Клетки завтрашнего дня
Cтволовые клетки сегодня у всех на слуху. Ими пытаются лечить самые разные заболевания, и, судя по сообщениям в прессе, они творят чудеса. «Способные превращаться в любые ткани, они сами находят «слабые места», восстанавливая ткани сосудов, желез, мышц, нервов» или «разглаживаются морщины, появляется прилив сил…» — гласят рекламные пресс-релизы. Одним словом, в современную медицину — рациональную, аналитическую, разделенную на множество веточек-специальностей, снова вернулся древний образ панацеи. Даже непонятно, почему стволовые клетки еще не вылечили все на свете болезни и не вытеснили из обращения все прежние лекарства. Что же на самом деле представляют собой эти чудоклетки и на что они способны?читать дальшеЕще в самом начале XX века было известно, что зрелые кровяные клетки неспособны к размножению, а самые многочисленные из них — эритроциты — даже утрачивают ядро вместе со всем хромосомным аппаратом. Это, конечно, случай крайний, но вообще-то отказ от производства себе подобных характерен для большинства специализированных клеток в человеческом организме — мышечных, железистых, нервных. Но если нейроны или, скажем, яйцеклетки могут жить десятилетиями, то красные кровяные тельца — около ста дней. Однако меньше их при этом не становится. Откуда же они берутся?
В 1900-х годах известный гистолог, профессор Военно-медицинской академии Санкт-Петербурга Александр Максимов исследовал развитие клеток крови и создал довольно стройную теорию. Согласно ей в красном костном мозгу живут специальные клетки, единственное занятие которых — делиться. После каждого деления, как и положено, получаются две одинаковые молодые клетки. Но в одной из них начинаются морфологические изменения, в результате которых она превращается в одну из клеток крови. Другая же, подросши до нужного размера, вновь делится — и опять одна из двух ее «дочек» выбирает карьеру кровяной клетки, а другая занимает место «мамы». Можно представить, что делящиеся клетки как бы образуют ствол, от которого в каждом цикле вбок отходят веточки — клетки, приобретающие специализацию. Видимо, поэтому Максимов, излагая в 1909 году свое открытие на заседании гематологического общества в Лейпциге, назвал клетку-прародительницу всех клеток крови Stamzelle, то есть стволовой.
От Максимова до Фриденштейна
По сути дела, существование стволовых клеток было «открытием на кончике пера»: ни сам Максимов, ни кто-либо другой в ту пору их не видел, точнее, не мог различить среди многочисленного и разнообразного клеточного «населения» костного мозга. Позднее теория получила прямые доказательства, однако долгое время считалось, что такие клетки характерны только для кроветворной ткани, за счет которой кровь непрерывно обновляется. Но ведь постоянная смена клеточного состава — это необходимое условие существования любого эпителия, от выстилки носоглотки до наружного слоя кожи (именно поэтому татуировку приходится загонять под него — иначе даже самая стойкая краска через несколько дней сойдет вместе со своим живым «холстом»). В основе этого непрерывного обновления лежит тот же механизм: часть потомков делящихся неспециализированных клеток приобретает определенные свойства. Подсчитано, что за 70 лет жизни человека его стволовые клетки в регулярно обновляющихся тканях производят в общей сложности около 14 тонн живой массы. Причем на клетки крови приходится только одна пятая этого количества, львиную же долю (около двух третей) постоянно порождаемой и теряемой плоти составляет эпителий кишечника.
Мышцам и сосудам постоянное обновление вроде бы не требуется, однако в определенных обстоятельствах, скажем, при травме или под действием регулярных физических нагрузок, они тоже используют эту функцию. Совсем, казалось бы, не склонные к регенерации кости человека и других млекопитающих все-таки срастаются после переломов, заполняя разрыв вновь образованной костной тканью. И во всех этих случаях новая ткань образуется не за счет деления специализированных клеток, а за счет дифференцировки (так называется процесс клеточной специализации) части потомков делящихся клеток, которые, как выяснилось, есть во всех этих тканях. Иногда они имеют особые названия: клетки, способные превратиться в мышечную ткань, называются миобласты, в костную — остеобласты и т. д. Общее же их название — тканевые стволовые клетки. Оно отражает их главную особенность — способность развиться в любой тип клетки определенной ткани, обычно той, в которой или возле которой данная стволовая клетка живет.
