А не вырастить ли нам запасной мозг?
И вот теперь группа Такебе вдруг сообщает о феноменальном прорыве – о создании мини-органа, обладающего всеми свойствами настоящей печени. Как им это удалось? Японские ученые обратили внимание на важный факт, обнаруженный ранее американским исследователем Заретом. Профессор Зарет обнаружил, что первые клетки печени в зародыше начинают бурно размножаться после того, как вступают во взаимодействие с теми клетками, из которых потом образуются кровеносные сосуды, а также те первые клетки соединительной ткани, из которых потом образуется опорный каркас для всех органов и организма в целом (кости, хрящи и т. п.). Японские исследователи поместили стволовые печеночные клетки в одну среду с теми клетками из пуповины ребенка, которые образуют стенки кровеносных сосудов, а также с клетками человеческой соединительной ткани. В этом действительно оказался ключ к успеху. Эта смесь трех видов клеток сама собой собралась в трехмерную «печеночную завязь» размером 4 миллиметра, весьма напоминавшую печень человеческого зародыша на 5-6-й неделе его жизни.
На втором этапе эксперимента японские исследователи перенесли полученные таким образом «завязи» в живую мышь. Одну они подсадили в мозг мыши. Сделав «окошко» в черепе (и закрыв его прозрачной пленкой), они получили возможность напрямую наблюдать за ростом своей мини-печени. Эти наблюдения вскоре показали, что мини-печень сумела соединиться с кровеносной системой мозга и начала медленно увеличиваться в размерах. Еще 12 «завязей» были подсажены в мышиный живот. Вскоре стало ясно, что эти транспланты начали вырабатывать специфические печеночные белки и некоторые человеческие ферменты. Мало того, когда они были подсажены в организм мыши, лишенной собственной печени, они вполне заменили ей эту печень и спасли от верной смерти.
В продолжение этих экспериментов Такебе намерен теперь провести еще два вида опытов: трансплантировать мини-печени в организм путем введения их в кровоток и путем прямой подсадки их в печень для проверки, образуют ли они там желчные протоки, как настоящая печень. Если эти попытки увенчаются успехом и достаточно длительное наблюдение за мышами не покажет никаких опасных побочных нарушений, можно будет сказать, что найден многообещающий путь создания «запасных» органов посредством самоорганизации стволовых и взрослых клеток.
Эту перспективу делает еще более реальной второе из упомянутых выше достижений. Ученые из лаборатории профессора Бельмонте в Калифорнии использовали в своем эксперименте два вида стволовых плюрипотентных клеток – индуцированные (произведенные из кожи человека) и настоящие эмбриональные. Они добавили к колонии этих клеток те факторы роста, которые в ходе эмбрионального развития стимулируют начало образования почечной ткани, и присоединили к полученной смеси клетки мышиной почки. Спустя некоторое время эта обогащенная колония стволовых клеток самоорганизовалась в миниатюрное трехмерное подобие той «завязи», из которой в эмбрионе начинается разделение ткани на собственно почку и уретру. Более того, аналогичный результат был получен затем в опытах с колонией индуцированных стволовых клеток, взятых у человека, страдающего почечным поликистозом – тяжелым генетическим заболеванием, ежегодно поражающим свыше 12 миллионов человек на земном шаре. Этот результат показал, что в дальней (увы, пока очень дальней) перспективе можно будет, идя путем самоорганизации стволовых клеток, выращивать почечную (а возможно, и печеночную) ткань для трансплантаций также из клеток самого больного, то есть не опасаясь иммунного отторжения.
Я не случайно употребил слова «пути самоорганизации». Дело в том, что успех Такебе и Бельмонте перекликается с другими, хотя и менее завершенными и не столь результативными попытками создать различные человеческие мини-органы, используя тенденцию стволовых клеток к самоорганизации. Это оказалось возможным даже для таких вроде бы сложнейших систем, как человеческий мозг. На этом пути еще в 2008 году группа Сасаи показала, что группа нервных клеток способна сама собой собираться в клеточный шарик с четко различимыми слоями. В последующих экспериментах того же рода были уже получены некие подобия предшественников глаза и гипофиза. И вот теперь, в августе 2013 года, и здесь удалось сделать огромный шаг вперед, создав тем же путем подлинное подобие самого сложного человеческого органа – головного мозга в целом.
