Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Зерницка-Гетц Магдалена

С тех пор как Томсон и его коллеги извлекли человеческие ЭС-клетки, многие ученые стремились раскрыть их потенциал. А также сделать созданные методы терапии более легкими в применении. Например, оказалось, что ингибирование сигнального пути ROCK (назван так потому, что туда входит фермент Rho/Rho-ассоциированная киназа, или ROCK) предотвращает гибель человеческих ЭС-клеток после извлечения из колонии, в которой они выросли. Благодаря этому открытию показатель создания новых колоний увеличился от одного из ста до одного из четырех [15].

Сегодня эти бесценные клетки можно надежно поддерживать в культуре.

Управляемая дифференциация

Чтобы превращать ЭС-клетки

в другие типы, необходимые для лечения, надо разобраться в том, как они формируют и генерируют три разных эмбриональных слоя (эктодерму, мезодерму и энтодерму), а затем в том, как эктодерма образует нервы, кожу и волосяные фолликулы, как мезодерма создает сердце, кровь и мышцы, а энтодерма становится кишечником, печенью, поджелудочной железой и легкими. Звучит просто, хотя на самом деле это не так.

Чтобы направить ЭС-клетки на путь превращения в целевой тип клеток, ученые проявили огромную изобретательность, создавая специальные поверхности, составляя генетические регуляторные сети, ответственные за поддержание стволовых клеток, а также оптимизируя условия выращивания. Теперь можно создать клетки сетчатки, сердечной мышцы, нервные клетки, многочисленные типы клеток крови и многое другое. Но все это требует времени. Один из ученых, которым я особенно восхищаюсь, Дуг Мелтон из Гарвардского института стволовых клеток в Кембридже, штат Массачусетс, превратил стволовые клетки в бета-клетки поджелудочной железы, чувствительные к глюкозе и вырабатывающие инсулин [16]. Открытие способа создания зрелого типа клеток стало важной вехой в исследовании диабета, но на это ушли годы. Упорство Дуга было вызвано личными причинами: в 1993 году, когда он занимался исследованием развития лягушек, у его сына обнаружили диабет первого типа [17]. С тех пор Дуг сосредоточился на поиске новых методов лечения.

Даже для эмбриологов такая работа является источником новых идей и неожиданных открытий. Вплоть до недавнего момента мы думали, что новые кровеносные сосуды эмбриона образуются исключительно из тех эндотелиальных клеток (выстилающих все кровеносные сосуды), что дифференцируются из мезодермы. Однако использование флуоресцентных меток при отслеживании судьбы стволовых клеток кровотока позволило обнаружить второй источник эндотелиальных клеток [18].

Это всего один из множества примеров того, как практическая работа со стволовыми клетками приносит новую информацию в копилку фундаментальных знаний биологии развития. Я уверена, что в ближайшие годы будет раскрыто еще больше тайн.

Взгляд изнутри

Многие годы я и моя команда совершенствовали маркеры и условия культивирования, чтобы снимать фильмы о развивающихся эмбрионах, благодаря которым можно было проследить происхождение, перемещение и судьбу всех клеток с момента оплодотворения до четвертого дня развития мышиного эмбриона [19]. Совсем недавно нам удалось заснять и отследить клетки эмбриона с четвертого по шестой день развития [20]. Это гораздо сложнее, чем следить за клетками более «юных» эмбрионов, поскольку в этот период эмбрион начинает расти. Но потраченные усилия того стоили. Сделанные фильмы позволили нам изучить взаимодействия трех базовых типов тканей и механизмов, лежащих в основе ремоделирования эмбриона вплоть до гаструляции. В значительной мере получение этой новой информации стало возможным благодаря визуализации живых мышиных эмбрионов с помощью мультифотонного микроскопа, которому нужно поглотить два фотона света (отсюда и название), чтобы вызвать флуоресценцию, и который способен визуализировать слои живой ткани на глубине до одного миллиметра. Заслуга за эту работу принадлежит коллегам из моей лаборатории Неофитосу Христодулу, Кристосу Киприану и Антонии Веберлинг. Первая часть их исследования была опубликована в журнале Nature Cell Biology [21].

