– Так почему же необходимо создавать человеческие сердца? – спросил я Отта, который находится на переднем крае уникальной области исследований стволовых клеток.
Он объяснил, что медицина стала действительно хороша в решении острых проблем, например травматических повреждений или таких заболеваний, как пневмония. В результате все больше людей выздоравливают после этих острых событий и многие из них доживают до глубокой старости – возраста, когда органы начинают разрушаться.
– Некоторые ткани, например печень или кости, имеют встроенные системы регенерации, – сказал мне Отт. – Но многие органы [скажем, сердце] не обладают способностью к самовосстановлению.
Поначалу это не составляет большой проблемы, так как некоторые из этих органов, к примеру легкие, имеют запас дополнительных клеток. Но этот резерв способен иссякнуть.
– Предельная недостаточность функции органов – это глобальная эпидемия, затрагивающая миллионы людей, – сказал Отт. – То есть, вместо того чтобы погибать в автомобильных авариях, от пневмонии или других проблем, миллионы людей становятся все старше и старше и накапливают обширные повреждения, которые приводят к ухудшению функций.
В результате в последнее время в медицинском исследовательском сообществе произошел серьезный сдвиг в направлениях. Если на протяжении большей части XX века целью было восстановление поврежденных тканей и органов, то сейчас значительные усилия сосредоточены на построении таких органов, как сердце, почки и поджелудочная железа, чтобы заменить оригинальное, но вышедшее из строя оборудование пациентов.
Впервые Отт оказался привлечен к исследованиям стволовых клеток благодаря работе кардиолога Дорис Тейлор в Университете Миннесоты в середине – конце 2000-х годов. Первоначально ее исследования были сосредоточены на восстановлении функции сердца путем пересадки стволовых клеток в сердца подопытных кроликов, перенесших острый инфаркт миокарда. Во время работы Отта в лаборатории Тейлор они выявили, что простое введение клеток в поврежденное сердце недостаточно эффективно и что им нужно будет регенерировать трехмерные структуры, а не просто чинить их. С тех пор Тейлор продолжала свою работу, в конечном итоге став руководителем направления регенеративной медицины в Техасском институте исследования сердца. Тем временем Отт получил место в отделении кардиоторакальной хирургии в Массачусетской больнице общего профиля и должность преподавателя хирургии в Гарвардской медицинской школе.
Отт объяснил, что его нынешние эксперименты основаны на исследованиях в области тканевой инженерии, проведенных в 1990-х годах. В этих исследованиях ученые показали, что можно создать функциональную трехмерную ткань, выстраивая клетки на «лесах» из внеклеточного матрикса, состоящего в основном из коллагена[134]. Внеклеточный матрикс ткани секретируется ее клетками и придает тканям, например костной и хрящевой, их форму и отличительные физические характеристики. Характеристики матрицы, состоящей из коллагена, отличаются тем, что она может растягиваться без разрыва (то есть обладает прочностью на растяжение), не вызывает иммунного ответа (то есть обладает низкой антигенностью) и охотно позволяет другим клеткам (например, миоцитам) расти на себе.
«По образованию я не инженер, – сказал мне Отт. – Поэтому, когда я начал работать над этой темой, вместо того чтобы создавать каркас с нуля, я воспользовался трупными органами».
Отт и его коллеги подвергли трупные сердца процессу, называемому децеллюляризацией, в ходе которого используют специальные детергенты, чтобы растворить все клетки. То, что у них осталось, было гибкой структурой в форме сердца, состоящей исключительно из внеклеточного матрикса на основе коллагена.
Я изучил один из его ранних образцов децеллюляризированного сердца, полученный от свиньи. Он был непрозрачным и абсолютно белым, состоящим из цельных компонентов: коллагена, эластина и фибронектина (молекулы клеточной адгезии, которая связывает клетки с упомянутыми веществами – что-то вроде клея). В целом, однако, оно выглядело как свиное сердце. Меня поразило, что сложная структура передо мной была создана клетками, которых больше не существовало. То, что они оставили после себя, было сердцем с точно сохраненной архитектурой, идеальным каркасом, на котором Отт и его коллеги могли выстроить новое сердце.
Поскольку все клетки удалены и после них остались только структурные белки, каркас не спровоцирует такой же иммунный ответ, как пересаженное сердце. Когда организм распознает клетки как аллогенные – то есть не принадлежащие ему и, следовательно, иммунологически несовместимые, – иммунная система атакует их. Это основная причина отказа от аллотрансплантатов – тех, которые поступают от несовместимых доноров. Однако на основе того, что по сути было пустым шаблоном, исследовательская группа теоретически могла создать совместимый орган, не опасаясь отторжения.
