Предизвикателството
Yasuhide Furuta се нуждае от стабилни ръце при дисекция на миши ембриони. Бледите деветдневни бучки са с размер два милиметра. Плуват в малка пластмасова купа, пълна с розова течност. Фурута се търкаля под микроскопа в офисния си стол, купа в ръка.
Подобно на повечето учени, японецът е облечен небрежно: генетичен мотив върху тениската и дънките му. Всички го наричат Яс. Яс - д-р Фурута - работи в университета Вандербилт в Нешвил, Тенеси, град, известен с кънтри музиката. Очевидно биологът от Далечния изток не се е приспособил към местните музикални вкусове. На бюрото му има класически компактдиск: Сметана.
Искам да видя учените да изучават образуването на органи. Дисекцията на ембриони е част от ежедневието на тази гилдия. Яс търси сигнална молекула, която задейства образуването на определен орган. През последните пет години учените откриха някои от тези сигнални молекули. Сега няколко американски компании се опитват да превърнат откритията в пари. Зад това се крие спираща дъха идея: ако тези протеини могат да контролират образуването на органи в ембриона - защо не и при възрастния? Защо не би било възможно да се възстановява загубена или повредена тъкан - от кожа на ръка - за цял живот?
Яс внимателно поставя купата под микроскопа. Това е едно от устройствата, които двама души могат да разгледат едновременно. Ембрионите се огъват в U-образна форма. Виждам главата, торса и крайниците. „Скоро щяха да умрат, още в утробата“, казва Яс. Липсва им генът, който произвежда жизненоважния растежен фактор BMP4 (костен морфогенен протеин 4). Яс иска да разбере дали BMP4 е сигналната молекула, която контролира образуването на очната леща.
Той подреди ембрионите един до друг с помощта на фина стоманена игла. След това отрязва главата на първата и намалява наполовина тъканта. В невероятна прецизна работа той поставя мъничко топче, напоено с BMP4, в развиващото се око на половината. След това поставя и двете парчета върху културна среда, където те продължават да растат. Само половината с BMP4 ще започнат да формират едната леща няколко дни по-късно, другата няма. Не, от окото на Петри не се взира нито едно око. Но под микроскопа лещата може да се види като стъклено топче.
Яс ‘шефът, британският проф. Бригид Хоган, е опитен биолог за развитие и експерт по BMP сигнални молекули. Тя не вярва, че човешките лещи ще бъдат регенерирани в скоро време: „Няма пари за това. В края на краищата можете да живеете доста добре с очила или контактни лещи. “За да забогатее, Яс трябва да е избрал друга сигнална молекула, например BMP2 или BMP7. Тези двамата могат да стимулират образуването на кости и това е доходоносен бизнес.
Creative Biomolecules на Hopkinton, Massachusetts, предлага BMP7, който той нарича Osteogenic Protein-1 (OP-1) по патентни причини. Подобно на повечето сигнални молекули, BMP7 няма нито една функция в ембриона. Той е отговорен и за образуването на бъбреците. И когато изгражда скелета, той гарантира, че ребрата, пръстите и черепът получават правилната форма.
Може ли BMP7 да помогне за растежа на нови бъбреци и при възрастни? Проф. Марк Шарет, директор на научноизследователската и развойна дейност в Creative Biomolecules, трябва да ме разочарова: „За съжаление засега няма признаци за това. Но протеинът облекчава тежките бъбречни заболявания. “Компанията все още не се опитва да отглежда нови ребра или пръсти. Засега BMP7 трябва да помага само за излекуване на счупени кости. Нанася се върху местата на фрактури заедно с колаген - подобно на лепило съединителнотъканно вещество - и стимулира костта да се регенерира.
Клиничните изпитвания в САЩ вече са завършени. Партньорската компания на Creative Biomolecules, Stryker, скоро ще кандидатства за одобрение. Но тези компании не са единствените, които искат да използват биологични молекули за развитие за отглеждане на кости. Институтът по генетика в Кеймбридж, Масачузетс, предлага BMP2 за същата цел. И трета компания, Ontogeny, също в Кеймбридж, разчита на протеините от семейство таралежи („Таралежите изграждат бебе“ на стр. 73). Никъде другаде по света компаниите за биологични и медицински технологии не се събират толкова плътно, както тук в Кеймбридж и в съседния Бостън.
Там посещавам проф. Клиф Табин в Харвардското медицинско училище. Табин е един от многото изследователи на таралежи в научния съвет на Онтогени. Всеки, който работи в биологията на развитието тук на Longwood Avenue, има клиничното приложение точно пред очите си: болници наоколо, лекари и медицински сестри на улицата, които дори не свалят роклите си за обяд.
