Змагання
Ясухіде Фурута потребує стійких рук при розтині мишачих ембріонів. Бліді, дев’ятиденні грудочки мають розмір два міліметри. Вони плавають у невеликій пластиковій чашці, наповненій рожевою рідиною. Фурута перекочується під мікроскопом у своєму офісному кріслі, миска в руці.
Як і більшість вчених, японець одягнений повсякденно: генетичний мотив на його футболці та джинсах. Усі називають його Ясь. Ясь - доктор Фурута - працює в Університеті Вандербільта в Нешвілі, штат Теннессі, місті, що славиться музикою кантрі. Біолог з Далекого Сходу, очевидно, не пристосувався до місцевих музичних смаків. На його столі стоїть класичний компакт-диск: «Сметана».
Я хочу побачити, як вчені вивчають формування органів. Розсічення ембріонів є частиною повсякденного життя цієї гільдії. Яс шукає сигнальну молекулу, яка ініціює утворення певного органу. За останні п’ять років вчені знайшли деякі з цих сигнальних молекул. Зараз пара американських компаній намагаються перетворити відкриття на готівку. За цим стоїть захоплююча ідея: якщо ці білки можуть контролювати утворення органів в ембріоні - чому б не у дорослого? Чому б не можна було відрощувати втрачені або пошкоджені тканини - від шкіри до рук - протягом усього життя?
Яс обережно ставить чашу під мікроскоп. Це один із пристроїв, до якого одночасно можуть заглянути дві людини. Ембріони зігнуті в П-подібну форму. Я бачу голову, тулуб і кінцівки. "Вони скоро загинули б, ще в утробі матері", - говорить Ясь. Їм бракує гена, який продукує життєво важливий фактор росту BMP4 (морфогенний білок кістки 4). Яс хоче з'ясувати, чи BMP4 є сигнальною молекулою, яка контролює формування очної кришталика.
Він вишикував ембріони поруч один з одним за допомогою тонкої сталевої голки. Потім у першого відсікає головку і тканини знижує вдвічі. З неймовірною точністю він поміщає крихітну кульку, змочену BMP4, в око, що розвивається половини. Потім він розміщує обидва шматочки на культуральному середовищі, де вони продовжують рости. Лише половина з BMP4 почне формувати одну лінзу через кілька днів, інша - ні. Ні, не одне око дивиться з чашки Петрі. Але під мікроскопом лінзу можна побачити як скляну намистинку.
Яс ‘бос, британський професор Бріджид Хоган, досвідчений біолог розвитку та експерт з сигнальних молекул BMP. Вона не вірить, що найближчим часом людські лінзи будуть регенеровані: «На це немає грошей. Зрештою, ти можеш жити цілком добре з окулярами або контактними лінзами ». Щоб збагатитися, Яс повинен був вибрати іншу сигнальну молекулу, наприклад BMP2 або BMP7. Це двоє може стимулювати формування кісток, і це прибуткова справа.
Творчі біомолекули Хопкінтона, штат Массачусетс, продають BMP7, який він назвав остеогенним білком-1 (OP-1) з патентних причин. Як і більшість сигнальних молекул, BMP7 не виконує жодної функції в ембріоні. Він також відповідає за формування нирок. А будуючи скелет, він забезпечує правильну форму ребер, пальців та черепа.
Чи може BMP7 допомогти зростати новим ниркам і у дорослих? Проф. Марк Шарет, директор з досліджень та розробок Creative Biomolecules, повинен мене розчарувати: «На жаль, поки що цього немає. Але білок полегшує важкі захворювання нирок ». Компанія ще не намагається виростити нові ребра або пальці. Наразі BMP7 повинен лише допомагати лікувати зламані кістки. Він наноситься на місця переломів разом з колагеном - клейоподібною сполучнотканинною речовиною - і стимулює кістку до регенерації.
Клінічні випробування в США вже завершені. Невдовзі компанія-партнер Creative Biomolecules, Stryker, подасть заявку на затвердження. Але ці компанії не єдині, хто хоче використовувати молекули розвитку для вирощування кісток. Інститут генетики в Кембриджі, штат Массачусетс, продає BMP2 з тією ж метою. І третя компанія, Ontogeny, також у Кембриджі, покладається на білки сімейства їжакових (“Їжаки будують дитину” на сторінці 73). Ніде в світі компанії з біологічних та медичних технологій не збираються так щільно, як тут, у Кембриджі та сусідньому Бостоні.
Там я відвідую професора Кліфа Табіна в Гарвардській медичній школі. Табін - один із багатьох дослідників їжаків у науковій раді Онтогена. Той, хто працює біологією розвитку тут, на проспекті Лонгвуд, має клінічне застосування прямо на очах: лікарні навколо, лікарі та медсестри на вулиці, які навіть не знімають суконь на обід.