Однако еще в 1960-е годы советский гематолог Александр Фриденштейн обнаружил все в том же костном мозге среди обычных кроветворных стволовых клеток небольшое количество еще более пластичных. В опытах Фриденштейна и его сотрудников эти клетки (он их назвал мезенхимальными) превращались в хрящевую, костную, жировую ткань и, похоже, могли дать начало любому из примерно 230 типов клеток человеческого организма. А могли и не давать: в лаборатории Фриденштейна их научились неограниченно размножать «в пробирке» (точнее, в чашках Петри) так, что из одной клетки вырастала целая колония, но все ее члены оставались стволовыми клетками.
За рубежом этих работ не заметили. Сказывалась нарастающая самоизоляция советской науки. Гораздо позже эти клетки были «переоткрыты» американскими учеными, которые назвали их стромальными. Первооткрыватель универсальных стволовых клеток умер в 1998 году, и примерно тогда же начался нынешний бум вокруг клеточной терапии.
Капризные чудеса
Сообщения об эффектах применения стволовых клеток при различных заболеваниях, появляющиеся в последние годы в самых солидных научных журналах, все чаще похожи на рекламные материалы коммерческих клиник и салонов красоты, вроде процитированного в начале статьи. К сожалению, почти все подобные сообщения отличаются одной общей чертой, несущественной для обычного человека, но весьма красноречивой для специалиста. Все это — так называемые case reports, сообщения об уникальных конкретных случаях. Один из ведущих отечественных исследователей стволовых клеток язвительно назвал подобный тип публикаций «а вот у нас в деревне случай был...»
Это не значит, что такие истории недостоверны и описанных в них исцелений на самом деле не было. Это означает, что ни одна из них не может сегодня служить основой штатного метода лечения. То, что успешно излечило одного больного, может не дать никакого эффекта у другого, третьего, десятого. А в некоторых случаях может даже привести к ухудшению или вызвать крайне неприятные побочные эффекты. И самое обидное, что никто не может сказать, почему в одном случае введение стволовых клеток срабатывает, а во множестве других — нет.
Сказанное, правда, требует существенной оговорки: есть группа заболеваний, для которых уже сегодня пересадка стволовых клеток (своих или донорских) — не только стандартный, но основной или даже единственный действенный метод лечения. Так, например, устраняются последствия очень жестких форм противоопухолевой химиотерапии, уничтожающей вместе с раковыми клетками всю кроветворную ткань. По окончании такого курса больному просто подсаживают донорский костный мозг, и чужие стволовые клетки успешно заменяют погибшие собственные. Тот же метод (и по той же причине) применяется при лечении лучевой болезни. При лейкозе — когда кроветворная ткань пациента уничтожается намеренно, поскольку ее клетки встали на путь злокачественного перерождения (эта парадоксальная форма рака, при которой собственно опухоль отсутствует вовсе). Или — когда иммунная система по непонятным причинам атакует некоторые собственные ткани организма (к таким заболеваниям, называемым аутоиммунными, относятся, в частности, рассеянный склероз, ревматоидный артрит и системная красная волчанка). Наконец, есть заболевания, вызванные самопроизвольно возникающим дефицитом стволовых клеток во всем организме либо в каком-то конкретном органе или ткани (например, системный остеопороз). Все это эффективно лечится введением недостающих клеток. Соответствующие методики давно разработаны и применяются в клиниках.
Способность стволовых клеток излечить естественный или искусственно вызванный дефицит стволовых клеток — это тривиально и неинтересно. А во всех прочих областях медицины результаты их применения пока что остаются историями о чудесных исцелениях. «Обнадеживающих экспериментальных работ множество. Того же, что можно назвать технологией, — результатов, подтвержденных рандомизированными (случайными) многоцентровыми клиническими испытаниями, — просто нет», — резюмирует заведующий лабораторией молекулярной генетики Института биологии гена РАН профессор Сергей Киселев.
Если вдуматься, в этом нет ничего удивительного. Широко известна история о заносчивом ученике чародея Акаре Кесселе, успешно вызвавшем некоего могучего духа и только после этого обнаружившем, что понятия не имеет, как им управлять. В положении такого нерадивого ученика и оказалась сегодня мировая наука: мало иметь в своем распоряжении клетки, способные превращаться во что угодно, надо еще уметь «объяснить» им, что именно мы от них ждем в каждом конкретном случае.
Можно, конечно, просто ввести их в зону поражения и предоставить им самостоятельно разбираться в ситуации. Чаще всего сегодня так и делают (обычно по жизненным показаниям — в тех случаях, когда другое лечение невозможно или не помогает), и это иногда срабатывает прямо-таки волшебным образом.
