На пороге новой биологии и медицины

фундаментальная биология

И

Поражающее разнообразие многоклеточных имеет весьма скромное начало в одной оплодотворенной яйцеклетке. Много поколений биологов и эмбриологов размышляло над загадкой, каким образом генетическая информация одной клетки макромасштабируется в сотни миллионов клеток нового зародыша.

Экспериментальный прогресс сдерживался тем, что яйцеклетки, зиготы и бластомеры не удавалось перевести в бессмертные линии, получив таким способом клеточный материал в количествах, достаточных для изучения спектров мРНК и белков (Weismann, 2000). Только эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) – пролиферирующие «дублеры» зиготы - стали новым ресурсом клеток, стоящих у истоков развития. Наука сделала первый шаг к лабораторной ткани, повторяющей соматический эмбриогенез млекопитающих в обход гамет и оплодотворения. Тотипотентность – это свойство генома клеток макромасштабировать программы эмбриогенеза, в том числе воспроизводить любую из 250 специализированных клеток взрослого организма. Подобно зиготе и первым клеткам зародыша, ЭСК в простых условиях культуры воспроизводят «лабораторный» эмбриогенез в два этапа. Сначала микрограммовые количества “клеток без фенотипа” пассируют в миллиарды клеток. Затем незрелые постмитотические клетки с помощью набора химических инструкций in vitro видоизменяют в клетки мозга, сердечной, скелетной мышцы, печени и т.п. Получение соматических клеток из ЭСК идет в обход органогенеза и многих событий, происходящих при естественном развитии зародыша в матке. Как известно, специализированные клетки взрослого организма необратимо утрачивают способность к повторению эмбриогенеза. В культуре большинство специализированных клеток, изолированных из тканей, быстро дедифференцируются, теряя фенотип и профиль функций. Науке пока не известны способы получения стволовых клеток из дифференцированных клеток. ЭСК - это эмбриогенез без половых клеток и беременности.

ЭСК – незаменимая модель для функциональной постгеномики. Кардиомиоциты, миоциты, клетки крови и иммунной системы являются полными автоматами. Поведение ЭСК определяется взаимодействием внешних сигналов с эпигеномной системой клеток, имеющих уникальную протеомику и огромное «меню» из предсинтезированных мРНК. На клетках ЭСК с максимально простым фенотипом легче анализировать главный алгоритм онтогенеза: как soft сигналы непрерывно изменяют hard- устройство клеток. В отличие от молекулярной генетики, изучавшей функции отдельных генов, постгеномика занимается протеомикой целостных белковых сетей (как soft-сети собирают клеточные устройства). Интегральные белковые сети - платформа целенаправленного поведения клеток в виде альтернативных ответов. Адекватный выбор сигналов и ответы ЭСК заставляют признать, что клетки имеют элементарный интеллект для распознания, выбора сигналов, их селективной переработки. Селективный отбор сигналов транслируется далее в паттерны поведения клеток. Поведение клеток и его нарушение является конечной целью современной медицины. Этот уровень знаний дает новые инструменты для разгадок болезней клеток и старения.

Другая важная особенность генома ЭСК – спонтанная частота мутаций ниже в несколько раз, чем у соматических клеток. Внутрихромосомная рекомбинация и эндоредупликация отдельных сегментов хромосом полностью блокированы устройством хроматина. Генетическая нестабильность хромосом и анеуплоидия в пассажах характерны только для линий тератокарциномы и эмбриокарциномы (Servantes R.B., Stringer J.R., Tischfield J.A.,2002). Эта особенность организации хроматина делает маловерятными случайные перестройки хромосом, связанные с малигнизацией трансплантированных ЭСК-дериватов.

Cтволовая ниша – стабильное микроокружение вокруг каждого клона ЭСК, создаваемое монослоем так называемых фидерных клеток. Трофобласт служит фидером для эмбриобласта у предимплантационных зародышей млекопитающих. Клетки хориоидного сплетения служат питательной, защитной и информационной средой для нейральных стволовых клеток эпендимы развивающегося мозга. Эндотелиальные синусы, либо капиллярная сеть служат нишей для региональных стволовых клеток органов и тканей, в том числе для мезенхимальных стволовых клеток. По этой причине все ранние ЭСК зародыша выращивают в суспензии над монослоем фидерных стромальных клеток, которые обеспечивают незрелые плюрипотентные клетки всем необходимым для выживания и самообновления.