"Я справді вірю, що сигнальні молекули від розвитку ембріона можуть бути використані клінічно", - каже доктор. Андреа Ворткамп. Німець працює в лабораторії Кліфа Табіна і є спеціалістом у галузі «Індійський їжак». «Ми дослідили ембріони мишей після народження та виявили білок індійський їжак у зонах росту кісток. Ймовірно, він буде активним пізніше, доки кінцівки ростуть. Можливо, це може бути використано для впливу на ріст кісток ». Спільно з Берінгером Мангеймом у Німеччині Онтогені намагається привезти індійського їжака до клініки як засіб від переломів кісток, які важко загоюються. Клінічні випробування планується розпочати протягом наступних п’яти років.
По той бік річки Чарльз, в Кембриджі, є інші дослідники Їжаків, не в лікарні, а в поважному кампусі Гарвардського університету. Онтогенез також продає їх результати. Один із них - Енді Макмехон, який зовсім не схожий на професора Гарварда. Британець із брудним волоссям воліє носити тренувальну екіпіровку, а в офісі на стіні висить гоночний велосипед.
"Ми виявили, що самці мишей, яким бракує білка їжака в пустелі, стерильні", - пояснює він. «Їжачок в пустелі відповідає за утворення сперми в ембріоні, можливо, і у дорослої людини». Отже, Онтогеній хоче розробити сигнальну молекулу як терапевтичний засіб проти безпліддя.
Третій білок їжака, "Сониковий їжачок", який є найбільш важливим для розвитку ембріона, повинен регенерувати нервові клітини у пацієнтів Паркінсона, які виробляють речовину, що відсутню, дофамін. В ембріоні Соник їжак стимулює утворення відповідних частин мозку. Дорос Платіка, керуючий директор Ontogeny, пояснює: "Соник їжак може вирощувати частину у новонароджених мишей, які не мають нервових клітин, що виробляють дофамін". Дозвольте пацієнтам з інсультом розвивати нові нервові зв’язки.
Їжак Соник та його виправлена молекула рецептора також беруть участь у формуванні шкіри в ембріоні. Їх взаємодія важлива навіть у дорослих - якщо вони втрачають рівновагу, розвивається рак шкіри. З іншого боку, Онтогеній намагається знайти засіб із сигнальними молекулами. І є й інші цілі: за допомогою Sonic Hedgehog and Patched дослідники онтогенезу намагаються наростити шкіру, наприклад на опіках. Однак неконтрольоване зростання в свою чергу призводить до раку.
Тому інші компанії покладаються на так звані процеси тканинної інженерії. Вони дозволяють клітинам виростати у відповідні форми за допомогою поживних розчинів та полімерних лісів. Advanced Tissue Sciences у Ла-Хойї, штат Каліфорнія, намагається створити штучну дерму, нижню з двох шарів, що складають шкіру. Кажуть, що він допомагає, наприклад, вилікувати виразки ніг у діабетиків.
Органогенез у Кембриджі вже далі. Компанія має дозвіл на продаж штучної шкіри, складеної з обох шарів - епідермісу та дерми. Сусідній ремонт тканин Genzyme відновлює хрящі в коліні. Його дослідники відбирають у пацієнта хрящові клітини, розмножують їх у культурі клітин і вводять назад. Такі лікарі, як Джон Ваканті, з Бостонської дитячої лікарні експериментують із вирощуванням клітин хряща на полімерних лісах у формі вуха.
"Вважається, що частини тіла, які постійно відновлюються - шкіра, кров, кістки або м'язи - мають такі стовбурові клітини", - пояснює Мелтон. "Однак поки що ідентифіковані лише стовбурові клітини крові", - говорить він. Однак є вказівки на те, що стовбурові клітини містяться також у багатьох інших органах - або клітинах, які зберігають статус, подібний до стовбурових клітин, протягом усього свого життя. Прикладом цього є печінка.
Якщо частина печінки втрачається внаслідок нещасного випадку або ракової операції - це може становити до дев'яноста відсотків - інші клітини печінки замінюють втрати, поки орган не стане таким самим розміром, як це було раніше. Тоді вони перестають рости самостійно. Хто чи що говорить клітинам печінки, коли цього достатньо, для дослідників досі залишається загадкою. Це може бути пов’язано із сполучною тканиною, яка структурує печінку в окремі частки, поряд із сигналами з боку кровоносної та нервової системи, з факторами росту та гормонами. За словами професора Юргена Ніссінга з Університету Марбурга, експерименти на тваринах вже довели до трансплантації окремих клітин печінки в цю сполучнотканинну структуру, яка потім переросла в цілісну печінку.