Но в том же «Магическом кристалле» демон, вызванный Акаром и обнаруживший его беспомощность, попросту убил его. Сегодня уже достоверно известно (к счастью, не из клинической практики, а из лабораторных исследований), что сходным образом могут повести себя и применяемые наугад стволовые клетки. Ученые из нью-йоркского Рочестерского университета, вырастив в культуре человеческие эмбриональные стволовые клетки совместно с более зрелыми клетками нейроглии (вспомогательной мозговой ткани), добились массового превращения их в нейроны. Последние были пересажены в мозг крысам, страдающим искусственно вызванной болезнью Паркинсона. Поначалу около 70% пересаженных нейронов начали вырабатывать медиатор дофамин (дефицит которого и является причиной болезни), и состояние крыс улучшилось вплоть до полного исчезновения симптомов паркинсонизма. Однако, как вскоре выяснилось, к 10-й неделе эксперимента дифференцировку сохранили лишь 25% нейронов. Остальные переродились обратно в неспециализированные клетки и принялись активно размножаться, распространяясь по всему мозгу животных. «Не нужно быть нейроонкологом, чтобы понять, что этот процесс — начало образования опухоли», — прокомментировал наблюдаемую картину руководитель исследования Стивен Голдман. И сделал недвусмысленный вывод: никто не сомневается, что стволовые клетки весьма перспективное средство лечения болезней типа паркинсонизма, но испытывать такие методики на людях явно пока рановато.
В банке стволовых клеток их хранят в жидком азоте при температуре –182°С. В таких условиях они неограниченно долго не теряют жизнеспособности
Как раз такие соображения сильно сдерживают работу с эмбриональными стволовыми клетками, получаемыми путем так называемого терапевтического клонирования. Этот метод получения стволовых клеток основан на том, что у человека в любом возрасте можно взять обычную клетку и пересадить ее ядро в донорскую яйцеклетку. Та немедленно начнет дробиться (прямо в пробирке) и к пяти дням достигнет стадии бластоцисты — полого шарика из нескольких сотен клеток, значительную часть которых составляют универсальные стволовые клетки. Они могут превращаться в любую человеческую ткань, их можно выделить, размножить и неограниченно долго поддерживать в виде клеточной культуры, а их генетическая идентичность тканям пациента исключает проблемы с иммунитетом.
Работы с эмбриональными стволовыми клетками ведутся во многих лабораториях мира, а вот для лечения заболеваний эти клетки сегодня практически не применяются даже в качестве последней надежды. «Парадоксально, но именно эмбриональные стволовые клетки — самые на сегодня перспективные и потентные находятся дальше всего от клинической практики», — замечает директор ООО «Институт стволовых клеток человека» Артур Исаев. И дело не только в позиции влиятельной группы людей, категорически противящихся любому клонированию человеческих клеток. Просто у этих клеток есть и отрицательная сторона. Они способны превратиться во что угодно (если бластоцисту, из которой их выделили, имплантировали бы в матку, где из них развились бы все ткани нового организма), кроме того, они склонны к неограниченному делению и очень плохо понимают химические «команды» взрослого организма — поскольку в бластоцисте такие «команды» некому подавать. А потому, будучи введены в организм, клетки запросто могут дать начало злокачественным опухолям или тератомам — уродливым разрастаниям различных тканей в совершенно неподходящем для них месте. Лечение такими клетками сегодня означало бы игру в русскую рулетку.
Клеточная терапия болезней миокарда
1. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота)
2. Зигота делится надвое
3—4. Митотическое деление продолжается
5. Через 5 дней образуется бластоциста — шарик из клеток, наружный слой которого должен дать начало плаценте, а внутренний — всем тканям нового организма
6. Внутреннюю часть бластоцисты помещают на питательную среду
7. Используя разные химические сигналы, стволовые клетки превращают в клетки разных тканей: мышечные, эпителиальные, костного мозга и другие
8. Клетки — предшественники миоцитов (клеток сердечной мышцы) впрыскивают вблизи очага поражения, чтобы они устранили дефект
Пометки для клетки
Наибольших успехов в этом направлении достигла, пожалуй, ортопедия благодаря тому, что биохимики выделили сигнальные белки (получившие название BMP — bone morphogenic proteins), стимулирующие превращение стромальных стволовых клеток в остеобласты, создающие костную ткань. Эти белки вводятся в имплантат — кусок медленно рассасывающегося полимера (например, коллагена), форма которого соответствует форме недостающей кости. Имплантат вживляется на нужное место, сочащиеся из него BMP притягивают из крови стромальные клетки (выброс которых из костного мозга обычно еще и стимулируют искусственно), те оседают на имплантат и превращаются в остеобласты. Через несколько месяцев от имплантата уже нет и следа, а на его месте красуется новенькая прочная кость. Таким манером американские врачи сумели вылечить даже 91-летнюю бабушку. Ее сломанная нога не могла срастись 13 лет (и немудрено — в таком возрасте у человека практически нет стромальных клеток), а после подсадки имплантата с BMP срослась за восемь месяцев. У молодых пациентов, у которых популяции стромальных клеток более многочисленны, на выращивание 25-сантиметрового отрезка крупной кости уходило месяца два.
