Биолог Сергей Киселев о способах лечения болезней стволовыми клетками и перспективах разработок этой технологии.
Понятие стволовой клетки было введено для того, чтобы объяснить, почему многоклеточные живые организмы, которые обладают различными специализированными тканями, остаются неизменными во времени и пространстве в процессе жизнедеятельности. Когда организм живет, он постоянно теряет те или иные клетки. Например, человек теряет защитный слой клеток — клетки кожи, у него постоянно погибают лимфоциты, отмирают клетки кишечника. Но при этом мы сохраняем тот же внешний вид, продолжаем жить, бороться с инфекциями, потреблять пищу. Клетки во взрослом организме восстанавливаются и вновь занимают свое место.
Стволовая клетка — это клетка, которая существует в организме на любой стадии развития, может делиться и размножаться, оставаясь неизменной. С другой стороны, в необходимый момент она может при делении изменить свою программу и создавать другие, новые, специализированные типы клеток. Чем больше специализированных типов клеток может произвести стволовая клетка, тем больше считаются ее потенции, возможности.
Существуют разные типы стволовых клеток: олигопотентные, мультипотентные, плюрипотентные. Олигопотентные клетки могут дать очень небольшое разнообразие специализированных клеток. Мультипотентные стволовые клетки могут дать достаточно большое разнообразие специализированных типов клеток. Например, стволовая клетка крови мультипотентна, в результате деления из нее может произойти около 20 различных типов клеток иммунной системы. Если трансплантировать одну стволовую клетку крови в мышь, у которой нет механизмов кроветворения, то у животного полностью восстановится кроветворение. Есть также плюрипотентные клетки. Например, клетки эмбриона, из которых потом происходит более двухсот разнообразных типов специализированных тканей человека, называются плюрипотентными.
Первые исследования стволовых клеток
Впервые термин «стволовая клетка» был использован немецким ученым Валентином Хаакером в конце XIX века. Он использовал этот термин в своих трудах, но не дал ему дальнейшего развития. А российский ученый Александр Максимов в своем исследовании, опубликованном в 1909 году, уже развил этот термин. На примере клеток крови Максимов построил теорию стволовой клетки и объяснил, что из нее могут получаться специализированные потомки. Первые экспериментальные доказательства того, что стволовые клетки действительно существуют в природе, получили американские ученые Джеймс Тилл и Эрнест Маккалох в 1960-х годах. Они облучали мышей летальной дозой радиации и спасали их от смерти, пересадив всего лишь одну-единственную стволовую клетку крови.
Тилл и Маккалох доказали экспериментально ранее разработанную теорию кроветворной клетки, находящейся в костном мозге. Затем российские ученые Александр Фриденштейн и Иосиф Чертков показали, что в костном мозге находится не только кроветворная стволовая клетка, но и так называемая стромальная стволовая клетка, которая дает начало костям, хрящам, жиру. Иосиф Чертков выяснил, что, несмотря на то что все стволовые клетки — кроветворные и стромальные — находятся рядом, они не могут обмениваться своими функциями. Кроветворная стволовая клетка будет давать только специализированные клетки крови, а стромальная стволовая клетка будет давать только специализированные клетки кости, хрящей. Эти стволовые клетки специализированны.
Следующим эпохальным событием в области стволовых клеток было экспериментальное доказательство существования эмбриональной стволовой клетки. В 1981 году ученые Мартин Эванс и Мэтью Кауфман и параллельно с ними Гейл Мартин на примере мыши доказали существование эмбриональных стволовых клеток, которые являются плюрипотентными.
Они обладают совершенно уникальными свойствами: с одной стороны, могут неограниченно долго поддерживаться вне организма без изменения их свойств, с другой — при попадании в определенные условия внешней среды, например обратно в организм, могут дать начало разнообразным тканям или целому живому организму. В дальнейшем, в 2007 году, за генетические манипуляции с эмбриональными стволовыми клетками была вручена Нобелевская премия.
