Старение: новые клетки вместо старых

На протяжении всей нашей жизни мы постепенно утрачиваем важные для сохранения здоровья клетки.

Потерей их популяций, ответственных за те или иные жизненно важные функции, вызываются многие угрожающие жизни возрастные патологии, например болезнь Паркинсона.

К счастью, терапевтические методы, основанные на исследованиях стволовых клеток, дают нам возможность восстанавливать такие утраты, буквально обновляя забарахлившие ткани и органы.

Однако для реализации этой задачи надо решить ряд как научных, так и морально-этических проблем.

Специалисты получили возможность обменяться опытом с исследователями, в чьих лабораториях дегенеративные возрастные процессы, если и не обращались вспять, то, как минимум, резко затормаживались у мышей и других модельных организмов. Эти результаты редко производят впечатление на биогеронтологов, которые сталкиваются с чем-то подобным уже лет семьдесят, начиная с первых экспериментов по ограничению калорийности питания, но стали приятным сюрпризом для онкологов и тканевых инженеров.
Клетки на все руки: остерегайтесь подделок
Благодаря трагическому переплетению чисто научных проблем с этическими, юридическими и религиозными дебатами о статусе эмбрионов и допустимости абортов ЭСК является тем элементом SENS, с которым вы наверняка знакомы. Вы, безусловно, слышали, что при адекватной биохимической стимуляции ЭСК превращаются в любой тип клеток - нервные (нейроны), мышечные (миоциты), сердечные (кардиоциты), почечные и т.д.

Результат этого процесса, "дифференцированные" клетки, можно использовать для восстановления дефектных тканей, клеточные потери которых ведут к развитию многих инвалидизирующих, зачастую практически не поддающихся современной медицине болезней, включая ряд худших возрастных патологий. ЭСК понадобятся для успешного лечения паркинсонизма, спинальных травм, диабета 1-го (юношеского) типа, бокового амиотрофического склероза (болезни Шарко, или Лу Герига), инфаркта миокарда, некоторых типов рака и других дегенеративных состояний, включая собственно старение.

В самом деле, в рамках чисто прагматического, инженерного определения этого процесса, намного проясняющего задачи, которые следует решить для окончательной победы над возрастом, любое отмирание нужных нам клеток представляет собой определенную форму возрастного поражения. А, следовательно, является одной из главных мишеней SENS.

Однако, поскольку медийное освещение этой темы концентрируется на морально-этических проблемах, а не на действительно огромном медицинском потенциале ЭСК, вы, возможно, не вполне четко представляете себе ключевую разницу между ЭСК и взрослыми стволовыми клетками. Существуют также принципиальные различия между ЭСК, полученными из эмбрионов, хранящихся в центрах репродукции, и изготовленными из зрелых клеток конкретного пациента путем их слияния с яйцеклетками, т.е. методом (мы рассмотрим его ниже), известным как перенос ядер соматических клеток (ПЯСК). Поэтому для начала стоит специально задержаться на этих вопросах.

ЭСК присутствуют только на самой ранней стадии эмбрионального развития, когда зародыш представляет собой бластоцисту - комочек клеток, формирующийся всего через несколько дней после слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Эта стадия очень непродолжительна - к моменту имплантации в матку эмбрион развит намного сильнее. ЭСК бластоцисты дают все клетки зрелого организма, но сами они еще не дифференцированы: в ней нет ни нейронов, ни кардиомиоцитов, ни вырабатывающих инсулин бета-клеток поджелудочной железы и т.д. Следовательно, для превращения эмбриона в сложно устроенный организм ЭСК необходима способность развиваться в любых направлениях. Она называется плюрипотентностью (тотипотентностью).

У взрослых стволовых клеток выбор путей созревания гораздо уже, и причина этого очевидна. Они образуются на поздних стадиях развития и всю нашу жизнь сохраняются в определенных тканях как резерв для компенсации их клеточных потерь. В результате потенциал специализации ограничивается приобретением структурно-функциональных особенностей, необходимых лишь для данной ткани.

Например, стволовые клетки кроветворной системы могут превращаться в переносящие кислород эритроциты, разнообразные защищающие нас от инфекций лейкоциты (включая лимфоциты), необходимые для свертывания крови тромбоциты, однако (вопреки некоторым смелым заявлениям, о которых ниже) не способны дифференцироваться ни в нейроны, ни в кардиомиоциты. Они, образно говоря, отвечают на такую просьбу прямо и грубо: "Это не наше дело". Верно: у них вполне определенная работа, они с ней хорошо (как правило) справляются и не собираются затыкать все возникающие в организме дырки. Такой более или менее ограниченный диапазон потенциальной специализации ("пластичности") называют мультипотентностью (полипотентностью).

