Помоги себе сам

Ученые Института иммунологии и физиологии УрО РАН и Института медицинских клеточных технологий создали на основе фундаментальных исследований свойств стволовых клеток методику аутопротезирования тканей живого организма.

«Эксперт-Урал» отслеживает клиническую работу со стволовыми клетками на Урале практически с момента ее становления. «Есть три основных направления, которыми занимается медицина мира и Институт медицинских клеточных технологий в Екатеринбурге. Во-первых, стволовые клетки определяют возможность восстановления органа после повреждения. Во-вторых, борьба со старением организма: оно обусловлено тем, что иссякающий с возрастом запас стволовых клеток прекращает генерировать новые клетки органов, а те постепенно перестают выполнять свои функции. Третье направление - онкологическое: после разрушения опухоли на освободившемся пространстве должны возникнуть новые клетки. В институте уже внедрены уникальные методики, позволившие добиться результатов, невозможных прежде, - рассказывал зимой 2007 года директор Института медицинских клеточных технологий Семен Спектор (см. «Выйти из клетки», «Э-У», № 5 от 05.02.2007 ). - Проведены операции».

В основном речь шла и идет о пересадке донорских клеток. Но у трансплантологии в этой отрасли медицины множество проблем: это и биологическая несовместимость тканей, и этические сложности. Поэтому сейчас бурно развивается другое направление - выращивание органов из стволовых клеток в культуре, в «пробирке». Каркас, созданный из соединительной ткани старого органа, заселяется стволовыми клетками, и образуется новый орган. В августе прошлого года американским биологам удалось вырастить искусственное сердце из стволовых человеческих перепрограммированных клеток, а в качестве каркаса они использовали соединительную ткань мышиного сердца. Этот рукотворный миокард сокращается, хотя и несколько хуже, чем сердце здорового человека. Есть сообщения об удачном выращивании трахеи и легкого. (О работах биотехнологов на Урале см. также «Человек меняет кожу», «Э-У» № 24 от 20.06.2011 ; «Удар по печени», «Э-У» № 11 от 18.03.2013 .)

Группа ученых под руководством доктора медицинских наук, заведующего лабораторией иммунофизиологии и иммунофармакологии ИИФ Бориса Юшкова идет по «беспересадочному» пути - выращивает необходимые «детали» внутри самого живого организма, которому требуется замена больного органа.

Все свое ношу с собой

- Борис Германович, давайте начнем с короткого экскурса в теорию вопроса.
- Стволовая клетка - родоначальница всех клеток организма, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки - мышечные, печеночные, кожные, нервные.

Есть ключевой вопрос биологии, который часто упускают в дискуссиях о стволовых клетках: может ли отдельная клетка и ее потомки существовать дольше, чем организм в целом. Как известно, для клеток существует лимит Хейфлика, который ограничивает количество делений. Для соматических клеток, фибропластов, это приблизительно 50 делений, то есть клетка не может пережить организм. Но тогда убыль клеток должна как-то компенсироваться, должен существовать механизм, благодаря которому клетки восполняются. В качестве такого механизма работают стволовые клетки, обладающие тремя свойствами. Прежде всего они способны достаточно долго воспроизводить в процессе деления самих себя, причем в точности. Это свойство стволовой клетки получило название самоподдержания. Другое важнейшее свойство - свойство полипотентности - потенциальная способность стволовой клетки дифференцироваться, развиваться в любую клетку организма. И третье - стволовые клетки каким-то образом контролируют общее их количество в организме в целом и в отдельных тканях.

Потери клеток, происходящие по самым разным причинам - в результате травматического повреждения, радиационного облучения, воспалительного процесса, - сначала восполняются за счет деления и дифференцировки стволовых клеток, находящихся в самом поврежденном органе. Однако запас стволовых клеток в тканях взрослого организма ограничен. Если их не хватает для восстановления функции органа или ткани, «на помощь спешат» другие стволовые клетки. Их поставляет костный мозг, оттуда стволовые клетки с кровотоком поступают к поврежденному органу, где под влиянием различных сигнальных веществ превращаются в специализированные клетки, которые замещают погибшие.

