истории

Биологи создали химеру человека и обезьяны. Это не история из фильма ужасов, это будущее трансплантологии

Источник: Meduza

Ученые под руководством испано-американского биолога Хуана Бельмонте рассказали журналистам El Pais об эксперименте по созданию химеры человека и обезьяны. Химера в данном случае — это не фигура речи, а вполне точный биологический термин, относящийся к организмам, состоящим из генетически разнородных клеток. Создание человеко-животных химер, которое в последние годы сталкивалось с техническими и правовыми трудностями, похоже, становится все ближе. А это значит, что человечество может получить надежду на получение неограниченного источника донорских органов — вопрос только в том, кому это удастся сделать первым.

Испанские ученые рассказали об успешном создании эмбрионов обезьян с человеческими клетками

Сообщение о создании межвидовой химеры появилось на странице газеты El Pais — а не в рецензируемом научном журнале, как это принято в академической среде. Помимо того, что «результаты исследований выглядят очень обнадеживающими», почти никаких подробностей ученые журналистам не сообщили, объяснив это тем, что полноценная публикация по следам эксперимента пока только готовится к печати.

Из сообщения El Pais можно понять, что «гибриды» все-таки были уничтожены до рождения, но не ясно, на какой стадии эмбрионального развития это произошло. Кроме того, ничего не известно относительно, пожалуй, самого важного результата эксперимента: насколько успешно человеческим клеткам удалось прижиться в окружении клеток обезьян.

Эксперименты, которые ранее та же испанская группа ученых проводила на свиньях, показали очень низкую эффективность степени химеризации: на 100 тысяч свиных клеток в полученных химерах приходилось лишь по одной человеческой клетке. Считается, что такая слабая приживаемость объясняется слишком большим эволюционным расстоянием между человеком и свиньей. Нас разделяют около 80 миллионов лет независимой эволюции, и это не могло не привести к накоплению различий в работе механизмов, с помощью которых клетки общаются друг с другом (прежде всего в структуре рецепторов для сигнальных молекул).

Такое накопление различий во многом аналогично постепенному изменению человеческих языков в разделенных популяциях. Оно приводит к тому, что после длительной изоляции вновь столкнувшиеся носители когда-то общего языка уже не могут понять друг друга. По-видимому, именно это происходит на молекулярном уровне в случае получения химер, и именно этим объясняются неудачи в создании человеко-свиных эмбрионов. Выбор в новом эксперименте обезьян вместо свиней может стать принципиально важным шагом для успеха всей области. Если даже обезьяны и окажутся не слишком удобны в медицинском плане, такие эксперименты смогут рассказать о том, что именно требуется «гуманизировать» в других лабораторных животных, чтобы получение химер, наконец, стало эффективным. Сработает эта идея или нет — главная интрига нового эксперимента.

Несмотря на несколько странные обстоятельства публикации научных данных, речь все-таки идет об известных ученых, поэтому их заявления с большой вероятностью могут оказаться правдой. С журналистами общался глава группы Хуан Карлос Исписуа Бельмонте, профессор американского Института Салка и Испанского Католического университета Мурсии, а также его коллега Мария Нуньес-Деликадо. Группа Бельмонте входит в число лидеров в области создания межвидовых химер. Фактически, это одна из двух групп в мире, которые ближе всех подошли к созданию химер на основе человеческих клеток.

Второй лидер в этой гонке — группа под руководством американо-японского биолога Хиромицу Накаучи (Hiromitsu Nakauchi). Всего за неделю до публикации в El Pais стало известно, что правительство Японии одобрило заявку Накаучи на работу с химерными клетками человека. Скорая и лишенная подробностей газетная статья об успехах Бельмонте выглядит на этом фоне как молниеносный привет от конкурентов. Что-то похожее уже случалось: в начале 2017 года две эти группы опубликовали статьи в двух престижных научных журналах Nature и Cell с разницей всего в один день.

Для создания химер испанцам пришлось отправиться в Китай

В США, где сосредоточена большая часть современной медицины (да и науки вообще) эксперименты по созданию химерных эмбрионов не запрещены, но ограничены в финансовом отношении. С 2015 года такие исследования нельзя проводить за счет грантов Национальных институтов здоровья — а это очень крупная организация, которая фактически определяет облик наук о жизни в США, и, во многом, глобально. В Японии до недавнего времени подобные эксперименты были попросту запрещены, в Испании — сильно ограничены (например, там запрещено создание эмбрионов в чисто исследовательских целях). 

