Книга: Основы биоэтики

8.1. Стволовые клетки: типы, источники, этические аспекты использования

8.1. Стволовые клетки: типы, источники, этические аспекты использования

Особое значение в рамках биоэтического дискурса имеет проблема клонирования человека и его органов в контексте развития биотехнологии в медицине 90-х гг. XX в. С одной стороны, интерес человечества к этическим и моральным проблемам, а не только к материальной выгоде научно-технических достижений является прогрессивным. С другой стороны, этика и мораль очень часто используются в качестве аргументов в нечестной конкурентной борьбе производителей научно-технической продукции и различных политических группировок. Нужно быть специалистом во многих областях науки, философии и религии, чтобы отличить истинную морально-этическую проблему от ошибочной или от надуманных аргументов противников прогресса.

С самого детства вследствие травм или болезней нарушаются или разрушаются клетки мышечной, костной, нервной либо другой ткани. Чтобы устранить повреждение, эти клетки нужно восстановить. В процессе восстановления ключевую роль играют так называемые стволовые клетки, расположенные в костном мозге и других органах. Получив сигнал о травме, организм выводит эти клетки в кровеносное русло, направляет к «неполадке» и превращает их в необходимые организму в данный момент клетки: костные, мышечные, печеночные и даже нервные. Иными словами, стволовые клетки – это клетки, не получившие еще специализацию или, говоря научным языком, не прошедшие дифференциацию. Поэтому они могут дифференцироваться в «нужные» в данный момент организму клетки. Запас стволовых клеток в организме не безграничен и быстро теряется с возрастом. Доля стволовых клеток, способных к дифференцировке, в костном мозге в момент рождения человека одна на 10 тыс. кроветворных клеток. У подростков она уже в 10 раз меньше, к 50 годам – одна на полмиллиона, в 70 лет – лишь одна на миллион.

К счастью, стволовые клетки могут быть внесены в организм искусственно. В последние годы опубликовано большое количество работ, подтверждающих, что стволовые клетки, попадая на поврежденные участки самых различных органов, превращаются именно в клетки того типа, который необходим, чтобы залечить повреждение. В пораженном инфарктом сердце они преобразуются в клетки сердечной мышцы – миоциты, в пораженном инсультом головном мозгу – в нейроны и глиальные клетки. Стволовые клетки могут превращаться в клетки печени, костного мозга и т. д.

Основы науки о стволовых клетках были заложены около 30 лет назад советскими учеными А. Я. Фриденштейном и И. Л. Чертковым. В 1999 г. эти клетки «переоткрыли» американские ученые, затем последовало лавинообразное возрастание интенсивности работ в этой области. Пожалуй, такого прорыва в медицине не было со времен открытия пенициллина, ибо человечество может получить «лекарство» от физических травм, паралича, цирроза, инсульта и инфаркта, болезни Паркинсона, инсулин зависимого диабета, болезни Альцгеймера, последствий травм спинного мозга и многих других болезней, ранее считавшихся неизлечимыми. В далекой перспективе – полное восстановление или замена поврежденных органов, причем без иммунного отторжения, возникающего при трансплантации, поскольку такие клетки являются для организма родными.

Чтобы понять, что такое стволовые клетки, коротко рассмотрим процесс индивидуального развития организма. В самом начале жизни человеческий организм представляет собой зиготу – яйцеклетку, оплодотворенную сперматозоидом. В оплодотворенной яйцеклетке содержатся все «инструкции» по превращению ее в тело взрослого человека (при нормальных условиях окружающей среды), закодированные в ДНК.

По мере роста зародыша различные клетки в разных частях его тела приобретают определенную специализацию за счет блокировки некоторых «инструкций» в их ДНК, т. е. идет клеточная дифференцировка. Эти «инструкции» не исчезают, они просто игнорируются клеткой. В данном процессе участвуют сложные регуляторные генетические механизмы отключения определенных участков ДНК. «Включение» и «выключение» определенных участков ДНК должно происходить в правильной последовательности. Информация о ней частично закодирована в самой ДНК, но этот процесс регулируется и цитоплазмой клетки – это эпигенетическая регуляция. Именно поэтому невозможно клонировать динозавров и мамонтов, даже если бы удалось найти их неповрежденную ДНК, поскольку для этого необходима живая материнская яйцеклетка.

