеспечить замену погибших больных клеток здоровыми. Например, для диабетиков ученые собираются вырастить из стволовых новые клетки, регулирующие уровень сахара в крови и высвобождающие инсулин. Их потом будут пересаживать в больную поджелудочную железу. Для людей с болезнью Паркинсона они собираются вырастить достаточное количество нервных клеток, синтезирующих нейромедиатор дофамин, дабы заменить ими отмирающие клетки того же типа. А чтобы восстановилась ослабленная сердечная мышца человека, перенесшего инфаркт, они хотят укрепить ее молодыми клетками.

В качестве концепции это звучит убедительно, но на практике все оказалось гораздо сложнее, чем полагали многие, когда исследование стволовых клеток только начиналось. Чтобы иммунная система не отторгала замещающую ткань, клетки, из которых ее вырастили, должны быть генетически идентичны реципиенту. До недавнего времени это удавалось только в экспериментах на животных с эмбриональными стволовыми клетками, взятыми у клонов в возрасте нескольких дней. Но этот метод весьма сомнителен с этической точки зрения, поскольку теоретически такие клоны считаются жизнеспособными. К тому же из-за многочисленных технических трудностей метод применим только в эксперименте.

В 2007 году сразу две группы генетиков привлекли к себе внимание, так как им удалось искусственно перевести эпигеном соматических клеток человека в самую раннюю стадию стволовых клеток. Это событие стало настоящей научной сенсацией, так как продемонстрировало, что у терапевтического клонирования есть альтернатива. Исследователи перепрограммировали клетки, внедрив в них методом трансдукции четыре определенных гена. Известно, что эти гены активны также в яйцеклетке, которая сразу после оплодотворения эпигенетически перенастраивается на «начало жизни».

Полученные таким способом клетки называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPS-клетки). Плюрипотентность означает теоретическую способность стволовых клеток развиваться в любую соматическую клетку. А индуцированные они потому, что эмбрионоподобное состояние вызвано искусственным путем. Идентичность их эпигенома с эпигеномом настоящей эмбриональной стволовой клетки и их одинаковый потенциал были доказаны Мариусом Вернигом, Алексом Майсснером и другими сотрудниками бостонской группы исследователей под руководством Рудольфа Йениша. Они сравнили метилирование ДНК, гистоновый код и модели активации генов iPS-клеток мыши с эпигенетическими переключателями в настоящих эмбриональных стволовых клетках — и не нашли никаких различий. Кроме того, эти клетки без всяких проблем включались в настоящие эмбрионы мыши и развивались затем в любой возможный тип ткани.

Не клонирование, а «перепрограммирование клеток — единственный реальный на сегодняшний день вариант», как сказал мне Рудольф Йениш в 2008 году, когда мы встретились на Международном конгрессе генетиков в Берлине. Там же он представлял новые захватывающие эксперименты своей лаборатории, в рамках которых плюрипотентные клетки мыши использовались уже для лечения больных животных. Его вывод: «Теперь мы знаем, что лечение стволовыми клетками принципиально возможно».

Во время эксперимента, который проводила группа под руководством Мариуса Вернига, ученые добились, чтобы iPS-клетки начали дифференцироваться как клетки головного мозга. Затем исследователи пересадили эти клетки в мозг мышат. Там ткани действительно превратились в клетки различных типов и функционально встроились в орган. Некоторые образцы исследователи оставили в пробирке и вырастили до тех вырабатывающих дофамин клеток, которые в большом количестве отмирают у страдающих болезнью Паркинсона. Полученные клетки они пересадили в мозг пяти крысам с этой болезнью. Состояние четырех животных заметно улучшилось в течение нескольких недель.

