В холодное декабрьское воскресенье 1960 года, за несколько дней до Рождества, Тилл вышел из своего дома в Торонто, чтобы взглянуть на результаты лабораторного опыта. План опыта была прост: мышей подвергали воздействию достаточно высокой дозы радиации, чтобы остановить процесс кроветворения, а затем пересаживали им костный мозг от других особей. Чтобы спасти от смерти, мышам вводили разное количество клеток костного мозга (оттитрованную дозу).
Потом Тилл умерщвлял мышей и производил вскрытие, методично осматривая каждый орган. Костный мозг. Печень. Кровь. Селезенка. Казалось, смотреть было особенно не на что. Но внимательно разглядывая селезенку, Тилл обнаружил крохотные белые наросты – колонии клеток. Он обладал математическим складом ума и поэтому подсчитал количество колоний в селезенке каждой мыши и нанес результаты на график. Количество наростов в точности коррелировало с количеством пересаженных клеток костного мозга. Чем больше клеток переносили, тем больше колоний образовывалось. Что это могло означать? Простейший ответ заключался в том, что число колоний не случайным образом коррелировало с числом пересаженных клеток, добравшихся до селезенки, а скорее являлось количественной мерой специфического типа клеток. Эти клетки способны образовывать колонии в селезенке (признак регенерации) и, по-видимому, в соответствующей пропорции содержатся в костном мозге (поэтому чем больше клеток было пересажено, тем больше получалось колоний-наростов).
Вскоре Тилл и Маккалох поняли, что каждый нарост представлял собой регенерирующий узел клеток крови. Но не абы какой. Эти колонии производили все активные элементы крови: эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. И их было чрезвычайно мало: примерно одна колония на десять тысяч клеток костного мозга.
Тилл и Маккалох опубликовали результаты в статье с прозаическим названием “Прямой способ определения радиационной чувствительности клеток костного мозга нормальной мыши”14 (заметьте, что здесь даже вскользь не упомянуты стволовые клетки) в научном журнале по радиобиологии. “Нужно помнить, что тогда такой работой интересовалась лишь весьма небольшая группа исследователей, – писал Тилл. – Это было до всех экспериментов, которые начались в последующем десятилетии или около того”15. Но инстинктивно Тилл и Маккалох почувствовали, что их результат вскрыл чрезвычайно важный принцип: очень немногие из пересаженных клеток костного мозга, как отважные первооткрыватели, переплывшие океан на самодельном корабле, добрались до селезенки и основали колонии для регенерации крови – всех ее главных клеточных элементов. Научный писатель Джо Сорнбергер описывал это так: “Эта статья отображала совсем новый способ рассуждений о том, как тело создает кровь, не говоря уже о фундаменте возможных выводов для других биологических рассуждений, поскольку, если это справедливо для крови, как тело производит сердечную мышцу или ткани мозга? Однако это [открытие] не сразу покачнуло ось научного мира и осталось в значительной степени не замеченным биологическим сообществом”16.
В начале 1960-х годов Тилл и Маккалох в сотрудничестве с Луисом Симиновичем и Эндрю Беккером углубили исследования колониеобразующих клеток крови. Сначала они обнаружили, что некоторые колонии производили все три типа клеток (эритроциты, лейкоциты и тромбоциты), что соответствует определению мультипотентных клеток. Годом позже они доказали, что каждая колония происходит из единственной “клетки-основателя”. Наконец, когда они выделяли эти колонии клеток из селезенки и пересаживали их облученным мышам, выяснялось, что клетки возвращают способность создавать новые колонии мультипотентных клеток – а это главный признак самообновления.
По сути, они обнаружили клетку, способную давать начало не одной, а многим линиям клеток крови (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов): они нашли кроветворную, или гемопоэтическую, стволовую клетку. Ирвинг Вайсман, ныне возглавляющий программу по стволовым клеткам Стэнфордского университета, прочел первую статью Тилла и Маккалоха о радиационной чувствительности, когда был еще студентом. “Реальное достижение, – говорил он позднее, – заключалось в том, чтобы повернуть идею от «костный мозг – это черный ящик, и мы ничего о нем не знаем» до «костный мозг содержит отдельные клетки, которые могут производить многие типы клеток»”17.
Вайсман вспоминает, как этот эксперимент рикошетом отразился во всех направлениях клеточной биологии. Тилл и Маккалох “перевернули представления людей о крови, главном источнике жизни”. “До экспериментов Тилла и Маккалоха люди думали, что все типы клеток крови происходят от отдельных родительских клеток, – продолжал он. – Но Тилл и Маккалох доказали обратное. «Материнский» эритроцит, «материнский» лейкоцит и «материнский» тромбоцит происходят из одной и той же стволовой клетки18. И эта стволовая клетка продолжает давать начало все новым и новым клеткам – эритроцитам, лейкоцитам и тромбоцитам, пока не создается полностью новая система крови. Влияние на технологию пересадки костного мозга было огромным. Если можно найти такую клетку, можно полностью восстановить всю систему крови”. Из этой стволовой клетки можно создать человека с новой кровью.