За последний год Кейт Макдолл

и Филипп Келлер из Исследовательского центра Janelia Research Campus разработали новый микроскоп, позволяющий визуализировать развитие еще более «взрослых» мышиных эмбрионов, от шести до восьми дней после оплодотворения [22]. Принцип действия этого микроскопа в том, чтобы пропустить сквозь эмбрион два плоских пучка света, избежав освещения образца целиком в течение долгого времени, поскольку это может ему навредить. В итоге получаются сногсшибательные фильмы. Можно, например, увидеть, как нервная трубка, структура, которая позже сформирует спинной и головной мозг, срастается вдоль эмбриона, будто застежка-молния. Можно также понаблюдать формирование сердца, от предсердия до эндокарда и, наконец, сердцебиения.

Кто-то скажет, что это всего лишь фильмы. Однако по ним анализировать клеточную динамику легче, чем по статическим изображениям, что позволяет глубже понять механизмы эмбрионального развития. Хотя эти фильмы не о человеческих эмбрионах, но, с точки зрения регенеративной медицины, между людьми и мышами достаточно сходства, и, кроме того, по ним можно изучать дефекты развития, например расщепление позвоночника, когда нервная трубка человеческого плода, развивающегося в матке, не срастается должным образом.

Болезнь в пробирке

Отслеживая дифференцировку клеток раннего эмбриона, мы получили новые сведения о том, как факторы из окружающей клетку среды, гены и др. влияют на процесс развития. Но ту же информацию можно получить, не выращивая целый организм, а взяв у него стволовые клетки. Например, чтобы понять, как создаются клетки, позволяющие людям видеть разноцветный мир, можно вырастить сетчатку в чашке Петри [23]. Аналогичным образом, можно взять стволовые клетки и посмотреть, что происходит, когда при генетических и наследственных заболеваниях процесс развития идет наперекосяк.

Например, клетки кожи мыши и человека можно превратить в нейроны болевой чувствительности и сделать модель наследственной невропатии и гиперчувствительности, развивающейся у пациентов после химиотерапии, позаимствовав клетки кожи у пациентов с наследственными неврологическими заболеваниями [24]. Клетки кожи пациентов с ранним началом Альцгеймера можно превратить в те типы нейронов, которые страдают при данном заболевании, и изучать аспекты этой формы деменции на клетках человека [25]. То же верно для пациентов с шизофренией или синдромом Дауна [26]. Вдобавок ученые могут воспользоваться банком стволовых клеток, выделенных из эмбрионов со специфическими генетическими заболеваниями [27]. Если мы убедимся, что нервные клетки, взятые у животного или культивированные в лаборатории, напоминают по сложности таковые в человеческом мозге, то однажды метод создания мозговой ткани со специфическим заболеванием поможет в исследовании неврологических расстройств.

На «болезни в пробирке» можно тестировать методы лечения. Например, клетки кожи пациентов с потенциально смертельным заболеванием сердца можно превратить в иСК, а потом сделать из них клетки сердечной мышцы конкретного пациента. Но есть одна загвоздка: хотя такие клетки и несут генетические мутации пациента, они остаются эмбриональными и не показывают признаки заболевания, развивающегося у взрослых. Ученые смогли воссоздать болезнь, заставив мышечные клетки использовать в качестве основного источника энергии не глюкозу, как это происходит у плода, а жирные кислоты, как делают клетки сердечной мышцы взрослого организма. С помощью полученных таким путем зрелых клеток удалось обнаружить метаболическое нарушение, лежащее в основе данного заболевания [28]. Разумеется, еще предстоит потрудиться, чтобы выяснить, всегда ли это заболевание развивается из-за тех же метаболических дефектов, и, если болезнь в пробирке действительно отражает реальность, разработать новый метод лечения.