Професор Гарварда Мелтон зараз намагається знайти стовбурові клітини в підшлунковій залозі. Що станеться, якщо це вдасться? Поблизу лабораторії, де Ясь вирощує очі на своїх мишах, я знаходжу біолога, який вивчає формування підшлункової залози: британець Кріс Райт. Очевидно, у нього стільки роботи, що він деякий час таборує в офісі, як показує згорнутий матрац.
"Якби у вас були стовбурові клітини, ви могли б випробувати сигнальні молекули з ембріонального розвитку на них", - пояснює він. Можна було побачити, на які типи клітин вони диференціюються, і таким чином, наприклад, отримують клітини підшлункової залози для виробництва інсуліну. Але чи зможуть колись тривимірні частини органів також рости в лабораторії - з правильною формою, забезпечуючи кровоносні судини - сьогодні ніхто не знає. Розвиток органів в зародку ще недостатньо вивчений для цього. «Ми тільки починаємо розуміти, що роблять окремі сигнальні молекули. Але ми поки не розуміємо їх взаємодії ".
Але Райт оптимістичний. «За останні 15 років відбулася революція в біології розвитку. Тоді ще ніхто не мав уявлення про гени та молекули, які викликають такі процеси. Можливо, подібна революція у знаннях відбудеться протягом найближчих 15 років, і регенерація органів стане можливою ".
До цього вже є підходи, знову ж таки з печінкою. Їхня природна здатність до регенерації поки що зазнала поразки в органах, які отруєні наскрізь, наприклад, через хронічне зловживання алкоголем. У таких циротичних печінках сполучна тканина також зміцнюється і зменшується. Трансплантація клітин печінки сама по собі не має ефекту в такому середовищі, і вони гинуть. Але якщо ви додасте до них правильні сигнальні молекули, то ви можете - принаймні в експериментах на тваринах - дозволити клітинам перерости в якусь другу печінку.
Інші вчені йдуть зовсім іншими шляхами. Вони не шукають сигнальних молекул в ембріонах мишей або стовбурових клітин у тканинах людини. "Щоб зрозуміти регенерацію, слід дослідити тварин, які можуть регенерувати: наприклад, тритонів", - говорить Джеремі Броккес, професор Лондонського університетського коледжу. Він не вірить, що найближчим часом можна буде відновити людські руки чи ноги. “Для цього клітини повинні формувати складну форму з різних типів клітин - м’язів, кісток, вен, нервів. Сумнівно, чи це колись спрацює ".
Броккес шукає молекули, які контролюють регенерацію клітин серцевого м’яза у тритонів. "Якщо виявиться, що здатність клітин земноводних ділитися заснована на єдиному молекулярному сигнальному шляху, який заблокований у вищих живих істот, тоді можна спробувати реактивувати цей сигнальний шлях у людей і, можливо, регенерувати хворий серцевий м'яз".
Тим часом Ясь не дуже успішно користується лінзами для очей своєї миші. Його експерименти показали, що, хоча BMP4 бере участь у формуванні кришталиків, це, мабуть, не є вирішальною молекулою. Пошуки тривають.
Хвостовий віск
"Що стосується відрощування втрачених частин тіла, тварини є фальшивими порівняно з рослинами", - говорить професор Дітер Гесс, директор Інституту фізіології рослин Університету Хогенхайма. Рослини мають подільну тканину майже скрізь. Якщо шторм ламає верхівку ялини, бічний пагін виростає з пазушкової бруньки гілки внизу, утворюючи нову верхівку. Це також працює навпаки: окремі частини формують решту тіла заново. Садівники вирощують цілі декоративні рослини зі шматочків стебла або листя, а нові квіти - з окремих клітин орхідей.
Серед тварин є також молоді спеціалісти: якщо відокремити шматок від дощових черв’яків або деяких морських зірок, обидві частини утворюють відсутність залишку - один черв’як стає двома. У вищих тварин регенерація працює лише в одному напрямку. Тарган відростить втрачену ногу, і ящірка може скинути хвіст і переформуватися в небезпеці. Проте нога і хвіст більше не доповнюють одне одного, утворюючи нового таргана або ящірку.
"Саламандри, тритони та аксолоти - це чемпіони регенерації серед вищих тварин", - говорить Джеремі Броккес, професор Лондонського університетського коледжу. Наприклад, тритони можуть регенерувати хвіст, ноги, кришталик, сітківку, щелепу і навіть частини серця. Клітини «знають», де на тілі вони перебувають і якими вони повинні стати. Ампутована на щиколотці нога регенерує лише стопу, а не коліно.
Але чому ссавці втратили цю чудодійну здатність? Девід Стокум, професор з штату Індіанаполіс, США, шукає відповіді вже 30 років. «Це може бути просто розмір руки чи ноги та різноманітність тканин у ній, що ускладнює природну регенерацію». Біологи, що розвиваються, більше не хочуть сприймати цю слабкість у природі.