Благодаря сложной системе последовательного «включения» и «выключения» участков ДНК клетки костной ткани «используют» только «инструкции» по формированию кости. «Инструкции» для создания крови, нервов, кожи и других тканей сохраняются в ДНК этих клеток, но становятся недоступными. Сходным образом обстоит дело и в клетках других тканей. Но в организме остаются и недифференцированные, по крайней мере, до некоторой степени, клетки. Это – стволовые клетки, в которых многие «инструкции» остаются в рабочем состоянии. Благодаря этому они способны давать начало разным типам тканей.

Различают несколько типов стволовых клеток в зависимости от степени их дифференцировки. Оплодотворенная яйцеклетка называется тотипотентной, т. е. способной дать начало всему организму. В ходе развития она делится на несколько одинаковых тотипотентных клеток, которые иногда расходятся и дают начало монозиготным (однояйцевым) близнецам.

На ранней стадии эмбрионального развития образуется бластоцист — полый шар, стенки которого состоят из клеток. Клетки внешних слоев дают начало плаценте, а внутренних – тканям организма. Каждая из внутренних клеток способна дать начало большинству тканей, но не целому организму, поскольку в них блокирована информация о плаценте. Такие клетки называются плюрипотентными. По мере дальнейшего эмбрионального развития специализация клеток усиливается, и стволовые клетки уменьшают свой потенциал к превращениям. Теперь они могут давать начало лишь нескольким тканям, и такие клетки называются полипотентными.

Таким образом, эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) – это плюрипотентные клетки из внутреннего слоя бластоциста, развившиеся в первые дни после оплодотворения. Из этих клеток можно получить любой орган и любую ткань взрослого организма. Эмбриональные стволовые клетки впервые культивировал в 1998 г. американский ученый Дж. А. Томсон (Висконсинский университет), который обнаружил, что из стволовых клеток, пересаженных мыши, формируются разнообразные ткани. Поэтому дальнейшие исследования эмбриональных стволовых клеток могут позволить разработать методы получения клеток для лечения многих состояний, связанных с повреждением тканей. Они особенно ценны, по-видимому, в тех случаях, когда восстановление естественным путем не происходит (т. е. во взрослом организме, в котором стволовых клеток мало или они уже вовсе отсутствуют).

С помощью стволовых клеток, используя технологию клонирования, схожую с клонированием овечки Долли, можно будет выращивать на заказ человеческие органы или части органов (например, сердечные клапаны), которые не будут отторгаться организмом реципиента. Также возможно помещать эмбриональные стволовые клетки в больные органы, включая мозг, которые будут обеспечивать восстановление поврежденных тканей и органов. Теоретически такие возможности предсказывались давно, но только теперь начинают рассматривать их практическое использование.

Где взять эмбриональные стволовые клетки? Один из их источников – абортивный материал при естественном и искусственном оплодотворении. Известно, что при каждой успешной беременности, которая приводит к рождению живого ребенка, теряется или «самопроизвольно абортируется» несколько эмбрионов (здесь, видимо, неправильно говорить о «выкидыше» в обычном смысле этого слова, потому что очень ранняя потеря эмбриона почти всегда остается незамеченной). Потеря некоторых эмбрионов вызвана генетическими аномалиями развития, а других – внешними физическими факторами или физиологическим либо психологическим состоянием матери. Очевидно, природа предопределила появление «лишних» эмбрионов почти в каждой беременности.

Поскольку эмбриональная стволовая клетка бессмертна и саморазмножается, тогда достаточно удобно в дальнейшем использовать бесконечную клеточную линию ее потомков. Однако время от времени происходящие генетические мутации в эмбриональных стволовых клетках будут передаваться дочерним клеткам и накапливаться в последующих клеточных поколениях.

Именно возможность применения эмбриональных стволовых клеток породила ключевой вопрос дискуссии по биоэтике – допустимость использования клеток, взятых у абортированных или специально клонированных эмбрионов, в биомедицинских исследованиях и лечении. Эту дискуссию мы рассмотрим несколько позже.