В настоящее время ЭСК нужны не только для расшифровки кодов пред- постимплантационного развития, но и лабораторного воспроизводства клеток органов в обход беременности. Получить миниорганы in vitro – более трудная задача, чем получить дифференцированные клетки тех же органов. Клетки -дублёры зиготы необходимы для биоэтически допустимых экспериментов. ЭСК не являются зародышем, не имеют статуса «новой жизни», поскольку получены в обход оплодотворения и беременности. Сохраняя ранг клеток, ЭСК являются чем-то большим: они серийно копируют органогенез. Они незаменимы для изучения стыков развития клетка/орган/ткань. Пока наука не имеет достаточной платформы, чтобы окончательно определить юридический/ биоэтический статус ранних зародышей, эмбрионов и плодов. Отсутствие законодательной базы относительно всех периодов жизни человека существенно влияет на принятие практических решений в области репродукционного и терапевтического клонирования. Биоэтические посылки многих высокоразвитых стран, утверждающих статус новой жизни и личности с момента зачатия и появления зиготы, идут вразрез с принятым законодательством, признающим права новой жизни лишь с момента рождения. Согласование этих вопросов на уровне государств и международных институтов (ООН, Совет Европы и т.п.) имеет первостепенное значение для свободного развития биологии и медицины. Как известно, права на новые исследования и знания могут быть ограничены, если человек или зародыш не становятся средством в руках других людей.

Биологи в современном обществе вынуждены отстаивать право на новые границы знаний и новые технологии. Развитие зиготы в зародыш воспроизводится в лаборатории. Многие представители религии настаивают, что создание/разрушение ранних зародышей в лаборатории недопустимо. В то же время в США и многих странах разрешено платное донорство яйцеклеток (1500-2000 долларов в США), которое открыло путь к внеполовому получению ранних зародышей. Один работающий банк спермиев и яйцеклеток в Норфолке (Канада) способен обеспечить работу всех биотехнологических компаний с искусственными бластоцистами для изолирования линий ЭСК. Бластоцисты сейчас можно получить путем переноса ядра соматической клетки заказчика в зрелую донорскую яйцеклетку, из которой предварительно был удален пронуклеус. Лабораторные банки тотипотентных клеток уже создали техногенную эмбриологию и альтернативу половому процессу не с целью повторного воспроизводства копий уже живших людей, а с целью лечения миллионов пациентов на планете. Согласно прогнозу, в 2020-2030 годах примерно треть пациентов будет получать лечение в виде пересадок дериватов ЭСК. Не размышления, а единственно возможная помощь погибающему пациенту – это императив биоэтики у постели больного (особенно у фатально обреченных). Стремление помочь склоняют врача к лабораторному клонированию клеток пациента, как к последнему эффективному средству помощи. Аморальным в наше время становится не использовать ЭСК для создания банка резервных клеток каждого человека на случай заболевания. Наиболее гуманная биоэтика заставляет остальное общество видеть проблему прежде всего глазами и нуждами больных людей и их ближайших родственников. Каждый пациент имеет право на спасение и новые формы лечения. Наука и общество должны развивать медицину, дающую новый шанс на выживание или продление жизни существующим на земле поколениям. Новые реалии медицины сильно изменили вектор дискуссий вокруг ЭСК.

В XIV веке происходили ожесточенные теологические споры о возможности посмертных вскрытий с целью изучения внутренних органов и причин заболеваний. Всего несколько врачей того столетия посмели создать секционный зал. Без этих пионеров в следующем веке не было бы анатомического атласа и великих открытий Леонардо. Морфология стала первой королевой медицины XV века. В XXI веке на стыке клеточной биологии ЭСК с функциональной постгеномикой рождается новое будущее медицины XXI века. Неизбежно разгораются споры и дискуссии, а знания обрастают мифами и предубеждениями в обществе.