„Вярвам, че сигналните молекули от ембрионалното развитие могат да се използват клинично“, казва д-р. Андреа Ворткамп. Германецът е служител в лабораторията на Клиф Табин и специалист в „Индийски таралеж“. „Изследвахме миши ембриони след раждането и открихме протеина от индийския таралеж в зоните на растеж на костите. Вероятно ще бъде активен по-късно, докато крайниците растат. Може би би могло да се използва за въздействие върху растежа на костите. “Заедно с Boehringer Mannheim в Германия, Ontogeny се опитва да доведе индийския таралеж в клиниката като средство за лечение на костни фрактури, които трудно се лекуват. Клиничните изпитвания трябва да започнат през следващите пет години.
От другата страна на река Чарлз, в Кеймбридж, има и други изследователи на таралежи, не в болнична обстановка, а в почтения кампус на Харвардския университет. Ontogeny също предлага своите резултати. Един от тях е Анди Макмеън, който изобщо не прилича на професор от Харвард. Британецът с разхвърляната коса предпочита да носи екипировка за тренировки и има състезателен мотор, закачен на стената в офиса си.
„Открихме, че мъжките мишки, които нямат пустинен таралеж, са стерилни“, обяснява той. „Пустинният таралеж е отговорен за образуването на сперматозоиди в ембриона, вероятно и при възрастен мъж.“ Следователно Онтогени иска да развие сигналната молекула като терапевтично средство срещу безплодие.
Третият таралеж протеин, "Sonic Hedgehog", който е най-важен за ембрионалното развитие, би трябвало да регенерира нервните клетки при пациентите на Паркинсон, които произвеждат липсващото вестоно вещество допамин. В ембриона Sonic Hedgehog стимулира образуването на съответните части в мозъка. Дорос Платика, управляващият директор на Ontogeny, обяснява: „Соник таралеж може да отгледа някои в новородени мишки, които нямат нервни клетки, произвеждащи допамин“. Позволете на пациентите с инсулт да развият нови нервни връзки.
Sonic Hedgehog и неговата закърпена рецепторна молекула също участват в образуването на кожата в ембриона. Тяхното взаимодействие е важно дори при възрастни - ако загубят равновесие, се развива рак на кожата. От друга страна, Онтогени се опитва да намери средство със сигналните молекули. И има и други цели: С помощта на Sonic Hedgehog and Patched изследователите на Ontogeny се опитват да отглеждат кожа, например при изгаряния. Неконтролираният растеж от своя страна обаче води до рак.
Следователно други компании разчитат на така наречените процеси на тъканно инженерство. Те позволяват на клетките да растат в подходящи форми с помощта на хранителни разтвори и полимерни скелета. Advanced Tissue Sciences в La Jolla, Калифорния се опитва да произведе изкуствена дерма, долната част от двата слоя, изграждащи кожата. Твърди се, че помага, например, за заздравяване на язви на краката при диабетици.
Органогенезата в Кеймбридж вече е по-далеч. Компанията има одобрение за предлагане на пазара на изкуствена кожа, съставена от двата слоя - епидермис и дерма. Съседният гензимен ремонт на тъкани възстановява хрущяла в коляното. Неговите изследователи вземат хрущялни клетки от пациента, умножават ги в клетъчна култура и ги инжектират обратно. Лекари като Джон Ваканти от детската болница в Бостън експериментират с нарастващи хрущялни клетки на полимерни скелета във формата на ухо.
„Смята се, че частите на тялото, които непрекъснато се регенерират - кожата, кръвта, костите или мускулите, имат стволови клетки като тази“, обяснява Мелтън. "Досега обаче са идентифицирани само стволовите клетки на кръвта", казва той. Съществуват обаче индикации, че стволовите клетки се намират и в много други органи - или клетки, които запазват подобен на стволови клетки статус през целия си живот. Пример за това е черният дроб.
Ако част от черния дроб е загубена в резултат на злополука или операция на рак - това може да достигне до деветдесет процента - останалите чернодробни клетки заместват загубата, докато органът е със същия размер, както преди. Тогава те спират да растат сами. Кой или какво казва на чернодробните клетки, когато е достатъчно, все още е загадка за изследователите. Може да има нещо общо със съединителната тъкан, която структурира черния дроб в отделни лобове, заедно със сигнали от кръвоносната и нервната система, с растежни фактори и хормони. Според проф. Юрген Нисинг от Университета в Марбург, експериментите с животни вече са успели да трансплантират отделни чернодробни клетки в тази структура на съединителната тъкан, която след това е нараснала отново в пълен черен дроб.