Медициной достигнуты большие успехи при использовании стволовых клеток, извлекаемых не из эмбрионов. Стволовые полипотентные клетки находятся в уголках и бороздах нашего мозга, костном мозге и волосяных фолликулах взрослого организма и других тканях. Так, например, биолог К. Дж. Хиу ввел в сердце крыс стволовые клетки, выделенные из костного мозга. Эти клетки дифференцировались в новую ткань сердечной мышцы, которая установила нормальные связи с окружающими участками ткани и стала сокращаться одновременно с ними[69].

Стволовые клетки из участка мозга, называемого гиппокамп, трансплантировали в глаза крысам. Эти клетки самостоятельно перемещались к местам повреждений сетчатки и образовывали новое нервное соединение. Возможно, в будущем это позволит восстанавливать зрение у больных, страдающих возрастной дегенерацией центрального пятна сетчатки, прогрессирующей дегенерацией сетчатки и даже отслоением сетчатки и ретинопатией, вызванной диабетом[70].

Стволовые клетки и другие полипотентные «промежуточные клетки-амплифайеры», найденные в наружном слое волосяных фолликулов, способны давать начало клеткам кожи, которые могут быть использованы для трансплантации[71].

Группе исследователей во главе с А. Пеком удалось вылечить инсулинозависимый диабет у мышей с помощью стволовых клеток из протоков поджелудочной железы. Стволовые клетки в условиях in vitro превращались в структуры, производящие инсулин, – островки Лангерганса. Их вводили под кожу взрослых мышей, страдающих диабетом, и они производили инсулин, функционируя как клетки поджелудочной железы; вокруг них развивались кровеносные сосуды. Приблизительно через неделю мыши уже могли самостоятельно регулировать концентрацию глюкозы в крови.

Источник множества стволовых клеток – кровь из пупочного канатика, использование которой уже показало хорошие результаты при лечении лейкемии. Позже обнаружили, что стволовые клетки крови из пупочного канатика можно ввести мышам после инсульта, и они восстанавливают 50 % ткани мозга. Учитывая множество стволовых клеток в пупочном канатике и тот факт, что эти клетки уже используются для лечения разнообразных заболеваний (например, детской лейкемии), многие ученые предполагают, что в ближайшие годы их уже можно будет применять в лечении последствий инсультов.

Одним из возможных источников стволовых клеток является откачанный жир. Из таких стволовых клеток уже удалось вырастить хрящевую, мышечную и жировую ткани, используя разные питательные среды[72]. Эти исследования представляют исключительную важность, так как свидетельствуют об огромном потенциале гемопоэтических клеток-предшественников и стволовых клеток взрослого организма. Эти клетки не только позволят избежать трудностей, связанных с отторжением трансплантата, но и будут проще поддаваться дифференцировке в нужную ткань.

Исследование стволовых клеток из выпавших детских зубов показало, что они могут превращаться в клетки будущих зубов, одонтобласты, а также нервные и жировые клетки.

Британская фирма, участвовавшая в клонировании овечки Долли, намеревается провести эксперимент на основе нового метода дедифференцировки, т. е. повернуть дифференцировку вспять. Они планируют вернуть клетки кожи взрослого человека в эмбриональное состояние и утверждают, что уже добились такого результата с клетками коровы.

Примеры показывают, что изучение стволовых клеток взрослого организма перспективны. Их использование не вызывает моральных и этических проблем в отличие от использования эмбриональных стволовых клеток, однако имеются отдельные факторы ограничивающие исследования:

• стволовые клетки взрослого организма не являются истинно плюрипотентными, т. е. из них нельзя получить любые органы и ткани организма, а только определенные. Исследования по их дедифференцировке пока только начаты и результаты еще неизвестны;

• в процессе развития организма клетки подвержены различным генетическим нарушениям: соматические мутации, влияние вирусов и многое другое. Они могут быть незаметны в стволовых клетках, но затем сказаться на функции органов и полученных тканей;

• во взрослом организме количество стволовых клеток невелико, а именно взрослому организму они больше всего и требуются (возможно хранение стволовых клеток, полученных из пуповины при рождении и взятых из различных тканей в детском возрасте. Но как быть со взрослыми людьми, у которых нет такого запаса стволовых клеток?);

• вопрос надежного хранения стволовых клеток.