К сожалению, во многих структурах нашего тела взрослые стволовые клетки для текущего ремонта вообще отсутствуют - и, как вы догадываетесь, речь идет о местах, по которым сильнее всего бьют возрастные клеточные потери. Такая ситуация, например, характерна для значительной части головного мозга. Долгое время считалось, что весь он в ходе нормального старения постепенно теряет клетки, и возместить такие потери в принципе невозможно.

Несколько лет назад эта догма рухнула - во многом благодаря работе Фрэнка Гейджа и его сотрудников из Института Солка, которые показали, что головной мозг все-таки содержит стволовые клетки, способные обновлять определенные его части. В результате представления неспециалистов качнулись к другой крайности: многие решили, что присутствие таких клеток позволяет всему мозгу бесконечно долго сохранять свою молодость и исходную работоспособность.

Однако это впечатление тоже ошибочно. Стволовые клетки, способные дифференцироваться в нейроны, образуются лишь в немногих участках головного мозга. Речь идет об области гиппокампа, называемой субгранулярной зоной зубчатой извилины, и о фрагменте поджелудочковой зоны, снабжающей новыми нейронами обонятельную луковицу (мозговую структуру, необходимую для восприятия запахов).

Согласно ряду данных, некоторые из этих стволовых клеток пытаются восстанавливать части мозга, поражаемые возрастными заболеваниями, однако, судя по всему, результаты таких попыток неутешительные. Например, после инсульта небольшое число стволовых клеток субгранулярной зоны изменяет свои обычные характеристики и мигрирует к пострадавшему месту, однако более 80% их погибает в течение ближайших недель, а выжившие замещают всего лишь 0,2% погибающих при этом инциденте нейронов.

Почему мы сохраняем способность к обновлению одних областей мозга, а не других, в частности той части коры больших полушарий, где хранится долговременная память, или их лобных долей, отвечающих за планирование и выполнение целенаправленных действий? Скорее всего, дело в том, что обонятельная луковица и зубчатая извилина - единственные места, в которых эволюция столкнулась с необходимостью регулярного замещения нейронов в течение "биологически гарантированного периода"работы мозга. Обе эти области отвечают за кратковременные функции, требующие постоянного обновления их клеточных популяций.

В то же время взрослых стволовых клеток, отвечающих за компенсацию чисто возрастных потерь и профилактику связанных с ними патологий типа болезни Альцгеймера и паркинсонизма, природой не предусмотрено. Это объясняется следующим: хотя предпосылки таких расстройств заложены в непрерывно происходящих в мозгу молекулярных изменениях, вызываемое ими ухудшение функций не успевает достичь порога, влияющего на дарвиновскую приспособленность нашего вида, в течение сравнительно короткого периода, соответствующего продолжительности жизни палеолитического человека.

Еще один пример структуры, в которой не происходит естественного замещения отмирающих клеток, - тимус, один из ключевых органов иммунной системы, необходимый для "созревания" Т-лимфоцитов. Метод его восстановления с использованием стволовых клеток находится пока лишь в ранней стадии разработки, поэтому подробно обсуждать его нет смысла. Отмечу только, что доказательство правомерности использованной концепции связано с редкой, но очень тяжелой врожденной патологией.
Реконструкция тимуса
Перспективы использования стволовых клеток для предупреждения инволюции тимуса вытекают из недавних успехов в лечении детей с синдромом Ди Джордже - генетической аномалией, жертвы которой рождаются с различными дефектами, включая недоразвитие, а иногда и полное отсутствие тимуса - последний случай называют "полным Ди Джордже". До последнего времени полный Ди Джордже обычно означал быструю смерть. Не вырабатывая зрелых Т-лимфоцитов, младенцы в течение считанных месяцев после рождения погибают от безопасных для прочих людей инфекций.

Очевидный способ лечения - пересадка тимуса, однако такая операция очень сложна. Трансплантату требуется много кислорода, т.е. обильное кровоснабжение, а обеспечить его без натуральной васкуляризации (т.е. развития в ткани густой сети мелких кровеносных сосудов) затруднительно.

Кроме того, долго возникали проблемы с отторжением пересаженного органа и гомологичной болезнью: иногда некоторые клетки костного мозга младенца самопроизвольно превращаются в аномальные Т-лимфоциты, не признающие антигенов ни чужого тимуса, ни самого пациента. В результате они яростно атакуют все его ткани - обычно с летальным исходом. Более того, донорские Т-лимфоциты часто ополчаются на чужеродные им клетки реципиента, бросаясь в не менее губительную для организма контратаку.