Свой-чужой

Нередко обновить утраченные клетки организм самостоятельно уже не в состоянии: или очаг поражения слишком велик, или организм ослаблен, или возраст немолодой. Если у новорожденного одна стволовая клетка приходится на 10 тысяч кроветворных клеток, то к 20 - 25 годам - одна на 100 тысяч, к 50-ти - одна на 500 тысяч, а к 80 годам - одна на 5 - 8 миллионов. Согласно одной из теорий, процесс старения как раз и связан с истощением запаса стволовых клеток. Стареющему организму можно помочь - ввести ему порцию стволовых клеток, взятых от молодого, и получить омолаживающий или лечебный эффект. Однако чудес не бывает. Немало знаменитостей, прошедших процедуру омоложения эмбриональными стволовыми клетками, получили совсем не тот результат, которого ожидали, - от ухудшения внешнего вида до развития онкологии.

По словам Бориса Юшкова, минусы использования чужеродных стволовых клеток связаны прежде всего с этическими проблемами, ведь основной источник эмбриональных стволовых клеток - материал, остающийся после абортов, а также пуповина и плацента новорожденного ребенка. Далее, когда донорские клетки получены, их надо очистить, накопить и сохранить. В процессе хранения количество стволовых клеток, пригодных к использованию, уменьшается: снижаются их цитохимические показатели, и происходит внутриклеточная перестройка метаболизма. А данные об изменениях стволовых клеток в ходе десятилетнего хранения на сегодняшний день противоречивы. К тому же, размножаясь в культуре, стволовые клетки расходуют лимит деления.

Еще одна серьезная проблема - чужеродные стволовые клетки могут отторгаться организмом. Конечно, можно брать клетки пуповинной крови самого человека при рождении и замораживать, чтобы в случае необходимости разморозить и использовать. И это делается в мире. Стволовые клетки содержатся в культуре, их можно размножать и вызывать превращение в специализированные клетки, а затем пересаживать больному взамен погибших.
Но создание индивидуальных банков пуповинной крови в массовом порядке - дело дорогое, и вряд ли это возможно в близком будущем.

Без пересадки

Уральские иммунофизиологи считают, что самое перспективное направление - активация собственных стволовых клеток организма: они не отторгаются, вероятность их злокачественного перерождения минимальна, и этических проблем в этом случае не возникает.

- Борис Германович, но как «поторопить» стволовые клетки к месту аварии в организме и сделать так, чтобы они выстроили здоровую ткань?

- Чтобы стимулировать миграцию собственных стволовых клеток организма в поврежденный орган, нужно прежде всего вызвать определенные изменения в костном мозге, в результате которых стволовая клетка покинет свою «нишу» и приобретет способность к миграции, размножению и дифференцировке. Для этого разрабатываются специальные препараты. Затем надо задать так называемый «маяк» миграции. И наконец, необходимо направлять процесс дифференцировки стволовых клеток в поврежденной ткани. Его определяют физические факторы, влияющие на форму клетки, цитокины - пептидные информационные молекулы и микроокружение. В печени стволовые клетки дифференцируются одним образом, в мышечной ткани - другим. Через микросреду, через изменение микроокружения мы учимся влиять на направление дифференцировки стволовых клеток. А если этот процесс пустить на самотек, то одни клетки превратятся в такие же, как те, что повреждены, и станут их восполнять, а другие могут «взбеситься» и начать размножаться, образуя опухоль. То, что происходит со стволовыми клетками, - как они выходят из костного мозга, какой концентрации достигают в крови и в поврежденной ткани, - мы отслеживаем с помощью маркеров и применяем различные приемы, чтобы больше стволовых клеток попало в поврежденный участок. На сегодняшний день четкое морфологические описание стволовой клетки отсутствует. Чтобы ее идентифицировать, нужно искать дополнительные маркеры, чем мы и занимаемся.