Можно действовать и по-другому — прямо в лабораторной склянке «объяснить» клеткам, во что они должны вырасти, и уже этот готовый продукт пересадить пациенту. Таким путем в лабораториях разных стран сегодня выращивают лоскуты живой человеческой кожи (для пересадок на обожженные места), хрящи в форме уха и даже участки кровеносных сосудов — настоящие, многослойные, с эпителием внутри и мышцами в толще стенки. В январе 2005 года группа исследователей из Манчестерского университета объявила о создании биологического принтера, способного печатать участки живой ткани заданной формы и состава (рабочая часть устройства сделана на базе обычного струйного принтера). А в апреле прошлого года ученые из Института регенеративной медицины Университета Уэйк-Форест (Северная Каролина) под руководством доктора Энтони Аталы и врачи Бостонского центра детской медицины объявили о нескольких успешных операциях, сделанных детям, страдавшим врожденным недоразвитием мочевого пузыря. Доктор Атала и его сотрудники научились выращивать купол мочевого пузыря из собственных стволовых клеток пациента. Готовая «деталь» подшивается к имеющейся у пациента нижней части органа, и реконструированный таким образом пузырь в дальнейшем исправно выполняет свои функции.
Кроме того, полным ходом идет расшифровка химических команд, направляющих развитие стволовых клеток по тому или иному пути. Японские ученые обнаружили, что вещество 5-азоцитидин стимулирует превращение стромальных стволовых клеток в клетки миокарда. Определены и сигнальные вещества, превращающие их в нейроны. Однако как раз в лечении болезней, связанных с повреждением нервной ткани (инсультов, паркинсонизма, параличей, разрывов нервных стволов и спинного мозга и т. д.), вопреки ожиданиям результаты до обидного скромны и невнятны. Научившись уверенно превращать стволовые клетки в нейроны (и даже в нейроны определенного типа), исследователи столкнулись с неприятным фактом: новые нейроны, возникающие из стволовых клеток, не могут включиться в нервную систему. Похоже, что в ней предусмотрена специальная защита от восстановления погибших нейронов, отвергающая помощь стволовых клеток. Выделены даже особые сигнальные вещества, появляющиеся в зоне травмы и препятствующие образованию межклеточных связей. Логика природы ясна: в отличие от почти всех остальных тканей организма (кроме разве что иммунной) клетки нервной ткани невзаимозаменяемы. Каждый нейрон несет уникальную информацию, и создавать новые нейроны взамен погибших столь же малополезно, как вставлять в книгу чистые листы вместо выпавших текстовых. Более того, поскольку нейрон, в отличие от книжной страницы, не только носитель информации, но и активный элемент системы управления, замена его другим, не обладающим его «компетенцией», может привести к непредсказуемым последствиям. Поэтому регенерация нервной ткани (по крайней мере, «автоматическая», бесконтрольная) не только не нужна, но и опасна — и эволюция приняла меры против нее.
Однако не стоит заранее ставить крест на применении стволовых клеток в неврологии: они и тут могут преподнести неожиданные сюрпризы. Совсем недавно группа неврологов под руководством Дугласа Керра из американского Университета Джонса Хопкинса объявила об успешном лечении эмбриональными стволовыми клетками паралича у крыс. Ученым удалось найти вещества, подавляющие сопротивление тканей прорастанию нервных отростков. И хотя даже в этих условиях из четырех с лишним тысяч клеток, введенных в спинной мозг каждой крысы, только около 120 образовывали необходимые контакты, этого оказалось достаточно, чтобы 11 из 15 грызунов восстановили подвижность своих задних лап.
