Мешки из клеток

Международной группе ученых под руководством испанца Хуана Бальмонте, известного своими работами в области стволовых клеток, удалось создать эмбрионы химер человека и свиньи, которые в будущем могут стать источником донорских органов. Другая команда исследователей вылечила врожденную глухоту у мышей с помощью вирусов. "Лента.ру" рассказывает об успехах генной инженерии, связанных с медициной.

Материалы по теме

00:01 3 февраля 2017

Сложный выбор

Найден уродующий тело источник вечной молодости

Создание генетически модифицированных организмов - не единственное, чем может порадовать человечество генная инженерия. Биотехнологии позволяют не только менять гены для улучшения сельскохозяйственных растений и животных, но и лечить ранее неизлечимые заболевания. По иронии судьбы, для этого ученые используют вечных врагов человека - вирусы, которые, однако, лишены возможности заражать и размножаться внутри тканей. Еще одно направление, которое может напугать не слишком сведущих в науке людей, - создание химер, сочетающих в себе клетки человека и других организмов. Однако то, что поначалу кажется зловещим, на самом деле окажется удобным способом создания донорских органов.

Такая химера, например, будет обычной на вид свиньей, почки или легкие которой будут подходить для трансплантации нуждающимся в них людям. Таким образом будет решена проблема очередей на пересадку органов, из-за которой многие пациенты не доживают до операции. Те же, кто боится восстания мутантов, должны подумать, что реальная польза от этой технологии превосходит смутные опасения фантастов-пессимистов. Учитывая, что за экспериментами надзирают соответствующие органы, озабоченные этическими вопросами, мы вряд ли столкнемся с незаконно выращенными людьми-свиньями.

Слева направо: обычная мышь, мышь с клетками крысы, крыса с клетками мыши, обычная крыса

Слева направо: обычная мышь, мышь с клетками крысы, крыса с клетками мыши, обычная крыса

Изображение: Nakauchi et al. / The University of Tokyo

Чтобы развеять страхи, нужно понять, что и как делают ученые, создающие химер. Для этого достаточно знаний, полученных в старших классах школы. Основной материал, с которым работают исследователи, - стволовые клетки, которые обладают плюрипотентностью - способностью превращаться в другие клетки организма (нервные, жировые, мышечные и так далее). Именно из таких клеток состоят эмбрионы на ранних стадиях своего развития. Их внедряют в зародыши других организмов, после чего эмбрион развивается дальше.

Свинолюди

Именно таким образом международной группе ученых из США, Испании и Японии удалось создать химеры свинья-человек, крыса-мышь и корова-человек. Они сообщили об этом в статье, опубликованной в журнале Cell и ставшей первым документом, подтверждающей успешную "химеризацию" далеких в родственном отношении видов.

Основной проблемой является то, что мало внести плюрипотентные клетки в эмбрион и ждать, что получится что-то путное. Вместо этого может получиться организм с катастрофическими нарушениями в развитии, включая образование опухолей. Нужно выключить гены в зародышах-реципиентах таким образом, чтобы они не смогли сформировать специфические ткани. В этом случае стволовые клетки берут на себя задачу по выращиванию недостающего органа.

Сначала ученые ввели стволовые клетки крыс в мышиные эмбрионы на стадии бластоцисты, когда плод представляет собой шар из нескольких десятков клеток. Этот метод называется комплементацией эмбриона (embryo complementation). Целью эксперимента было выяснить, какие факторы играют ведущую роль в межвидовом химеризме. Зародыши были перенесены в тело самок мыши, после чего развились в живых химер, одна из которых дожила до двухлетнего возраста.

Гены в эмбрионах выключались с помощью технологии CRISPR/Cas9, которая вносит разрывы в специфичные участки ДНК. Например, исследователи при тестировании используемого ими подхода блокировали активность гена, который играет важную роль в формировании поджелудочной железы. Родившиеся мыши в результате умирали, однако при внедрении плюрипотентных клеток крыс в эмбрионы недостающий орган развивался. Также ученые отключали ген Nkx2.5, без которого эмбрионы страдали от серьезных пороков развития сердца и оказывались недоразвитыми. Химеризация помогла зародышам достичь нормального роста, однако получить живых химер так и не удалось.

Фото: Juan Carlos Izpisua Belmonte / Salk Institute for Biological Studies

Исследование полученных крыс-мышей показало, что различные мышиные ткани содержали разную долю клеток крыс. Интересно, что желчный пузырь химеры также состоял из клеток мышей и крыс, хотя у последних он отсутствует. Это говорит о том, что зародыш смог разблокировать эпигенетические программы внесенных стволовых клеток, в результате чего последние участвовали в формировании желчного пузыря.

Интересно, что когда ученые попытались внести крысиные клетки в бластоцисты свиней, а затем провели генетический анализ четырехнедельных эмбрионов, они не обнаружили ДНК грызунов. Это говорит о том, что не все животные подходят для химеризации друг с другом, и успешное прививание стволовых клеток одних эмбрионам других может зависеть от генетических, морфологических или анатомических факторов.

Главной же целью ученых было создание химеры человека и свиньи, чтобы проследить, как человеческие ткани будут развиваться внутри зародыша копытного животного. Они использовали бластоцисты свиньи и с помощью лазерного луча проделали микроскопические отверстия для последующей инъекции различных групп плюрипотентных клеток, которые выращивались в различных условиях. Затем эмбрионы пересаживались в свиноматок, где успешно развивались. Отслеживание динамики человеческого материала проводилось при помощи флуоресцентного белка, на производство которого были запрограммированы человеческие стволовые клетки.

В итоге в свином эмбрионе были сформированы клетки, являющиеся предшественниками различного вида тканей, в том числе сердца, печени и нервной системы. Гибридам свиньи и человека позволили развиваться в течение трех-четырех недель, после чего уничтожили их по этическим соображениям.

Глухие мыши

Американские ученые из Бостона недавно смогли вернуть слух мышам, страдающим от редкого генетического расстройства функций внутреннего уха. Для этого они использовали биологическую систему доставки генов (вектор) на основе обезвреженных вирусов. Исследователи модифицировали аденоассоциированный вирус, который заражает людей, однако не вызывает заболеваний.

Инфекционный агент способен проникать в волосковые клетки - рецепторы слуховой системы и вестибулярного аппарата у животных. Биотехнологи использовали вектор для ремонта дефектного гена Ush1c в клетках только что родившихся живых мышей. Эта мутация вызывает глухоту, слепоту и нарушения равновесия. В результате у животных улучшился слух, что позволило им различать даже тихие звуки.

Генная инженерия, таким образом, - не способ создания угрожающих человечеству мутантов. Это постоянно улучшающийся набор методов и средств по улучшению жизни и здоровья людей, особенно тех, кто сильно в этом нуждается. Поскольку создание химер и генная терапия не так просты в осуществлении и порой требуют хитроумных решений, развитие биотехнологий происходит не так быстро, как хотелось бы. Однако ежегодно публикуются десятки научных работ, которые углубляют и обогащают наши знания и умения.

Александр Еникеев
7 февраля 2017