В момента професор от Харвард Мелтън се опитва да намери стволови клетки в панкреаса. Какво се случва, ако това успее? В близост до лабораторията, където Яс отглежда очи на мишките си, намирам биолог, който изучава формирането на панкреаса: британецът Крис Райт. Очевидно той има толкова много работа с него, че лагерува временно в офиса, както разкрива навит матрак.
„Ако сте имали стволовите клетки, можете да изпробвате сигналните молекули от ембрионално развитие върху тях“, обяснява той. Може да се види в кои клетъчни типове се диференцират и по този начин например да се получат панкреатични клетки за производството на инсулин. Но дали един ден триизмерни части от органи също ще могат да растат в лабораторията - с правилната форма, снабдявайки кръвоносните съдове - днес никой не знае. Развитието на органи в ембриона все още не е изследвано достатъчно добре за това. „Тепърва започваме да разбираме какво правят отделните сигнални молекули. Но все още не разбираме тяхното взаимодействие. "
Но Райт е оптимист. „През последните 15 години настъпи революция в биологията на развитието. Тогава никой нямаше представа за гените и молекулите, които предизвикват подобни процеси. Може би подобна революция в знанието ще се случи през следващите 15 години и регенерацията на органите ще бъде възможна. "
Вече има подходи за това, отново с черния дроб. Естествената им способност да се регенерира досега се е провалила в органи, които са били отровени през цялото време, например чрез хронична злоупотреба с алкохол. При такъв циротичен черен дроб съединителната тъкан също се втвърдява и свива. Трансплантацията на чернодробни клетки сама по себе си няма ефект в такава среда и те умират. Но ако добавите правилните сигнални молекули към тях, тогава можете - поне в експерименти с животни - да оставите клетките да растат във вид втори черен дроб.
Други учени вървят по съвсем различни начини. Те не търсят сигнални молекули в миши ембриони или стволови клетки в човешки тъкани. „За да се разбере регенерацията, трябва да се изследват животните, които могат да се регенерират: например тритоните“, казва Джеръми Брокс, професор в Университетския колеж в Лондон. Той не вярва, че скоро ще бъде възможно да се регенерират човешките ръце или крака. „За целта клетките трябва да образуват сложна форма от различни клетъчни типове - мускули, кости, вени, нерви. Под въпрос е дали това някога ще проработи. "
Brockes търси молекулите, които контролират регенерацията на клетките на сърдечния мускул в тритони. "Ако се окаже, че способността на клетките на земноводните да се делят се основава на един-единствен молекулярен сигнален път, който е блокиран при по-висшите живи същества, тогава може да се опита да реактивира този сигнален път при хората и по този начин може би да регенерира болен сърдечен мускул."
Междувременно Яс не е особено успешен с очните лещи на мишките си. Неговите експерименти показват, че въпреки че BMP4 участва в образуването на лещи, това вероятно не е решаващата молекула. Търсенето продължава.
Опашка восък
„Що се отнася до прерастването на изгубени части на тялото, животните са развалини в сравнение с растенията“, казва проф. Дитер Хес, директор на Института по физиология на растенията към университета в Хохенхайм. Растенията имат делима тъкан почти навсякъде. Ако буря счупи върха на смърч, страничен израстък расте от аксиларната пъпка на клона отдолу, за да образува нов връх. Работи и обратното: отделни части формират останалата част от тялото наново. Градинарите отглеждат цели декоративни растения от парчета дръжка или лист и нови цветя от отделни клетки на орхидея.
Сред животните има и млади специалисти: Ако отделите парче от земни червеи или някои морски звезди, и двете части създават липсващия остатък - един червей става два. При висшите животни регенерацията работи само в една посока. Хлебарка ще прерасти изгубен крак, а гущерът може да хвърли опашката си и да се формира отново в опасност. Кракът и опашката обаче вече не се допълват, за да образуват нов хлебарка или гущер.
„Саламандрите, тритоните и аксолотите са шампионите по регенерация сред висшите животни“, казва Джереми Брок, професор в Университетския колеж в Лондон. Например тритоните могат да регенерират опашката, краката, лещата, ретината, челюстта и дори части от сърцето. Клетките „знаят“ къде се намират в тялото и какви трябва да бъдат. Крак, ампутиран в глезена, регенерира само стъпалото, а не коляното.
Но защо бозайниците са загубили тази чудотворна способност? Дейвид Стокум, професор в Индианаполис, САЩ, търси отговор от 30 години. „Може би големият размер на ръката или крака и разнообразието от тъкани в тях правят естествената регенерация твърде трудна.“ Биолозите в развитието вече не искат да приемат тази слабост в природата.