Отвечающие за регенерацию тканей у взрослых стволовые клетки, которые воспроизводят клетки крови, внутренней поверхности кишечника, кожи, нервов, могут породить лишь весьма ограниченное число разновидностей новых клеток. Они способны действовать только в весьма специфической среде — им требуется для функционирования особая ниша; хотя стволовые клетки крови присутствуют в крови, там они действовать не могут. Но можно ли заставить эти стволовые клетки производить те разновидности клеток, которые они обычно не производят? Могут ли стволовые клетки крови порождать, например, нервные клетки? Некоторые исследователи утверждают, что при изменении условий стволовые клетки на это способны. Промелькнуло сообщение о том, что нервные стволовые клетки, пересаженные мыши, породили в ее костном мозгу стволовые кровяные клетки, которые стали в свою очередь делиться и создавать клетки крови. Однако достоверно подтвердить эти данные не удалось.
Другие исследователи заявляли, что когда они культивировали клетки костного мозга в искусственной питательной среде, то те вели себя так, словно они могли породить иные разновидности клеток, не относящиеся к клеткам крови. Однако эти данные также не поддаются убедительному подтверждению. Заявления о том, что стволовые клетки крови могут регенерировать поврежденные ткани печени, возникшие вследствие наличия дефектного гена, были вызваны в действительности тем, что введенные в организм стволовые клетки смешивались с клетками печени и обеспечивали их здоровыми генами.
Стволовые клетки эмбриона не сталкиваются с подобными проблемами. Они значительно отличаются от тех клеток, которые позволяют обновлять ткани взрослого человека. Их способность превращаться в практически любые типы клеток почти неограниченна: они могут произвести любой тип клеток нашего тела. Каждая наша клетка произошла от этих стволовых клеток, когда мы были эмбрионами. Стволовые клетки эмбриона, взятые из тканей эмбриона на ранней стадии его развития, способны создать любые типы тканей нашего тела, и поэтому их относят к числу клеток, обладающих мультипотенцией.
Если эти клетки поместить в искусственную питательную среду и снабдить нормальным питанием, то он начнут безгранично разрастаться, делясь каждые двенадцать часов. Более того — и это самое важное, — они сохранят при этом мультипотенцию. Видоизменяя условия искусственной среды, в которых растут и размножаются эмбриональные стволовые клетки, можно заставить их развиться в специализированные типы клеток — нервные, мышечные и клетки крови. Стволовые клетки эмбриона мыши могут даже породить яйцеклетки.
Ученым лишь частично понятно, каким образом поддерживается мультипотенция этих клеток. Чтобы не позволить стволовым клеткам развиться в различные типы клеток и сохранить их способность к самовоспроизводству, необходимы соответствующие гены, которые уже удалось идентифицировать, и питательная среда.
В большинстве экспериментов забор стволовых клеток из эмбриона, находящегося на ранней стадии развития, приводил к его гибели. Однако при наличии правильно подобранной искусственной среды можно забрать от эмбриона, не нанеся ему никакого вреда, всего одну стволовую клетку и впоследствии превратить ее в целую культуру клеток.
В принципе стволовые клетки, взятые от эмбриона, могут использоваться для целей восстановительной медицины и восстанавливать функции ткани, когда определенные типы клеток отсутствуют или повреждены. Возможно, наиболее важное потенциальное применение человеческих стволовых клеток — воспроизводство на их основе клеток и тканей для использования в клеточной терапии. Сейчас для того, чтобы заменить состарившиеся или пришедшие в негодность органы, применяются донорские органы и ткани, однако потребность в них значительно превышает предложение. Стволовые клетки же способны дать возобновляемые источники клеток и тканей и послужить победе над болезнями Паркинсона и Альцгеймера, поражениями спинного мозга, инсультами, заболеваниями сердца, диабетом, остеоартритом и ревматоидным артритом.
Болезнь Паркинсона обусловлена постепенной утратой особого набора клеток, которые используют химическое вещество допамин, чтобы передавать сигналы другим нервам. Она приводит к тремору и потере равновесия. Пересадка эмбриональных стволовых клеток, которые вырабатывают допамин, вызывает значительное улучшение состояния пациентов. Однако пока все еще не получается с помощью стволовых клеток выращивать у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, утраченные нервные клетки.
Обнадеживающие результаты дала пересадка стволовых клеток пациентам с травмами спинного мозга, которые приводят к обездвиживанию и потере ощущений, хотя механизм наступающих улучшений понятен не до конца. Замена утраченных или поврежденных нервных клеток является крайне актуальной проблемой, и в этой области ведутся обширные исследования.
