Что такое эмбриональные стволовые клетки и как они могут нам помочь?
Все живые существа, включая человека, состоят из клеток. Каждая ткань и орган тела содержат клетки, которые специализируются на выполнении определенной работы: печень содержит клетки печени, мозг - нейроны, глаза - светоощущающие клетки и так далее. Но вся человеческая жизнь начинается со встречи двух клеток: сперматозоида, полученного от отца, и яйцеклетки, полученной от матери. Оплодотворение происходит, когда сперматозоид встречается с яйцеклеткой. Оплодотворенная яйцеклетка делится на две клетки. Затем каждая клетка делится еще на две и так далее, пока после нескольких дней деления клеток не образуется крошечный эмбрион. На ранних стадиях микроскопический эмбрион состоит из клеток, которые потенциально могут развиться во все типы клеток. Ученым удалось вырастить эти эмбриональные клетки в лаборатории, и они назвали их эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК). Хотя ЭСК открывают многообещающие и захватывающие возможности, например, возможность выращивать органы в лаборатории, для их производства требуются человеческие эмбрионы, что сопряжено с множеством технических и этических проблем. В 2007 году исследователи нашли способ получения человеческих клеток со способностями ЭСК путем перепрограммирования обычных клеток таким образом, чтобы они превратились в стволовые. Сегодня ученые могут изменить практически любой тип клеток в практически любой другой тип клеток!
Все начинается с оплодотворения, когда сперматозоид встречается с яйцеклеткой
Эмбриональное развитие начинается в момент оплодотворения, когда сперматозоид встречается с яйцеклеткой (рис. 1). При оплодотворении объединяется генетический материал (ДНК) обоих родителей, половина из яйцеклетки и половина из сперматозоида, и из этой комбинации генетического материала рождается эмбрион. С момента оплодотворения оплодотворенная яйцеклетка проходит через процесс деления клеток. Сначала оплодотворенная яйцеклетка делится на две клетки, затем каждая из них делится еще на две клетки и так далее, пока через несколько дней мы не получим маленький шарик, состоящий из нескольких десятков эмбриональных клеток. Примерно через неделю после оплодотворения развивающийся эмбрион выглядит как полый шар из клеток, который впоследствии станет плацентой, и внутренняя куча клеток, которая станет самим эмбрионом (рис. 1). Поскольку это небольшое количество клеток станет полноценным ребенком, эти ранние клетки должны обладать способностью превращаться в каждую клетку тела, например в клетки кожи, мышцы, печень или мозг. Из-за этой способности клетки называют плюрипотентными ("pluri" = много; "potent" = способность). Примерно через неделю после оплодотворения эмбриональные клетки постепенно теряют свою плюрипотентность и постепенно превращаются в различные ткани и органы. Таким образом, существует относительно узкое окно, в течение которого плюрипотентные ЭСК существуют в эмбрионе.
В 1998 году ученым из США и Израиля впервые удалось вырастить плюрипотентные клетки из человеческих эмбрионов в лабораторных условиях. Они работали с эмбрионами, созданными с помощью экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) - процесса, который позволяет парам, испытывающим трудности с беременностью, иметь детей. В конце процесса ЭКО у врачей обычно остается много эмбрионов возрастом 1 неделя, которые больше не нужны. Эти крошечные эмбрионы можно использовать для исследований, и ученые с их помощью выяснили, как выращивать плюрипотентные клетки в лаборатории (рис. 2). Эти клетки называются эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК).
В отличие от клеток самого эмбриона, ЭСК, выращенные в лаборатории, могут оставаться в плюрипотентном состоянии при наличии правильных условий роста. Эти клетки делятся примерно раз в день, поэтому со временем ученые могут вырастить миллионы или миллиарды ЭСК. Если изменить условия роста ЭСК, ученые смогут стимулировать их к процессу дифференцировки, в ходе которого ЭСК могут превратиться в любой из различных типов клеток, существующих в организме! Ученые работают над этим удивительным проектом уже более 20 лет!
Получение ЭСК из эмбрионов человека сложно как с технической, так и с этической точки зрения. Поэтому было предпринято множество попыток получить плюрипотентные стволовые клетки из других клеток, чтобы избежать использования настоящих эмбрионов. Идея состоит в том, чтобы перепрограммировать зрелые клетки и превратить их обратно в стволовые.