Снятие природных ограничений сулит и более захватывающие перспективы. В конце прошлого года сотрудники Солковского института биологических исследований в Ла-Джолле (Калифорния) во главе с доктором Хуаном Карлосом Исписуа Бельмонте сумели восстановить у цыплят ранее ампутированные крылья, активизировав гены семейства Wnt. Кодируемые ими белки служат сигнальными веществами при формировании конечностей во время эмбрионального развития. У взрослых животных гены Wnt обычно неактивны, но группа доктора Бельмонте нашла способ активизировать их, добившись полной регенерации удаленного крыла. Почему высшие позвоночные, сохранив в геноме необходимые для регенерации гены, отказались от их использования — это, конечно, отдельный интересный вопрос, на который еще предстоит ответить науке. Но раз их можно запустить у цыплят, значит, в принципе это можно сделать и у человека, в геноме которого тоже есть эти гены. Агентство передовых исследовательских проектов Пентагона DARPA уже объявило о выделении трем группам грантов на общую сумму 7,6 миллиона долларов для решения фантастической задачи: разработки технологии отращивания человеческих конечностей. Один из получателей грантов — директор центра инженерии тканей Макгоуэновского института регенеративной медицины Стивен Бэдилак — обещает в течение ближайших двух лет научиться формировать у млекопитающих бластему (скопление стволовых клеток, способных превратиться в тот или иной орган), а еще через два года освоить выращивание пальцев. Правда, его коллеги пока что благоразумно воздерживаются от упоминания конкретных сроков.
Пока наука изучает...
Но даже если доктор Бэдилак сдержит свое обещание, созданные им методы еще не скоро войдут в повседневную клиническую практику. Современная медицина устроена так, что от лабораторного открытия, сделанного на животных, до общедоступного лекарства или метода лечения проходит 10—15 лет. И сократить этот срок не могут никакие финансовые вливания: эффективность и безопасность новинки должны быть доказаны правильно организованными клиническими испытаниями, требования к которым включают, помимо всего прочего, длительность наблюдения, чтобы можно было судить об отдаленных последствиях. Между тем активные исследования возможностей стволовых клеток начались лишь около 10 лет назад, а самые впечатляющие результаты получены буквально в последние два-три года.
А о чем же тогда идет речь в рекламных проспектах и модулях? Чем лечат всех желающих многочисленные коммерческие клиники и салоны красоты?
Как показывает проверка, значительная часть предлагаемых там «панацей» вообще не содержит клеток — ни стволовых, ни каких-либо иных. «Нас попросили проверить десятка полтора образцов «препаратов стволовых клеток», — свидетельствует профессор Сергей Киселев. — Только в одном или двух из них обнаружились какие бы то ни было живые клетки». Иногда, впрочем, это ясно и без углубленной экспертизы. Напомним: если стволовые клетки в самом деле что-то могут, то не благодаря каким-то заключенным в них особым веществам, а только за счет процессов своей жизнедеятельности — делению и дифференцировке. Следовательно, всевозможные «клеточные экстракты», «экстракты клеточных биомолекул» и т. п. не имеют никакого отношения к лечению стволовыми клетками. Столь же уверенно можно исключить мази, кремы и лосьоны. Даже если при их изготовлении использовались живые клетки, у них нет ни единого шанса дожить до встречи с пациентом. Всякого рода «стабилизированные биоинтегральные клетки» или «специфические клетки в гомеопатической потенции» вообще не стоят упоминания: такие витиеватые словосочетания рассчитаны только на невежество пациентов.
В тех же случаях, когда в предлагаемых препаратах действительно присутствуют живые клетки, это, как правило, либо фибробласты (клетки соединительной ткани), либо клетки из фетальных тканей. Использование фибробластов для «омоложения» имеет солидную историю и отчасти оправданно: это как раз те клетки, работа которых обеспечивает коже упругость. Но ждать от них чудес не стоит — они немного поживут в коже пациента, выработают коллаген, выделят сигнальные вещества, стимулирующие рост сосудов, а потом иммунная система поглотит их, как и всякую чужую клетку. Именовать их «стволовыми клетками» оснований тоже нет: фибробласт — это зрелая специализированная клетка, со стволовыми клетками его роднит только не утраченная до конца способность делиться.
Еще чаще в тех же целях используются так называемые фетальные препараты — измельченные ткани человеческих эмбрионов (фетусов), абортированных на 6—21-й неделе беременности. (Можно по-разному относиться к такому обращению с человеческими зародышами, но не следует забывать, что в России абсолютно легально совершается около 2 миллионов абортов в год, и фетусам, не использованным для производства препаратов, одна дорога — утилизация.) В фетальных тканях довольно много тканевых стволовых клеток (в основном кроветворных), но их не выделяют из общей клеточной массы. Подобная терапия широко применялась еще в 80-е годы как в СССР, так и за рубежом, тоже давала (и дает по сей день) некоторые положительные результаты и тоже не имеет прямого отношения к медицине стволовых клеток. Для фетальных препаратов, как и для препаратов фибробластов, «стволовые клетки» — не более чем новое удачное название для старого товара.
Не исключено, что к тому времени, когда в медицинскую практику войдут реальные и эффективные методы лечения стволовыми клетками, само это словосочетание будет безнадежно скомпрометировано подобным употреблением и придется придумывать новые термины.
Борис Жуков журнал "Вокруг Света"