Еще одна перспективная технология - конструирование стволовой клетки. Для этого ядро эмбриональной клетки вводится в зрелую клетку, и она приобретает свойства стволовой. Мы в этом направлении тоже работаем, в нашей лаборатории есть необходимое оборудование и квалифицированные специалисты.

Есть у нас наработки в области лечения заболеваний нервной системы, в частности эпилепсии, а также сахарного диабета, ведь стволовые клетки под влиянием определенных факторов способны превращаться даже в нейроны и в бета-клетки, продуцирующие инсулин.

- В вашей лаборатории недавно выполнена пластика сосудов, мочевого пузыря и черепно-мозговой кости крысы.

- Вот как делается, к примеру, сосуд. Вшиваем пластиковую трубочку нужного размера под кожу крысы, там, естественно, развивается воспаление, и трубочка обрастает соединительной тканью. Затем инородное тело, то есть пластиковую трубочку, извлекаем, и у нас остается соединительно-тканный каркас из собственных клеток организма - аутопротез. Его можно использовать не только как полноценный сосуд, но и как пластинку, если разрезать пополам. Такой пластинкой можно закрыть отверстие в кости, полученное в результате травмы, а можно сшить из нее мочевой пузырь. Подобные эксперименты мы проводили не только на крысах, но и на собаках и даже на свиньях. Выращивали таким образом кости у крысы и кролика. Причем после операций животное проживало свой обычный срок. Есть у этой методики один минус - фактор времени. Так, аутопротезирование бедренной артерии кролика заняло у нас шесть месяцев, черепно-мозговой кости крысы - 7. А если у человека случился инфаркт или он сломал ногу, некогда выращивать аутопротез. Но и плюсы очевидны: не нужны доноры, а органы, выращенные из собственной ткани, легко приживаются в организме. А это значит, что метод перспективен для лечения хронических патологий.

Чудес не бывает

Фундаментальные исследования идут своим чередом, являя нам иногда настоящие чудеса, но медицинское применение пионерских клеточных технологий в нашей стране по-прежнему ограничено. И сдерживает его прежде всего отсутствие правовой базы. Еще в 2009 году правительство РФ поручило Минздравсоцразвития, Минпромторгу и Минобрнауки разработать и представить на рассмотрение в Госдуму РФ проект закона «О применении биомедицинских технологий в медицинской практике». Однако законопроект вызвал неоднозначную реакцию общественности, религиозных деятелей и был отправлен на доработку. Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения и социального развития выдает отдельные разрешения на лечение собственными и донорскими стволовыми клетками ряда патологий.
А закон, призванный в целом регламентировать сферу биомедицинских технологий, так и завис в Госдуме.

Справка

Стволовая клетка

Термин впервые введен в научную литературу выдающимся немецким биологом Эрнстом Хекелем в 1868 году. Существенный вклад в теорию стволовых клеток в начале XX века внесли русские ученые Вера Данчакова и Александр Максимов. В 1957 году будущий лауреат Нобелевской премии Эдвард Томас опубликовал работу, в которой впервые была описана пересадка костного мозга больному лейкемией. Первая в мире трансплантация стволовых клеток пуповинной крови ребенку проведена Элиан Глюкман в 1988 году в парижской клинике Святого Людвига. В 1998 американским ученым Джеймсу Томсону и Джону Беккеру удалось выделить человеческие эмбриональные стволовые клетки и получить первые линии таких клеток.

В России лечение стволовыми клетками внедряется с 1986 года. «Стволовые» методики используются в Институте биологической медицины, в Научном центре сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева, в ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им. В.И. Шумакова, в НЦ акушерства, гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова РАМН, в Российском научном онкологическом центре им. Н.Н. Блохина РАМН и других ведущих медицинских учреждениях.