Клонирование
Первые попытки превратить зрелые клетки обратно в плюрипотентные стволовые клетки включали процесс, называемый клонированием. В процессе клонирования яйцеклетка оплодотворяется в лаборатории, и сразу после оплодотворения из нее удаляется ДНК. Затем в пустую яйцеклетку вводят ДНК другой зрелой клетки, например, клетки кожи или крови. Несмотря на то что ДНК взята из зрелой клетки, среда, в которой находится яйцеклетка, по сути, перепрограммирует генетический материал зрелой клетки, чтобы из нее мог получиться эмбрион. Если яйцеклетка продолжит свое развитие, она превратится в клон человека или животного, из которого была взята зрелая клетка. Клонирование человека запрещено законом, но в начале 1960-х годов английские исследователи успешно клонировали лягушек. У лягушек относительно крупные икринки, поэтому с ними легко работать. Исследователи взяли оплодотворенную яйцеклетку лягушки, удалили ДНК и ввели в яйцеклетку генетический материал из кишечной клетки другой лягушки. Примерно через 40 дней яйцеклетка созрела и превратилась в головастика. Головастик был генетически идентичен лягушке, от которой была взята кишечная клетка. Вскоре в некоторых лабораториях начали проводить этот процесс у млекопитающих, но первые попытки не увенчались успехом. После 30 лет неудачных попыток в 1996 году исследователи из Шотландии успешно клонировали овцу по имени Долли (рис. 3A), доказав, что клонирование возможно и у млекопитающих. С конца 1990-х годов были успешно клонированы самые разные животные, включая мышей, кроликов, коров, свиней, хо
Терапевтическое клонирование
Как мы уже говорили, клонирование человека запрещено законом, но разрешена процедура, называемая терапевтическим клонированием, то есть клонированием в медицинских целях. Та же процедура, что описана выше для лягушек, проводится с оплодотворенными человеческими яйцеклетками, которые опустошают и вводят в них генетический материал из другой клетки, обычно клетки кожи или крови. Примерно через неделю плюрипотентные клетки извлекают и используют для выращивания ЭСК. Эти ЭСК содержат ДНК человека, у которого была взята клетка кожи или крови. Таким образом, можно получить ЭСК от любого живого человека! Это означает, что в будущем, когда мы узнаем, как производить ткани, например ткань печени, из ЭСК, можно будет выращивать новые органы для трансплантации. Большим преимуществом использования генетически идентичных клеток для трансплантации является то, что иммунная система не воспринимает пересаженный орган как чужеродный и не атакует его так, как атаковала бы орган от генетически другого человека. Это позволяет избежать многих проблем и осложнений.
Перепрограммирование
Терапевтическое клонирование может показаться прекрасной вещью, но эта процедура очень проблематична и сложна. Кроме того, она требует использования яйцеклеток, которые очень трудно достать. Но в 2007 году японские исследователи нашли удивительный способ превращать зрелые клетки, например клетки кожи или крови, непосредственно в стволовые клетки без использования яйцеклеток! Они нашли комбинацию белков, которые при введении в зрелые клетки постепенно перепрограммируют их в стволовые. Эта процедура гораздо проще, чем клонирование, и в любой лаборатории можно легко получить стволовые клетки практически из любого типа клеток. Этот процесс называется перепрограммированием, а полученные клетки - индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPSC).
Терапия?
Мы надеемся, что сможем использовать оба типа стволовых клеток, как эмбриональные, так и индуцированные, для лечения заболеваний, вызванных гибелью клеток в организме. Например, при диабете 1-го типа погибают бета-клетки в поджелудочной железе. Бета-клетки отвечают за выработку гормона инсулина, который помогает тканям поглощать сахар из крови, чтобы обеспечить организм энергией. Дети, которые рождаются с диабетом 1 типа, со временем теряют все свои бета-клетки и перестают вырабатывать инсулин. Поскольку жить без инсулина невозможно, эти дети должны ежедневно получать инъекции инсулина. Несколько исследовательских групп пытаются превратить ЭСК в бета-клетки, которые можно будет пересаживать больным диабетом, чтобы те снова могли вырабатывать инсулин. Это большая мечта, потому что на сегодняшний день все еще не существует успешного лечения, основанного на пересадке клеток, выращенных из стволовых клеток, хотя в настоящее время проводятся эксперименты на людях. В одном из них нейроны, полученные из ЭСК, пересаживают в мозг пациентов с болезнью Паркинсона, при которой некоторые клетки мозга погибают. Во втором эксперименте клетки сетчатки пересаживают пациентам, страдающим слепотой, вызванной заболеванием, которое приводит к потере клеток в глазу.
Хочется надеяться, что в ближайшие годы исследователи будут успешно получать все больше и больше типов клеток и даже органов из эмбриональных или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Это приведет ко все более успешным испытаниям на людях, так что станет возможным лечить и даже излечивать большое количество заболеваний, при которых клетки организма погибают или которые требуют замены органов.