В другом случае исследователи из группы под руководством Якоба Ханны проводили эксперимент на мышах с серповидно-клеточной анемией. Это заболевание состоит в том, что один дефектный ген вызывает повреждение красных кровяных телец. Сначала ученые взяли несколько клеток из мышиных хвостов и перепрограммировали их в iPS-клетки. В них они заменили дефектный ген на нормальный и дифференцировали эти клетки в клетки — предшественники крови. Получившийся материал снова пересадили животным в костный мозг, который до этого был максимально разрушен облучением, чтобы клетки там размножились и синтезировали здоровые кровяные тельца. Это не привело к молниеносному выздоровлению мышей, поскольку у них по-прежнему оставалось несколько стволовых клеток крови с дефектным геном, но их состояние заметно улучшилось. «Теоретически мы могли бы лечить этим методом все возможные виды заболеваний костного мозга», — считает Рудольф Йениш.

Весной 2009 года наметилась возможность опробовать этот метод на людях. Одновременно несколько исследовательских групп в течение нескольких недель представили различные методы, позволяющие решить самую большую на тот момент проблему iPS-клеток. Ибо те четыре гена, которые специалистам по стволовым клеткам приходится внедрять для перепрограммирования клетки, часто вызывают рак. Поэтому во всем мире исследователи лихорадочно искали новые способы возвращать клетки в плюрипотентное состояние без этих четырех генов.

Сначала исследователи стволовых клеток Чонпон Ким и Ханс Шёлер из Института молекулярной биомедицины Общества Макса Планка (Мюнстер) объявили в своей публикации, что могут вернуть взрослые стволовые клетки в эмбриональную фазу с помощью всего одного гена. Затем последовала публикация Франка Зольднера и Рудольфа Йениша, сообщающая о методе, который позволяет получать iPS-клетки почти без всяких посторонних генов. Бостонские исследователи по-прежнему использовали вирус, но после перепрограммирования почти полностью удалили его гены. Примерно в это же время аналогичным путем пошли Кнут Волтьен и его коллеги из Торонто — и получили сопоставимые результаты.

Некоторое время спустя еще один метод опубликовал Цзюньин Юй из группы Джеймса Томсона — того американского ученого, который когда-то самым первым вырастил эмбриональные стволовые клетки человека. Ученые вводили в клетку гены вируса в такой жизненной форме, которая не встраивается в человеческую ДНК и поэтому иногда сама исчезает при последующих клеточных делениях. Нужно только потом изолировать эти клетки.

Еще за полгода до того, как были обнародованы эти потрясающие достижения, Рудольф Йениш считал: «Проблема перепрограммирования в принципе решена». Предполагалось, что в ближайшее время процесс будет освоен настолько хорошо, что соответствующие клетки тела можно будет превращать в стволовые и без помощи генной инженерии, а лишь посредством введения извне комплекса различных веществ, которые вызовут необходимые эпигенетические переключения. Затем нужно будет только определить, каким образом, в каком направлении и до какой степени оптимально дифференцировать стволовые клетки перед пересадкой в тело пациента, чтобы шансы на выздоровление были максимальными, а риск развития рака — минимальным.

Над этим, конечно, трудятся эпигенетики: они выясняют, какие переключатели использует клетка в процессе своего развития. Таким образом исследователи помогут специалистам по стволовым клеткам, и те найдут правильные точки приложения для целенаправленных манипуляций с клетками, поскольку на сегодняшний день не так уж просто дифференцировать стволовую клетку в желаемую форму, например в частичку нервной ткани или мышцы миокарда.

Вполне вероятно, что лечение стволовыми клетками благодаря эпигенетике когда-то станет вовсе не нужным. Если ученые освоят переключение эпигенетической программы одной дифференцированной клетки непосредственно на программу другой, они смогут превращать, например, клетку кожи в частичку нервной ткани, а клетку яичек — в синтезирующую инсулин клетку поджелудочной железы и так далее.

С клетками мыши это уже в определенной степени удалось. Пока это получится с человеком и со всеми типами его тканей, пройдет немало времени. Но тем самым будет окончательно проложен путь в обход стволовых клеток.