Правовая ситуация относительно создания химер в мире весьма запутанна. Хотя в большинстве стран запрещено клонирование человека и использование человеческих эмбрионов в исследованиях, непонятно, должны ли подпадать под этот запрет химерные эмбрионы, большая часть клеток в которых все-таки имеют животное происхождение, и лишь некоторые получены из человеческой ткани — причем не эмбриональной. При какой «степени гуманизации» работа с такими эмбрионами должна регулироваться правом, относящимся к человеку? И чем эта ситуация отличается от простой пересадки ткани или переливания крови от человека к животному — процедуры, вроде бы не запрещенной никакими законами? Ведь фактически именно это происходит в процессе создания химер — только пересадка происходит на стадии эмбриона, а не взрослого животного.

На все эти вопросы ответов пока нет, и исследователи ожидаемо выбрали для своей работы страну, где не слишком склонны эти вопросы задавать. Впрочем, возможно, что дело не только в правовых трудностях. «Мы проводим эксперименты в Китае из-за отсутствия здесь [в Испании] соответствующей инфраструктуры», — призналась Мария Нуньес, одна из руководителей программы исследований, в разговоре с El Pais. Так или иначе, в последнее время такие переезды происходят все чаще.

Химеризация — не такое экзотичное явление, как можно подумать. Некоторые являются химерами, даже не зная об этом

Химеры — это не только «гибриды» человека и животных, которых пытаются создать группы Накаучи и Бельмонте. Вообще говоря, это любые организмы, содержащие генетически неоднородные клетки в своем теле. Наличие такой неоднородности долгое время считалось невозможным или по крайне мере очень редким явлением. Во-первых, потому что все «нормальные» клетки тела происходят из оплодотворенной яйцеклетки и должны быть генетически идентичны друг другу, а чужим клеткам вроде бы и неоткуда взяться. Во-вторых, иммунная система делает тело любого животного крайне агрессивной для любых чужаков средой, что вроде бы не оставляет пространства для возникновения химер.

Однако постепенно, с развитием точных методов генетического анализа (прежде всего, ПЦР) оказалось, что захват и сохранение чужих клеток — явление не просто не редкое, но фактически тотальное, по крайней мере, среди животных с плацентой. С открытием так называемого микрохимеризма стало ясно, что почти каждая рожавшая женщина несет в своем теле небольшое, но вполне детектируемое число клеток своих детей — а вместе с ними и ДНК их отца. То же самое справедливо и для детей — известно, что они могут сохранять в своем теле клетки матери. Более того, обмен клетками через тело матери может происходить даже между братьями и сестрами, если их вынашивала одна женщина.

Помимо вездесущего микрохимеризма существует и гораздо более редкий, но куда более интересный вид смешивания генетически разнородных клеток — это тетрагаметный химеризм. Он возникает в том случае, если во время зачатия происходит оплодотворение не одной, а двух яйцеклеток, и участвуют в этом два разных сперматозоида. В большинстве случаев такое двойное оплодотворение приводит к рождению обычных разнояйцевых близнецов, однако иногда две оплодотворенные яйцеклетки (зиготы) сливаются в один эмбрион, в котором клетки разных «братьев» или «сестер» смешиваются в более-менее случайном порядке. Если «потенциальные близнецы» при этом были разнополыми, то слияние приводит к появлению интерсекса — человека, имеющего в своем теле как женские, так и мужские клетки.

В редких случаях такой тип химеризации даже приводит к случаям истинного гермафродитизма, когда в теле человека одновременно формируются женские и мужские половые органы (впрочем, такие гермафродиты почти всегда остаются стерильными). Если же в составе эмбриона смешиваются клетки близнецов одного пола, то заметить химеризацию становится почти невозможно. Почти всегда о том, что она произошла, человек узнает совершенно случайно — например, тогда, когда ему, по тем или иным обстоятельствам, приходится сделать генетический тест.

Классический пример такой скрытой химеризации — это казус Лидии Фарчайлд, женщины, которая собиралась подать в суд на мужа по поводу алиментов и в результате сама оказалась под подозрением. Из-за того, что, по результатам генетического теста, не является матерью своих детей. Обычно в ходе таких процессов действительно назначают генетическую экспертизу, которая в данном случае дала крайне неожиданный результат: было подтверждено отцовство бывшего мужа, но не материнство самой Фарчайлд. Последующее исследование установило, что тело женщины является тетрагаметной химерой, и ее репродуктивные органы генетически не идентичны волосам и крови — тем частям тела, которые использовались для получения контрольных образцов в генетическом тесте. Этот случай еще раз говорит о том, что истинный масштаб даже самого «экзотичного» тетрагаметного микрохимеризма может быть гораздо больше, чем кажется — просто из-за того, что обычно он никак не проявляется. 

