В последние полтора десятилетия во всем мире активнейшим образом развиваются работы в области клеточных и геномных технологий. Их называют революцией в биологии медицине и новым вызов цивилизации. Президиум РАН на очередном заседании 26 января 2016 года познакомился с положением дел в этой отрасли науки — научное сообщение «Фундаментальные основы клеточных технологий и их применение в регенеративной медицине» сделал член-корр. РАН Алексей Томилин, зав. лабораторией молекулярной биологии стволовых клеток Института цитологии РАН (С-Пб).
Первые шаги были сделаны в 1981 году, когда британским ученым сэру Мартину Эвансу и Мэтью Кауфману впервые удалось выделить из эмбрионов мыши эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). В 2007 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия. А в 1998 года группе Джеймса Томсона из Университета Висконсина удалось выделить такие клетки из бластоцисты человека. Стволовые клетки надолго стали новой легендой биологии и медицины, их стали называть «эликсиром молодости» и панацеей от множества болезней. Однако в те годы стали очевидны и важнейшие ограничения применения ЭСК в клинической практике. При трансплантации производные чужих ЭСК оставались иммунно несовместимы с организмом реципиента.
Клетки зародыша ранних стадий развития тотипотентны — они могут дифференцироваться в любую ткань будущего организма. В ходе развития организма его клетки постепенно утрачивают «универсальность». Они становятся сначала плюрипотентными, а еще позже — специализированными, ориентированными на выполнение строго определенных функций в организме. Долгое время считалось, что этот процесс необратим.
Первое свидетельство того, что его можно обратить, было получено британским эмбриологом Джоном Гардоном. Он показал, что ядра дифференцированных соматических клеток головастиков, подсаженные в ооцит, «возвращаются» в состояние плюрипотентности и способны дать начало развитию нормального жизнеспособного организма лягушки. Этот опыт подтвердил, что генетическая информация сохраняется неизменной на протяжении всего срока жизни клетки, и может в подходящих условиях быть задействована вновь. Более поздние исследования, основанные на том же принципе, привели к клонированию млекопитающих — появлению на свет знаменитой овечки Долли, клонированной Китом Кэмпбеллом и Яном Вильмутом в 1997 году.
Идея «запустить время вспять» и с помощью серии лабораторных генетических манипуляций изменить судьбу соматической клетки, сделав ее плюрипотентной, подобной клетке зародыша, определила направления работы нескольких мощнейших мировых научных коллективов. «Научную гонку» выиграл профессор Шинья Яманака, директор Центра по исследованию и применению iPS-клеток (Center for iPS Cell Research and Application (CiRA)) Университета Киото. В 2006 году он первым в мире получил из фибробластов мыши индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS). Яманаке удалось первому определить комбинацию из четырех генов, отвечающих за перепрограммирование клеток (клеточную дифференциацию) — так называемый «коктейль Яманаки»: SOX2, KLF4, MYC, Oct4. Год спустя — также впервые в истории — Яманака получил iPS-клетки человека. В 2012 году он получил за эти работы Нобелевскую премию по физиологии и медицине совместно с английским ученым Джоном Гердоном.
Открытие iPS-клеток стало следующим важнейшим открытием, который ведущие научные журналы мира назвали самым прорывным направлением современной биологии и медицины. Член-корр. Томилин отметил, что от результатов, полученных Шинья Яманака, команду докладчика — тогда профессора Алексея Томилина — отделяло примерно полгода работы. И если бы у наших российских ученых было больше ресурсов и возможностей, весьма вероятно, в списке первооткрывателей были бы другие имена и фамилии.
Эти фундаментальные открытия открыли поистине гигантские перспективы в биологии и медицине. Это решение проблемы тестирования лекарственных средств, в том числе и на токсичность. Это возможность моделирования различных заболеваний, например, болезни Паркинсона и других нейродегенеративных заболеваний — воссоздание собственных нейронов пациента из клеток его кожи дает возможность определить, какие именно факторы ответственны за развитие болезни. Открывается потенциал для регенеративной медицины. В Японии уже проводятся клинические испытания воссозданного с помощью iPS-клеток пигментного эпителия сетчатки глаза, то есть, того компонента, который с возрастом или в результате генетических заболеваний деградирует и умирает, вызывая слепоту.
Профессор Алексей Томилин рассказал также об исследованиях различных факторов плюрипотентности, которые ведет возглавляемая им лаборатория молекулярной биологии стволовых клеток Института цитологии РАН — удалось открыть целое семейство новых факторов, регулирующих активность генов плюрипотентности. В частности, исследована активность энхансера, регулирующего работу гена Oct4, считающегося ключевым геном плюрипотентности.
Еще один важнейший аспект работы его лаборатории — обеспечение безопасности в применении iPS-клеток. Существующие методы направленной дифференцировки iPS-клеток позволяют получить клеточные популяции, в которых — помимо предназначенных для лечения болезни дифференцированных клеток — практически всегда присутствуют остаточные количества недифференцированных iPS-клеток. Даже одна такая клетка способна вызвать появление у пациента быстро растущей опухоли — тератомы. Если есть даже крайне низкая вероятность присутствия остаточных плюрипотентных клеток в суспензиях, вводимых пациентам, ни о каком безопасном применении этих клеток в клинической практике говорить нельзя.