Список вопросов и проблем может быть продолжен; очевидно одно – в настоящее время стволовые клетки взрослого организма не способны решить всех вопросов.

Другим методом клонирования является пересадка клеточного ядра. Пересадка-подсадка ядра яйцеклетки стоит намного ближе к настоящему клонированию, поскольку не ограничивается строго определенными делениями эмбриона и может быть распространена на многие индивидуумы. Решающие достижения в этом направлении были сделаны при помощи метода, впервые использованного ученым Вильядсеном в 1986 г. Совершенно нормальных телят и овец получали путем пересадки единичных бластомер, полученных из 8– и 16-клеточных эмбрионов, в неоплодотворенные яйцеклетки, из которых прежде было удалено клеточное ядро. Бластоциты, полученные таким образом, хорошо сформированные и организованные, затем имплантировали в матку самок-кормилиц для последующего развития плодов.

Недавнее создание овцы Долли – лишь обновленный вариант разрабатывавшейся ранее методики. Значимость же открытия Вильмута и Кэмпбелла состоит не в технологии получения овцы-близнеца, а в доказательстве еще одной способности клетки, а именно возможности зрелой взрослой клетки развиваться до эмбриональной стадии и продуцировать новое живое существо с тем же генетическим набором, что и у исходной клетки[73]. Разработанный ими процесс клонирования можно разделить на пять этапов[74]:

• манипуляции с донорской клеткой: взрослые соматические клетки, взятые из эпителия вымени овцы Финн-Дорсет, помещали в культуральную среду с низким содержанием питательных веществ. Заторможенные таким образом клетки перестают делиться, их гены утрачивают активность;

• манипуляции с яйцеклеткой: в то же время у другой овцы – Блэкфейс – забирали неоплодотворенную яйцеклетку, из которой удаляли ее ядро (и соответственно ДНК), оставляя нетронутой цитоплазму яйцеклетки со всеми действующими механизмами, необходимыми для обычного развития эмбриона;

• слияние донорской клетки и безъядерной яйцеклетки: обе клетки – от овец Финн-Дорсет и Блэкфейс – помещали рядом друг с другом в сосуде с культуральной средой и с помощью электрического разряда вызывали их слияние. В результате ядром клеточного гибрида стало ядро донорской взрослой клетки, а цитоплазма обоих типов клеток слилась воедино. Действие второго электрического разряда заставляет «работать» механизм естественного оплодотворения, использовать весь потенциал яйцеклетки;

• спустя 6 дней сформировавшийся эмбрион, прошедший через ряд клеточных делений, перенесли в матку овцы Блэкфейс;

• в результате завершения беременности у овцы Блэкфейс родилась овечка Долли – генетическая копия исходной овцы Финн-Дорсет.

Описанный эксперимент по клонированию Долли может быть применен в принципе к любому другому виду млекопитающих, включая человека. В настоящее время этим методом получено достаточно большое количество клонов различных видов животных: мыши, овцы, козы, свиньи, быка, лошади, кошки и др. Наряду с улучшением технологии клонирования начато детальное исследование развития таких организмов.

В организме существует множество дифференцированных тканей, которые для своего полного созревания требуют соблюдения условий, учитывающих влияние различных факторов на каждой стадии развития. Это значит, что можно легко размножить клетки одного органа или ткани. Но чтобы воспроизвести весь организм целиком, требуется учесть огромное количество факторов. В эксперименте с овечкой Долли в 277 опытах удалось получить только 29 эмбрионов, выживших более 6 дней, а до дня рождения удалось дойти только Долли. У многих клонированных животных обнаружены пороки развития. Японские ученые установили, что клонированные мыши живут меньше и более подвержены различным заболеваниям. Поэтому необходимы долгие и детальные исследования по клонированию живых существ, прежде чем приступать к клонированию человека[75].