Создание «гибридов» человека и животных — это путь к неограниченному ресурсу донорских органов

Ежегодно от недостатка органов для трансплантации страдают более миллиона человек, многие из которых умирают, не дождавшись пересадки. Естественным результатом этого является стремление биологов и врачей придумать какой-то новый способ получения подходящих органов — в дополнение к обычному донорству. Сегодня есть несколько подходов к тому, как это можно было бы сделать: использование печатающих клетками 3D-принтеров, получение из органов животных пустых бесклеточных «матриц», которые затем можно населить клетками пациентов, и новый, но, по-видимому, гораздо более перспективный подход — с использованием межвидовых химер.

Почему именно на этот последний метод ученые возлагают большие надежды? Потому что и 3D-принтеры, и бесклеточные «матрицы» — это подходы, подразумевающие создание функционирующего органа со всей его сложнейшей анатомией фактически «с нуля», что в биологии редко работает. Химеризация же предполагает использование в качестве фабрики органов обычных животных, которые были лишь слегка модифицированы на стадии эмбриона небольшой инъекцией человеческих клеток.

Суть этого метода — он называется бластоцитарной комплементацией — примерно в следующем. За прошедшие полвека развития эмбриологии стало понятно, что клетки в ходе роста и развития эмбриона приобретают свою «профессию» примерно так же, как люди — не сами по себе, а взаимодействуя с другими клетками. Это означает, что для того, чтобы стать печенью или, скажем, сердцем, им очень важно попасть в соответствующее окружение — а дальше все происходит более-менее автоматически. Помимо важности «правильного места» у клеток, если они хотят овладеть определенной профессией, должны проявиться собственные «таланты» — то есть в ходе дифференцировки должны будут заработать некоторые гены, запускающие необратимые процессы специализации клетки. Последние десятилетия работы эмбриологов и молекулярных биологов не прошли даром — теперь такие ключевые гены и те генетические сети, которые они контролируют, довольно хорошо известны для большинства тканей и органов. И если какие-то из них отключить, — эмбрион просто не сможет сформировать тот или иной орган.

Так вот, в рамках этой метафоры идея бластоцитарной комплементации заключается в том, чтобы провести точечную «люстрацию» — исключить из задачи формирования определенного органа хозяйские (то есть животные) клетки и заменить их клетками человека. Если точечное отключение сработает, эмбрион будет просто вынужден либо принять чужеродные клетки в состав организма, либо погибнуть без жизненно важного органа, — и опыт говорит о том, что по крайней мере иногда эта идея работает.

Выращенные в химерах органы уже спасают жизни. Правда, пока только мышиные

Самый яркий пример удачной реализации идеи бластоцитарной комплементации дает эксперимент главного конкурента Бельмонте — Хиро Накаучи. В начале 2017 года он с коллегами опубликовал в Nature статью об исследовании, в ходе которого выращенный в химерном организме орган был успешно использован для лечения диабета. Эксперимент заключался в следующем: в эмбрионы крыс, в клетках которых был предварительно инактивирован необходимый для развития поджелудочной железы ген Pdx-1, ученые инъецировали мышиные стволовые клетки. Теоретически, для этого эксперимента стволовые клетки можно было бы получить просто из мышиных эмбрионов, но в данном случае ученые решили опробовать именно тот метод, который предполагается использовать на человеке — стволовые клетки были индуцированными, то есть их удалось создать методом перепрограммирования обычных образцов тканей взрослых мышей (за создание этой технологии перепрограммирования в 2012 году Нобелевскую премию по медицине получил японец Синъя Яманака).

В результате эксперимента у крысиных эмбрионов выросла нормальная функциональная поджелудочная железа — по размеру и анатомии скорее крысиная, но генетически идентичная соответствующему органу мыши. Фрагменты этой железы удалось пересадить мышам, у которых искусственно был вызван диабет — как оказалось, орган был полностью функционален и не требовал никакой иммуносупресии, то есть не вызывал реакцию отторжения. Больше 370 дней мыши с химерной поджелудочной железой, выращенной в крысах, жили нормальной жизнью, без диабета. По сравнению с двухлетним максимальным сроком жизни этих животных результаты эксперимента можно назвать впечатляющим успехом.

В ходе экспериментов стало ясно, что дальнейшие исследования в области химеризации должны быть направлены на более генетически близких людям животных — на приматов. Подобного рода эксперименты с шимпанзе или гориллами почти везде запрещены, но это не касается, например, мартышек. И вот, спустя два года после публикации ключевых статей 2017 года, появляются первые слухи об экспериментах с обезьянами.

Несмотря на заявления в El Pais, пока полноценная статья ученых не будет опубликована в научном журнале, мы не сможем сказать, что именно удалось сделать группе Бельмонте за прошедшие два года. Сам исследователь не ответил на запрос «Медузы» о комментарии. Однако можно не сомневаться, что когда работа будет все-таки опубликована, ответ из Японии не заставит себя ждать — группа Накаучи добивалась разрешения на проведение экспериментов с человеческими химерами много лет, и невозможно представить, чтобы эти попытки пропали впустую.