Группа профессора Томилина предложила способ решения этой проблемы путем направленной экспрессии особых «генов-самоубийц». Суть его заключается в том, чтобы заставить эти гены проявить активность только в случае, если клетка находится в недифференцированном (тератогенном) состоянии, тогда как после перехода ее в дифференцированное (безопасное) состояние активность гена-самоубийцы резко снижается. Возможно, этот способ позволит приблизиться к безопасному использованию эмбриональных стволовых и iPS-клеток в регенеративной медицине.
Этот метод позволяет даже миновать стадию направленной дифференцировки и вводить пациенту суспензию недифференцированных клеток. Дело в том, что существует описанное для целого ряда патологий естественное явление «хоуминга» — недифференцированные iPS-клетки сами «находят» в организме поврежденные органы и ткани, встраиваются в них и дифференцируются, «ремонтируя» повреждения. Затем, вводя пациенту факторы, запускающие работу «генов-самоубийц», врач сможет уничтожить остаточные недифференцированные клетки прямо в его теле, не причиняя никакого вреда другим клеткам.
Однако и тут существуют проблемы. Дело в том, что введение «суицидальной кассеты», в виде особого вируса или трансгена, может вызвать нарушения в работе хозяйских генов, в том числе и генов, защищающих клетку от ракового перерождения. Профессор Томилин предлагает другой способ доставки «гена-самоубийцы», использующий другую систему векторов — искусственные хромосомы человека. Есть два типа этих хромосом. Один из них получен путем усечения 21-й хромосомы человека до минимального состояния, содержащего только теломеры и центромерную область и другой. Другой, более новый вариант — собранные in vitro хромосомы, способные поддерживать себя в условиях немодифицированного генома. Использование этих хромосом можно контролировать и оно дает хорошие результаты.
Неожиданные результаты дало исследование гена Oct4, отвечающего за состояние плюрипотентности на раннем этапе развития организма. На сегодняшний день все данные говорят о том, что его функция ограничена либо плюрипотентными клетками, либо первичными половыми клетками. Этот ген не несет никакой функции в соматических клетках. Но есть одно важное исключение, которое недавно обнаружили исследователи из лаборатории профессора Томилина совместно с лабораторией доктора Гарри Оуэнса из Университета Вирджинии. Оказывается, у гена Oct4 есть особая, ранее не исследованная функция, определяющая его роль в развитии патологии атеросклеротической бляшки и указывающая на его атеропротективную функцию. Это очень важный результат, сулящий огромные перспективы в профилактике и лечении атеросклероза и сердечнососудистых заболеваний человека.
Докладчик остановился также на необходимости создания в России особого банка клеточных материалов. Российская наука должна инициировать вопрос о вхождении России в международную некоммерческую организацию Global Alliance for iPSC Therapies (GAiT), чьей главной задачей является создание международного «Гаплобанка» глобального ресурса генетически типированных iPS-клеток. На Институт цитологии РАН была возложена роль представлять Россию в GAiT, в Санкт-Петербурге в апреле 2016 г. состоится следующая сессия GAiT. Участие России в создании своего подразделения «Гаплобанка» позволит ей быть на переднем крае этого прорывного направления биомедицины.
Доклад вызвал огромный интерес, и те, кто выступил в его обсуждении, отметили, что работа с эмбриональными стволовыми и iPS-клетками — это далеко не предел в биологии и биомедицине. Существуют и другие подходы, и один из них — это прямая дифференцировка. Иначе говоря, если мы можем, изменяя экспрессию генов, из фибробласта получить клетки ранней стадии зародыша, а потом сделать его нейроном, почему мы, направленно изменяя экспрессию генов, не можем из фибробласта получить нейрон сразу, минуя стадию плюрипотентности? Таких работ сейчас около двух десятков, откровенно доказательных результатов нет, но в этом направлении идет работа.
Еще одно достижение клеточной биологии — это редактирование генома. В течение трех лет методика редактирования генома признавалась методикой года. Сейчас практически каждая работающая на серьезном уровне лаборатория может изменить геном. Это открывает путь к победе над наследственными заболеваниями. Сочетание клеточных и репродуктивных технологий вместе с редактированием генома, с одной стороны, открывает совершенно уникальные возможности победы над наследственными болезнями, а с другой стороны, создает опасность редактирования человеческого зародыша — эта тема стала объектом бурного общественного обсуждения.
Безопасность применения в медицине плюрипотентных клеток возможна только на основе четкого законодательства. Отсутствие этого закона сдерживает развитие биомедицины, потому что пока его нет, то нет и представления об инвестициях государства в эту область науки — клеточный продукт отсутствует, как нормативно-правовое понятие, поэтому государство не вкладывает в него деньги.
Для проведения дальнейших исследований, для того, чтобы не отставать от мирового уровня, у нас в стране нужна «критическая масса» лабораторий и людей, которые это делают. А сейчас их у нас пять на всю страну — работающих и публикующихся на международном уровне. От того, насколько государство способно понять и оценить эти исследования, зависит качество отечественной медицины ближайшего будущего.
На заседании Президиума РАН были также рассмотрены вопросы о присуждении ряда престижных научных наград, в том числе Большой золотой медали Российской академии наук имени М.В. Ломоносова 2015 года. Президиум РАН постановил присудить Большую золотую медаль Российской академии наук имени М.В. Ломоносова 2015 года академику Леониду Вениаминовичу Келдышу, а также доктору Полу Коркуму (Канада).
Кроме того, на заседании был рассмотрен вопрос о проведении Общего собрания членов РАН 22 и 23 марта 2016 года.
Наконец, члены Президиума выслушали также отчетный доклад главы Уральского отделения РАН академика В.Н. Чарушина о выполнении государственного задания в 2015 году.
