Неограниченные возможности

За исследование стволовых клеток присуждено несколько Нобелевских премий, и наша лаборатория работает по всем этим направлениям. Впервые это произошло в 2007 году (премия была вручена Марио Капекки, Мартину Эвансу и Оливеру Смитису "за открытие принципов введения специфических генных модификаций у мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток", прим. ред.), хотя эмбриональные стволовые клетки мыши были открыты в 1981 году. Позже, в 1998 году, ученым удалось получить эмбриональные стволовые клетки человека. Это было технологическим прорывом.

Сегодня эмбриональные стволовые клетки — лишь частный случай плюрипотентных стволовых клеток, обладающих колоссальными, неограниченными возможностями. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) можно получить при помощи технологий репрограммирования, за которые и была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году. Технология репрограммирования подразумевает, что можно взять клетку взрослого человека, ввести в нее с помощью генетических манипуляций четыре белка — фактора транскрипции, определяющих плюрипотентное состояние. Через какое-то время клетка взрослого человека "омолодится", перейдет в эмбриональное состояние и приобретет свойства плюрипотентности.

Таким образом, можно взять кусочек своей кожи, репрограммировать, а потом из полученных плюрипотентных клеток вырастить абсолютно новый организм. Аналогичный эксперимент был успешно проведен на мышах. Брали клетки из хвоста мышки, одну из них репрограммировали, а затем из единственной iPSC вырастало целое животное.

Что это дает в плане медицинских технологий?

У каждого сегодня живущего человека можно взять клетку кожи, крови, репрограммировать до плюрипотентного состояния, а из этих плюрипотентных стволовых клеток в лабораторных условиях получить тот или иной специализированный вид ткани, в котором нуждается пациент. Например, кардиомиоциты — клетки сердечной мышцы, или сетчатку глаза.

Кардиомиоциты, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Видео предоставлено лабораторией генетических основ клеточных технологий Института общей генетики РАН.

К примеру, Синья Яманака планирует начать клинические испытания по терапии макулодистрофии сетчатки с помощью клеток пигментного эпителия, полученных из iPSCs. Мы занимаемся аналогичными исследованиями. Некоторое время назад к нам обратилась семья, несколько поколений которой страдает генетическим заболеванием под названием макулодистрофия Штаргардта. При этой болезни потеря зрения начинается уже в среднем возрасте. У членов этой семьи мутация, вызывающая заболевание, не была определена — ее нет в списке известных мутаций.

Из клеток кожи были получены их персональные iPSCs. Как и Яманака, который, кстати, ссылается на нас в своих работах, мы можем из плюрипотентных клеток получить сетчатку и пигментированный эпителий глаза. Из iPSCs мы вырастили глаз в миниатюре, на ранних стадиях его развития — он действительно выглядит как глазик. Тогда мы стали изучать, экспрессия каких генов в модели глаза больного отличается от нормы, и нашли мутировавший ген, из-за которого происходит дегенерация фоторецепторов и пигментированного эпителия. Сейчас надо провести дополнительный эксперимент и убедиться, что именно этот ген вызывает заболевание, хотя мы в этом уверены на 99,9 процента.

В дальнейшем мы планируем исправить обнаруженную мутацию в индуцированных плюрипотентных стволовых клетках пациентов — весь инструментарий для этого есть. На сегодняшний день существует возможность проводить в них любые генетические манипуляции, в том числе замену генов. После этого мы дифференцируем исправленные iPSCs в клетки пигментированного эпителия ретины и таким образом получим "правильную" ткань — генетически отреставрированные клетки для трансплантации пациенту.

В октябре, когда были объявлены лауреаты премии, в документе Нобелевской Ассамблеи Каролинского института было сказано, что индуцированные плюрипотентные стволовые клетки можно использовать для поиска новых лекарств.

Да. Возьмем, например, такое заболевание, как хорея Гентингтона. Оно возникает из-за увеличения числа повторов в гене белка хантингтина, из-за чего в клетках вырабатывается белок неправильной формы. Это, в свою очередь, приводит к гибели нейронов головного мозга.

Мы можем взять у пациента с хореей Гентингтона клетки кожи, в генетическом материале которых содержится такое же количество повторов в гене хантингтина (этот ген не работает в клетках кожи, поэтому они вырастают здоровыми), и получить из них iPSCs. Затем следует дифференцировать плюрипотентные клетки в тот тип нейронов, который страдает при этом заболевании, и посмотреть, чем физиология нормы отличается от физиологии патологии. После этого можно определить, какие существующие химические соединения помогут нормализовать эти физиологические изменения. Такой персонализированный подход особенно важен для болезни Гентингтона, потому что количество повторов сильно варьирует. Вот схема создания модельной системы для поиска лекарственных препаратов.

Другой пример — из-за кардио- и гепатотоксичности на первой фазе клинических испытаний сразу отбраковывается 30 процентов лекарственных средств. Это происходит, потому что их тестируют на неадекватных моделях — на образцах тканей кроликов. Теперь же стало возможным из эмбриональных или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток получить кардиомиоциты и на них — на нормальных человеческих клетках - испытать новый препарат.

Тогда мы сможем перейти к принципиально новым системам тестирования лекарств, при которой совсем исчезнет или сократится первая или вторая фаза клинических испытаний, потому что проверка безопасности будет проводиться на более адекватной системе. Сократится время исследований и снизится стоимость препарата. Ведь на эти 30 процентов средств, сошедших с дистанции, ежегодно тратится около 8 миллиардов долларов.

Самое основное, что дала разработанная нынешними Нобелевскими лауреатами технология репрограммирования — она позволила достаточно простым и незатратным способом получать персональные плюрипотентные стволовые клетки, для которых уже существуют методики выращивания специализированных клеток и тканей организма, в которых можно проводить генетическую коррекцию патологии и которые позволяют понять механизмы возникновения заболеваний. Все это позволяет назвать iPSCs  фундаментом персонифицированной медицины.