Недавно хирурги и иммунологи из Университета Дьюка (США) разработали метод пересадки очень тонких срезов тимусной ткани (обеспечивающих максимальное снабжение ее кислородом), вживляемых в бедро младенца, что гарантировало обильное омывание их кровью, наряду с новым иммуносупрессивным медикаментом, специфично нацеленным на Т-лимфоциты. Этот подход пока считается экспериментальным, однако результаты его постоянно улучшаются благодаря применению дополнительных новшеств, и на сегодняшний день, по-видимому, можно говорить об относительном успехе. В своем отчете за 2004 специалисты из Университета Дьюка сообщили, что пятеро из шестерых пациентов не умерли спустя 15-30 месяцев после такой операции, т.е. она существенно улучшила их выживаемость.

Если бы вместо чужих трансплантатов мы использовали стволовые клетки самого младенца, стимулируя их дифференцироваться в тимусовые, а затем пересаживая хозяину, отпала бы необходимость в потенциально опасной иммуносупрессии. Затем, если бы удалось заставить эти клетки заполнять каркас, воспроизводящий сложную структуру тимуса, включая адекватную систему его кровоснабжения, можно было бы отказаться от далеко не удовлетворительной по результатам замены этой железы тонким тканевым срезом в пользу близкого к исходному органу "трансплантата".

Достижима ли такая цель в случае именно синдрома Ди Джордже, неясно, поскольку у пациентов с ним попросту слишком мало времени. Однако, если чужой трансплантат способен давать жизнеспособные Т-лимфоциты, увеличивая выживаемость младенцев, родившихся без тимуса, я считаю вполне возможным введение собственных клеток больного, трансформированных в Т-лимфоциты и, если надо, встроенных в более сложную тканевую структуру, в существующий, но атрофированный орган для восстановления его молодой работоспособности.

Аналогичным образом, в нашем сердце существуют клетки, известные как "кардиопрогениторные" (предшественники сердечных) или под некоторыми другими названиями. В лабораторных условиях их можно заставить демонстрировать некоторые молекулярные характеристики стволовых клеток. Однако в организме их дифференцировка в кардиомиоциты ни разу не наблюдалась. Кстати, близкородственные им мезенхимальные стволовые клетки из других частей тела обладают такими же признаками, но стать кардиомиоцитами не способны в принципе.

Как бы там ни было, точно известно: никакие клетки нашего тела не стремятся залечивать массивное поражение сердечной мышцы, вызываемое ее кислородным голоданием при инфаркте миокарда - это с грустью подтвердит вам и любой переживший его пациент, и кардиолог. И опять же, причина этого - скрупулезно проведенный естественным отбором холодный статистический анализ результатов растянувшейся на многие поколения генетической лотереи в доисторической среде обитания. Инфаркт миокарда не убивает тех, кому нет тридцати, следовательно, природе нет никакого резона снабжать наше сердце восстановительным механизмом, который вряд ли понадобится его владельцу до тех пор, пока тот не умрет по какой-нибудь другой причине.

На заре общественных дебатов по поводу ЭСК некоторые респектабельные лаборатории опубликовали доклады о ЭСК-подобной пластичности взрослых стволовых клеток, в частности о способности таких клеток кроветворной системы спонтанно трансформироваться в гепатоциты печени и нейроны головного мозга. Вероятно, самыми многообещающими были сообщения о дифференцировке их в кардиомиоциты после введения в сердце крыс с индуцированным инфарктом миокарда, что приводило к функциональному восстановлению этого органа. Подобные публикации вызвали самый серьезный резонанс: некоторые ученые даже начали клинические испытания на людях: клетки костного мозга инфарктников внедряли в их пораженную сердечную мышцы.

Однако в независимых лабораториях плюрипотентность этих клеток не подтвердилась. В лучшем случае наблюдалось их слияние со зрелыми клетками соответствующих тканей. Это может приносить некоторую пользу, облегчая участь их выживших после поражения клеток, например, благодаря секреции необходимых для рубцевания ростовых факторов или ускорению реваскуляризации пострадавшего участка, т.е. развития в нем новых кровеносных сосудов. Однако, хотя такие эффекты и способны обеспечить небольшое продление работоспособности нашего разваливающегося мотора, кроветворные стволовые клетки не в силах реконструировать его ткань ни у инфарктников, ни просто у пожилых людей, миокарду которых не повредило бы омоложение.

medbe.ru