Это достижение принадлежит Мадален Ланкастер из лаборатории профессора Кноблиха. Вот как происходил ее эксперимент. Она обработала группу человеческих стволовых клеток в растворе веществ, стимулирующих образование нервной ткани, затем поместила их в шарики из геля для поддержки во взвешенном состоянии, добавила туда питательные вещества и самое минимальное количество факторов роста, а затем прокрутила всю эту смесь во вращающемся сосуде. Отработка этого метода заняла довольно много времени, но когда все было налажено, стволовые клетки дали начало первым нейронам уже через 8-10 дней, а вся последующая «самосборка» их в мини-мозг заняла 20-30 дней.
Получившиеся органоиды (так называют подобия настоящих органов) представляли собой клеточную массу величиной с горошину, много меньшую, чем мозг зародыша в первые недели его развития, но ход их развития и получившаяся структура воспроизводили все соответствующие стадии развития человеческого мозга и его основные структуры.
Микроскопическое исследование срезов таких органоидов выявило в них начальные стадии образования таких важнейших частей взрослого мозга, как лобные доли, средний мозг, мозговые оболочки, сосудистое сплетение, гипокампус и сетчатка глаза. Более того, лобные доли тоже демонстрировали начало деления на более мелкие участки, которые во взрослом мозгу соответствуют моторным, визуальным и другим функциям. Интересно, что все эти районы и участки росли в точности в той последовательности и в том взаимном расположении, что и в мозгу зародыша. И подобно мозгу человеческого зародыша эти органоиды содержали также множество будущих глиальных клеток, которые во взрослом человеческом мозгу призваны поддерживать всю массу нейронов. В органоидах наблюдалась также миграция нейронов, характерная для развивающегося мозга, а под конец появились даже первые спонтанные вспышки электрической активности, которая является отличительным признаком функционирующих нейронов мозга.
Все комментаторы-специалисты в один голос говорят, что они потрясены этой способностью стволовых клеток в такой короткий срок самоорганизовываться в такую сложную структуру, содержащую многие части взрослого мозга, пусть и в миниатюрном размере, и достигать стадии первых действующих нейронов. Но, как и сам Кноблих, они подчеркивают, что эти органоиды – отнюдь не «мозг в пробирке». Прежде всего они не превышают по размеру 4 миллиметров, что явно связано с недостаточным поступлением крови в центр шарика (там были обнаружены умершие, не развившись, стволовые клетки).
Кроме того, в этих органоидах нет многих других важных частей и участков нормального мозга. Непонятно также, похожа ли активность нейронов в органоидах на активность нормальных нейронов взрослого мозга, равно как неясно, соединяются ли эти нейроны так же, как в нормальном взрослом мозгу. Но мини-мозги, созданные Кноблихом, точно так же, как мини-печень, выращенная Такебе, несомненно окажутся крайне важным средством исследования развития человеческих органов и изучения их болезней. Эта их ценность была наглядно продемонстрирована заключительным экспериментом группы Кноблиха. Исследователи вырастили мини-мозг, взяв за исходную клетку кожи от человека, страдающего микроцефалией, получили много меньшие по размеру органоиды, а вскрыв их, увидели, что эта малость вызвана слишком ранним образованием нейронов, что быстро исчерпало их исходный запас и положило предел росту органоида. Не исключено, что именно это является причиной человеческой микроцефалии.
Поразительно, не правда ли? И сами достижения, и открываемые ими перспективы. Но, возможно, самое поразительное во всем сказанном - это вложенный природой в стволовые клетки слепой механизм направленной самоорганизации в невообразимо сложное целое – в живой (а тем более - разумный) организм. Я говорю именно о «слепом» механизме, ибо нет сомнения в том, что в его основе лежит генетический автоматизм. Ибо это гены диктуют появление на поверхности стволовых клеток тысяч всевозможных рецепторов, многие из которых предназначены именно для того, чтобы эти клетки уже в самом начале развития эмбриона распознавали себе подобные и объединялись в зародыш будущего органа или ткани. Увы, дальнейшим их развитием управляют сотни новых факторов, работающих в сложнейшем взаимодействии, и поэтому путь к выращиванию настоящих запасных органов требует разгадки и воспроизведения всех этапов этого процесса. Но уже и достигнутое сейчас воспроизведение его начальных стадий, несомненно, сыграет важную роль в изучении болезней и испытании новых лекарств.
Рафаил Нудельман
"Окна", 5.12.13.