Эксперименты на мышах дали результаты, которые позволяют предположить, что со временем появится возможность использовать эмбриональные стволовые клетки для замены мускулов и сердечной мышцы, а также для лечения диабета первого типа, заменяя производящие инсулин клетки.
Но какими бы обнадеживающими ни были результаты экспериментов, необходимо помнить, что опыты на мышах показали: на месте инъекции эмбриональных стволовых клеток в кожу мыши появляется опухоль, состоящая из разных типов клеток. Поэтому стволовые клетки следует вводить в человеческий организм с чрезвычайной осторожностью. Существует и проблема отторжения чужих стволовых клеток иммунной системой человека.
Один из способов преодолеть проблему отторжения видят в изменении генетической конституции эмбриональных стволовых клеток таким образом, чтобы они не рассматривались организмом как чужие. Этого можно добиться за счет пересадки клеточного ядра, взятого из клетки пациента — причем из любой, даже из клетки соединительной ткани, — в яйцеклетку. Если этот метод сработает, станет возможным взять у эмбриона на ранней стадии развития стволовые клетки, которые будут иметь ту же генетическую конституцию, что и клетки самого пациента. Такие стволовые клетки не вызовут реакции иммунного отторжения. Но несмотря на то, что в последнее время достигнуты успехи в экспериментах как на клеточном материале людей, так и высших приматов, оказалось весьма непросто добиться последующего развития яйцеклетки с пересаженным в нее ядром чужой клетки.
Другой вариант преодоления иммунного отторжения — создание стволовых клеток на базе обычных клеток пациента. В этой сфере достигнут значительный прогресс. Идентифицированы гены, которые должны быть активированы, чтобы клетка приобрела характеристики эмбриональной стволовой клетки, — их оказалось всего четыре. В ходе экспериментов установлено, что клетки, обладающие характеристиками эмбриональных стволовых клеток, могут быть созданы из клеток кожи человека или мышей при помощи вируса, который введет в них эти четыре ключевых гена, и тогда они станут кодировать белковые транскрипционные факторы. А транскрипционные факторы, в свою очередь, активируют гены, чье воздействие необходимо, чтобы обычные клетки заработали как стволовые. Это позволит создать высококачественные клетки из клеток тела, которые сравнимы с эмбриональными стволовыми клетками по форме, распространению и генетической составляющей.
Правда, есть опасность, что эти клетки из-за участия в их создании вируса могут привести к формированию опухоли. Поэтому ученые подходят к перспективе их использования в медицине очень осторожно.
В общем, требуется еще немало времени, чтобы изучить молекулярные основы перепрограммирования обычных клеток в стволовые и отыскать молекулы, которые смогут перепрограммировать клетки, не передавая им при этом потенциально вредоносные гены наподобие тех, что содержатся в вирусах. Имеются, например, обнадеживающие данные о возможности создания эмбриональных стволовых клеток из мужских яичек. Если подобные исследования увенчаются успехом, это будет равносильно превращению свинца в золото.
Последние достижения в сфере клеточной биологии спровоцировали возражения со стороны религиозных групп — давление ощутили даже области патентного права и законодательства. В 1988 году ученые из университета Висконсина создали технологию, позволяющую выделять и выращивать в искусственной среде человеческие эмбриональные стволовые клетки, и запатентовали ее вместе с набором придуманных ими практических методов. В апреле 2007 года патентное бюро США по моральным соображениям отменило решение о регистрации этого патента. Однако позже это решение пересмотрели, и регистрация патента вновь была подтверждена.
Проблему нехватки человеческих яйцеклеток, накладывающую ограничения на производство эмбриональных стволовых клеток для разного рода экспериментов, можно решить, создавая клетки-химеры. Есть возможность создавать человекоподобные эмбриональные стволовые клетки, добавляя гены человека в яйцеклетки животных, например коров. Ядро из обычной человеческой клетки (скажем, клетки подкожной соединительной ткани) можно трансплантировать в яйцеклетку коровы и затем выделить эмбриональные стволовые клетки на ранней стадии развития эмбриона. При этом все ключевые гены такой клетки будут человеческими и лишь несколько генов, которые задают коды белков в митохондриях, будут взяты от коровы. Выделенные таким образом клетки могут стать весьма ценным материалом для изучения генетических заболеваний человека. Британские власти поддерживают исследования, которые проводятся подобным образом, хотя некоторые религиозные группы и протестуют против этого.
Многие возражения против забора эмбриональных стволовых клеток из эмбриона на ранней стадии развития основаны на том, что эмбриону может быть нанесен ущерб и он может даже погибнуть, — это, дескать, равносильно тому, чтобы убить человека. Для некоторых групп протестующих решающим является то соображение, что в данном случае эмбрион создается непосредственно для исследовательских целей, — таким образом, по их мнению, ставится эксперимент над человеком.