Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Уолперт Льюис (книги бесплатно без регистрации полные .TXT) 📗
5. Как заменяются наши клетки
Как стволовые клетки воспроизводят сами себя
Стволовые клетки обладают функцией самообновления — они могут делиться снова и снова, порождая многие другие типы клеток. Они ежедневно делятся в нашем теле, порождая клетки крови, клетки кожи, клетки, выстилающие наш кишечник, клетки хрящей, даже некоторые нервные клетки и клетки, обеспечивающие работу нервных окончаний. Таким клеткам, как клетки кожи и кишечника, которые постоянно отмирают, все время требуется замена. После деления стволовой клетки одна из образовавшихся дочерних клеток так и остается стволовой, в то время как вторая развивается в специализированную клетку — например, клетку кожи. Стволовые клетки могут делиться и симметрично, то есть так, что обе новые дочерние клетки остаются стволовыми.
Из-за способности к громадному числу делений, равно как и способности порождать самые разнообразные типы клеток, стволовые клетки представляют собой восхитительный многообещающий инструмент, который можно было бы использовать для лечения различных болезней. Они могли бы стать основой регенеративной медицины.
При этом наивысшей способностью развиваться во все существующие типы клеток обладают стволовые клетки, взятые из человеческого эмбриона, — эмбриональные стволовые клетки. Это обстоятельство спровоцировало целую массу этических проблем. Многие люди, которые, зачастую в силу религиозных представлений, считают человеческого эмбриона на ранней стадии его развития и даже саму оплодотворенную яйцеклетку уже готовым человеческим существом, возражают против того, чтобы с эмбрионом проводились какие-либо медицинские манипуляции и из него извлекались клетки.
Следующий набор этических проблем связан с вопросом клонирования. В принципе возможно создать эмбрион с генами какого-то конкретного индивида, поместив взятое из клетки этого человека ядро в яйцеклетку, заранее лишенную ядра, и таким образом получив стволовые клетки, обладающие генами донора. Эти последние достижения клеточной биологии вызвали ряд жарких дискуссий и одновременно открыли новые возможности, — например, весьма вероятно, что благодаря стволовым клеткам будет найден способ заменять нервные клетки пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, или клетки в больном сердце.
Весь этот ажиотаж, связанный со стволовыми клетками, побуждает нас исследовать вопрос о том, как происходит развитие оплодотворенной яйцеклетки. Пока нет ясности в вопросе о развитии яйцеклетки, невозможно квалифицированно судить о том, порождают стволовые клетки и клонирование этические проблемы или нет. Я также постараюсь развеять некоторые заблуждения, из-за которых эти вопросы стали настолько спорными.
Когда выяснилось, что радиоактивное облучение помогает излечивать некоторые виды рака, а трансплантация костного мозга способствует восстановлению клеток крови, уничтоженных радиацией, ученые взялись за изучение механизмов этих процессов. Двое канадцев, Джеймс Тилл и Эрнест Мак-Каллох, провели серию экспериментов, делая различные объемы инъекций клеток костного мозга мышам после того, как они получали смертельную дозу радиации. Джеймс Тилл вспоминает: «Чем больше костного мозга мы вводили, тем выше был процент выживших мышей». Объектом исследования ученых стали кроветворные ткани мышей, и в конце концов Эрнест Мак-Каллох обнаружил странные комочки в селезенках некоторых подопытных. «Мы оба обладали опытом в культивировании клеток, помещенных в искусственную питательную среду, и сразу же подумали о том, что в селезенках мышей возникли новые колонии клеток», — вспоминает Джеймс Тилл.
Им удалось доказать, что странные комочки — это действительно колонии клеток, которые каким-то образом развились из введенных мышам клеток костного мозга. Основываясь на результатах своих экспериментов, Тилл и Мак-Каллох разработали определение стволовых клеток, которое является верным и по сей день: это самовозобновляющиеся клетки, способные к интенсивному размножению и превращению при этом в клетки самых разных типов. Канадские ученые доказали, что стволовая клетка костного мозга может произвести любую клетку крови.