Однако оставался ключевой вопрос: как повторно заселить этот каркас в форме сердца новыми клетками, которые не будут подвержены атаке? Отт объяснил, что его исследования получили огромный толчок благодаря открытию Джона Гёрдона и Синъи Яманаки, лауреатов Нобелевской премии 2012 года, – зрелые клетки можно генетически перепрограммировать в стволовые клетки. Ученые проделали это, введя в зрелые клетки четыре гена, ответственные за поддержание стволовых клеток в незрелом состоянии. Еще лучшей новостью стало то, что полученные клетки оказались не просто стволовыми клетками, а клетками плюрипотентной разновидности. Вы помните, что в зависимости от того, как простимулировать такие стволовые клетки, они способны дифференцироваться в любой из примерно 200 типов клеток, существующих в человеческом организме. Что до того, откуда брать эти зрелые клетки перед обработкой, то чем проще доступ, тем лучше, так что исследователи были в восторге, обнаружив, что фибробласты подходят по всем параметрам.
Фибробласты сосуществуют в миокарде совместно с клетками сердечной мышцы, а кроме того, это самый распространенный тип клеток человеческого тела, их можно обнаружить в соединительной ткани, в частности в дермальном слое кожи. Как уже упоминалось во время обсуждения дарио-рерио, среди прочего эти клетки отвечают за производство структурных белков, например коллагеновых и эластиновых волокон, а также внеклеточного матрикса, материала, не имеющего клеточной структуры, но окружающего клетки. Отт объяснил, что за счет легкости доступа к фибробластам в коже получить их гораздо менее проблематично, чем при биопсии сердца.
Как только фибробласты успешно превращаются в стволовые клетки, а затем в клетки сердечной мышцы, их можно снова высеять на каркасы. Но пока это остается камнем преткновения для Отта. Его команда смогла вырастить небольшие участки сердца и заставить эти клетки сокращаться при стимуляции. Но ученые еще не смогли создать полностью работающее человеческое сердце.
Другие лаборатории, занятые этой проблемой, не пытаются построить новые сердца, но изучают использование аналогичным образом перепрограммированных участков сократительных клеток. Исследователи из Великобритании и Германии под руководством Сиан Хардинг, профессора Имперского колледжа Лондона, смогли вырастить заплатки, состоящие из человеческих миоцитов, которые затем пришили к сердцам живых кроликов, где они стали полностью функциональной тканью сердечной мышцы175. В связи с тем, что вскоре начнутся испытания на людях, есть надежда, что этот метод позволит кардиологам заменить неспособную к сокращению рубцовую ткань, которая образуется после инфаркта миокарда.
Но заплатки из клеток миокарда не создают сердца, и одна из главных проблем, с которой сталкиваются Отт и его коллеги, заключается в том, чтобы заставить перепрограммированные клетки формировать трехмерные структуры, в том числе коронарные кровеносные сосуды, которые потребуются для питания вновь созданных сердец. Эти структуры должны создавать сами клетки, будучи не просто строительными блоками, но и участниками производственного процесса. Невыносимо сознавать, что программы подобного поведения уже есть внутри клетки, закодированные в генетическом портфеле, но по-прежнему недоступны ученым, которые все еще ищут способы запустить это поведение.
Пока Отт с коллегами не смогут «щелкнуть тумблером», они будут импровизировать. Не имея возможности создать кровеносные сосуды с нуля, они решили начать с того же места, с которого они начинают, работая с сердечной тканью: с лесов – в данном случае с участка децеллюляризованного кровеносного сосуда. Как и все остальное сердце, коронарные кровеносные сосуды, которые его снабжают, после того как их клеточные компоненты растворяются, оставляют каркас из соединительной ткани.
– Мы говорим клетке: «Вы – незрелая клетка кровеносного сосуда, и, кстати, вот вам труба. Не могли бы вы просто проложить ее для меня». И клетки это делают, – рассказал мне Отт. – Вот что действительно уникально в наших строительных лесах – в этих децеллюляризованных органах у нас на самом деле есть неповрежденные трубопроводы.
Создание трехмерных структур для замены неисправных человеческих аналогов остается серьезной проблемой. Но использование ранее существовавшего каркаса, в данном случае каркаса соединительной ткани из ранее функционировавшего кровеносного сосуда, не единственное направление исследований, разрабатываемое для ее решения.
Гленн Годетт, биомедицинский инженер из Вустерского политехнического института, также работает над терапевтической регенерацией сердца, но решил использовать совершенно другой тип структуры после того, как один из его аспирантов вернулся с обеда с чем-то удивительным, что он обнаружил в кафетерии.
Я встретился с Годеттом в его лаборатории, чтобы обсудить, что произошло дальше.
Он начал с объяснения того, что любой, кто работает над восстановлением поврежденного сердца, да и любого поврежденного органа, если уж на то пошл