Следующим и последним на сегодняшний день большим открытием в этой области была публикация японским ученым Синъей Яманакой в 2006 году технологии репрограммирования соматических клеток взрослого организма до состояния эмбриональных стволовых клеток. Эти клетки назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. В 2012 году за свою технологию и перспективы ее применения Синъя Яманака получил Нобелевскую премию. Первым успешным применением стволовых клеток следует считать трансплантацию костного мозга, которую Эдвард Доннел Томас провел в 1964 году. За это он получил Нобелевскую премию в 1990 году. С тех пор стволовые клетки крови эффективно применяются в лечении онкогематологических заболеваний.
Получение стволовых клеток
Способы получения стволовых клеток уникальны для каждого типа. В организме одни клетки живут в окружении других клеток и не могут существовать отдельно. Им нужны специальные ниши, в которых они могут комфортно себя чувствовать. Поэтому для каждого специализированного типа клеток нужны специальные условия. Например, кроветворные стволовые клетки в основном выделяют из костного мозга методом разделения тех клеток, которые прикрепляются к поверхностям, и тех клеток, которые будут плавать. Кровь — жидкая ткань, которая ни к чему не прикреплена. Основываясь на этом свойстве, можно отделить те клетки, среди которых будут стволовые клетки крови. Дальше, чтобы выделить именно стволовую клетку крови, нужно провести сложные технические манипуляции с использованием так называемых селективных маркеров. А из прикрепленных клеток можно получить стромальные стволовые клетки костного мозга.
Чтобы выделить стволовые клетки мозга, приходится проникать в определенные районы мозга. Только там можно найти небольшое количество стволовых клеток мозга. Проделывать такие процедуры с человеком проблематично. Если аспирация, то есть взятие костного мозга, — это относительно несложная операция, то залезть в голову к человеку, сделать трепанацию — проблема. Просто получить стволовые клетки волоса. Для этого достаточно выдернуть один волосок и поместить клетки из луковицы волоса в определенные условия внешней среды с ростовыми факторами. Так получают стволовые клетки волоса.
Что касается эмбриональных стволовых клеток человека, их получают из внутренней клеточной массы бластоцист, которые предназначены для уничтожения. Эта группа клеток развивается на пятый день после проведения процедуры экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). Обычно при проведении ЭКО получается около десятка бластоцист. Пара лучших из них идет на имплантацию и развивается в эмбрион. Остальные бластоцисты могут быть сохранены за отдельную плату или просто выброшены. Наука предоставляет возможность использовать эту группу недоразвившихся клеток для изучения процессов развития и спасения других людей. Сегодня в мире еженедельно выбрасывается около 20–25 тысяч бластоцист, полученных для экстракорпорального оплодотворения. Из-за их уникальных свойств условия культивирования этих клеток вне организма самые сложные.
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки можно получить из любых клеток взрослого человека, например кожи или крови. Клетки переводятся в лабораторные условия, а затем проводятся технологические манипуляции: репрограммирование с использованием определенных генов, то есть изменение генетической программы, возвращение клеток в эмбриональное, юное состояние. Развитие этой технологии сегодня позволяет уже обойтись и без использования генов, но тем не менее происходит изменение работы генетической программы. Каждый тип клеток уникален и требует своего, уникального способа выделения и поддержания.
Использование стволовых клеток
Сегодня стволовые клетки крови успешно используются при лечении онкогематологических заболеваний. Людей лечат от рака крови стволовыми клетками уже начиная с 1964 года. Собственно, клетками не лечат, а восстанавливают после лечения. Если возникла злокачественная трансформация клеток крови, то лекарствами убивают все клетки крови, а потом трансплантируют здоровые стволовые клетки крови, например, от донора. В среднем эффективность использования кроветворных клеток в лечении некоторых форм рака достигает 70–80%.