Пересадка костного мозга пациентам, страдающим от лейкемии, осуществляется после того, как стволовые клетки, вызывающие разрастание раковой опухоли, уничтожаются при помощи радиоактивного облучения. Пересадка демонстрирует роль тех стволовых клеток, которые содержатся в донорских порциях костного мозга. Чтобы восстановить работу кроветворной системы организма, их требуется незначительное число. Правда, при этом возникает серьезная проблема — отторжение чужих стволовых клеток иммунной системой организма; это происходит даже тогда, когда эти клетки для пересадки берутся у близкого родственника.
Все наши кровяные клетки берут начало из стволовых кровяных клеток, находящихся в костном мозге вместе с теми стволовыми клетками, которые сформировались у нас в печени, когда мы были эмбрионами. Эти стволовые клетки делятся, и их дочерние клетки способны породить любой из нескольких типов кровяных клеток, имеющихся в нашем организме, — прежде всего красные кровяные клетки.
Стволовые клетки также порождают клетки иммунной системы и другие виды клеток, содержащиеся в крови, — такие, как макрофаги, которые обволакивают и уничтожают чужеродные элементы, попадающие в кровь, например бактерии и вирусы, и тромбоциты, которые обеспечивают свертываемость крови в тех местах, где возникают раны или порезы. Стволовые клетки крови, кроме того, производят клетки, которые играют важную роль в формировании костей, когда в ходе развития зародыша создается костная система или когда выявлено повреждение в кости.
Основным типом клетки, порождаемым стволовыми кровяными клетками, является красная кровяная клетка, которая содержит в себе белок гемоглобин, позволяющий переносить кислород из легких в ткани. Красные кровяные клетки имеют ограниченный срок жизни — около 120 дней, и поразительным является то, что каждую секунду наш костный мозг производит два миллиона новых красных кровяных клеток. Красные кровяные клетки не способны делиться, так как они лишены ядра, митохондрий и некоторых других элементов и в них остался в основном лишь гемоглобин. Продукты жизнедеятельности красных кровяных клеток утилизируются макрофагами.
Откуда стволовые клетки узнают, какой именно тип кровяных клеток необходимо произвести и как развиваются эти кровяные клетки? Стволовая клетка имеет в своем составе гены, позволяющие приступить к формированию новых кровяных клеток; производство какого-то определенного типа кровяных клеток требует провести активацию тех генов, которые нужны для их синтеза, и деактивацию других генов — необходимых для производства иных типов кровяных клеток. Эти процессы контролируются двумя сотнями транскрипционных факторов, управляющих активностью гена. Находящиеся вне стволовых клеток белки контролируют, насколько быстро и часто будут делиться стволовые клетки и какой именно тип клеток разовьется из них. Стволовые клетки получают также сигналы издалека: когда организм чувствуют нехватку кислорода, производство красных кровяных клеток стимулируется гормоном, который вырабатывается в почках.
Внешний слой нашей кожи меняется за время жизни человека около тысячи раз. Это происходит благодаря стволовым клеткам, которые порождают клетки кожи и способны неоднократно повторять этот процесс. Стволовые клетки находятся в глубинных слоях кожи и в основании волосяных луковиц. Они порождают кератиноциты, клетки кожи внешнего кожного покрова, которые перемещаются к поверхности кожи. Белок кератин скрепляет их воедино, благодаря чему они образуют внешний защитный слой. Эти клетки все время отмирают и спадают с нашего тела — они один из источников пыли в доме.
Стволовые клетки, находящиеся в основании волосяных луковиц, могут порождать и клетки волос, и клетки кожи. Слой клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кишечника, также обновляется каждую неделю, и это тоже заслуга стволовых клеток. Еще одним примером являются клетки в носу, способные распознавать запахи. Стволовые клетки, существующие в определенных частях головного мозга, способны порождать нервные клетки. Стволовые клетки располагаются также вблизи наших мускулов, и если мускул повреждается, то они превращаются в новые мускульные клетки.