И Вайсман начал искать такие клетки. Где обитают стволовые клетки, или клетки-предшественники? Как они себя ведут, какой у них метаболизм, размер, форма, цвет? Вдохновленный экспериментами Тилла и Маккалоха19, Вайсман начал выделять клетки методом проточной цитометрии, разработанным в Стэнфордском университете мужем и женой Леонорой и Леонардом Герценбер-гами. В упрощенном виде проточную цитометрию можно сравнить с окрашиванием клеток цветными карандашами: для каждой клетки свое сочетание цветов (одна синяя и зеленая, другая зеленая и красная) в зависимости от сочетаний белков на их поверхности. В роли карандашей выступают антитела с флуоресцентными метками разных цветов, распознающие разные белки на поверхности клеток. А для разделения клеток на основании окрашивания в разные цвета используется автоматическое устройство.
Вайсман проверил десятки сочетаний маркеров и наконец нашел одно сочетание, позволяющее выделять стволовые клетки из костного мозга мыши20. Как и предсказывали Тилл и Маккалох, эти клетки встречаются редко – реже чем одна на десять тысяч, – но они чрезвычайно мощные. Позднее, когда методика Вайсмана была усовершенствована и появились дополнительные маркеры, ученые смогли выделить одну стволовую клетку крови и полностью регенерировать из нее всю систему крови мыши. Также они сумели выделить одну такую клетку из этой мыши и регенерировать систему крови второй. В начале 1990-х годов Вайсман и другие ученые использовали тот же метод для идентификации человеческих кроветворных стволовых клеток.
Мышиные и человеческие гемопоэтические стволовые клетки похожи друг на друга. Это маленькие округлые клетки с компактным ядром. В покое они в основном находятся в спящем состоянии, т. е. делятся редко. Но в правильной среде под воздействием специфических химических факторов или под влиянием правильных сигналов в костном мозге в них запускается скоростная программа клеточного деления (в 1960-е годы австралийский исследователь Дональд Меткалф одним из первых обнаружил эти химические факторы, обеспечивающие рост конкретных видов клеток из стволовой клетки21). Одна стволовая клетка может создавать миллиарды зрелых эритроцитов и лейкоцитов – и целую систему органов животного.
Весной 1960 года заболела шестилетняя девочка Нэнси Лоури22. Она была темноглазой и темноволосой, с челкой до бровей. У нее изменилась формула крови, врачи обнаружили анемию. Биопсия костного мозга показала, что у девочки была так называемая апластическая анемия – вариант нарушения функции костного мозга. А вот сестра-близнец Нэнси – Барбара Лоури – была в полном порядке. Нормальная формула крови и никаких признаков поражения костного мозга.
Костный мозг производит клетки крови, которые должны регулярно обновляться, так что Нэнси стала быстро угасать. Причины этой болезни часто остаются загадкой (инфекция, иммунная реакция или даже реакция на лекарство), но в распространенном ее варианте там, где должны формироваться новые клетки крови, постепенно накапливаются глобулы белого жира.
Семья Лоури жила в зеленом дождливом городке Такома в штате Вашингтон. Врачи госпиталя при Университете Сиэтла, где лечили Нэнси, не знали, что делать дальше. Ей переливали эритроциты, но количество клеток крови неуклонно сокращалось. Один из врачей был знаком с Донналлом (Доном) Томасом, врачом и исследователем, который пытался пересаживать костный мозг от одного человека другому23. Томас работал в Куперстауне, в штате Нью-Йорк. Врачи из Сиэтла обратились к нему за помощью.
В 1950-е годы Томас пробовал применять новый способ лечения, вводя пациентам с лейкозом клетки костного мозга их здоровых идентичных близнецов. По некоторым признакам можно было заключить, что стволовые клетки крови из костного мозга донора “включались” в костной ткани пациента, но вскоре болезнь возобновлялась. Томас пытался усовершенствовать протокол пересадки стволовых клеток на собаках, но без явного успеха. Теперь врачи из Сиэтла убеждали его попробовать еще раз на людях. Костный мозг Нэнси умирал, хотя в нем не было злокачественных клеток. К счастью, сестры Лоури были идентичными близнецами, полностью гистосовместимыми: костный мозг одной можно было пересадить другой без опасности отторжения. “Удержатся” ли стволовые клетки крови из костного мозга одной сестры в костном мозге другой?
Томас прилетел в Сиэтл. Двенадцатого августа 1960 года Барбаре дали наркоз и прокололи ее бедра и голени толстой иглой пятьдесят раз, извлекая ярко-красный костный мозг. Затем этот костный мозг, разведенный в солевом растворе, потихоньку ввели в кровь Нэнси. Врачи ждали. Клетки нашли дорогу в кости и постепенно начали производить нормальную кровь. К моменту выписки девочки ее костный мозг почти полностью восстановился. В каком-то смысле кровь Нэнси теперь принадлежала ее сестре.