Но на этом широкое применение стволовых клеток для лечения болезней заканчивается. Все остальные технологии находятся на разных стадиях клинических испытаний. Например, сейчас идут клинические испытания по лечению диабета. Для этого используют эмбриональные стволовые клетки человека. Из них получают специализированные бета-клетки и трансплантируют их людям. Кроме того, идет вторая фаза клинических испытаний использования эмбриональных стволовых клеток человека для восстановления зрения. Эта терапия показывает хорошую эффективность, а главное, дает возможность людям с наследственными формами болезней приобрести зрение.
Также начали испытывать репрограммированные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки для получения пигментного эпителия и восстановления зрения при возрастных изменениях, происходящих в макуле — центральной части глаза. Конечно, все не ограничивается только этим, идут клинические испытания по использованию клеток, полученных из костного мозга и жировой ткани. Оказалось, что жировая ткань очень привлекательна в плане получения стволовых клеток. Всего в мире проходит около 4 тысяч клинических исследований с применением стволовых клеток, но одобренных технологий пока практически не существует.
Развитие технологий в области стволовых клеток
За последние несколько десятилетий значительно снизились темпы внедрения лекарственных средств, разработанных с использованием технологий XX века. Достижения в области геномики и клеточной биологии дают новые возможности по устранению не только симптомов заболеваний, но и первопричин. Для ускорения внедрения современных технологий в практику во многих странах принимаются соответствующие программы. В США была принята калифорнийская инициатива о финансировании исследований эмбриональных стволовых клеток человека в размере 3 миллиардов долларов на 10 лет и об ускоренной трансляции достижений науки в практику. В рамках этой и других программ активно развиваются исследования по лечению диабета, онкологических заболеваний, восстановлению зрения, лечению нейродегенеративных заболеваний, в частности болезни Паркинсона и травм спинного мозга. Ученые трансплантируют полученные в лаборатории нейроны, чтобы восстанавливать пораженные участки нервной ткани, разрушенные болезнью.
В Европе также идут клинические испытания терапии возрастной макулодистрофии с помощью клеток пигментного эпителия, полученных из эмбриональных стволовых клеток человека. Ученые исследуют возможности лечения болезни Паркинсона клетками, полученными из фетального материала. В запланированных клинических исследованиях будут использоваться уже нейроны, полученные из репрограммированных клеток. Несомненно, проводятся исследования и другого характера, когда клетки, например, крови или жира используются для лечения нейродегенеративных заболеваний. Основания для этого не очень понятны, но если это будет помогать, то почему это не использовать? В Японии активно проводятся клинические испытания с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека.
Целый ряд патологий, таких как возрастная макулодистрофия, диабет, паркинсонизм, болезни сердца, являются мишенью проводимых клинических исследований. Для ускорения выхода на рынок новых терапевтических продуктов были даже внесены изменения в федеральный закон о лекарственных средствах. Эти изменения облегчают и ускоряют выход на рынок инновационных продуктов, ожидается, что изменения в законодательстве позволят сократить сроки вывода медицинского препарата с 15 до 5–7 лет.
На данный момент многие исследования подошли к тому, что технологию надо отработать уже не на мышах, а на людях. Проводить экспериментальные исследования на людях все равно придется, чтобы сделать технологию безопасной и эффективной. Если грамотно и ответственно подходить к проведению исследований и продвижению соответствующих препаратов, они могут иметь 100-процентную гарантию выхода на рынок.
Открытые вопросы
Если посмотреть на себя в зеркало, можно увидеть, что каждая клетка находится на своем месте. И это произошло за счет естественного процесса индивидуального развития. В лабораториях мы уже умеем получать много различных клеток, которые сходны с клетками организма. Сейчас человечество хочет разработать такие технологии, с помощью которых можно заместить нужную клетку в любом месте организма. Основная проблема, которая существует и будет существовать еще долго, — это обеспечить попадание правильной клетки в нужное время и в нужное место. Эту задачу медики будут решать в ближайшее десятилетие.