Наука и технологии России

Вход Регистрация
05.08.11 | Наука и техника: Живые системы Михайлова Наталья для STRF.ru

Ген-самоубийца в стволовых клетках

Несколько лет назад успешный российский учёный Алексей Томилин вернулся из Германии в Россию, чтобы создать здесь передовую биомедицинскую лабораторию. Вместе с коллегами он изучает фундаментальные вопросы функционирования стволовых клеток и пытается найти применение полученным знаниям в клинической практике.

Алексей_Томилин
Алексей Томилин: «Фундаментальные и прикладные исследования плюрипотентных клеток сулят здоровью человечества огромные выгоды»
Справка STRF.ru:
Томилин Алексей Николаевич в 1992 году окончил Государственный политехнический институт в Ленинграде. В 1993–1997 годах работал в Институте цитологии РАН и во Франции (University of Caen). В 1998–2002 годах выполнял исследования в EMBL (Германия) и в лаборатории доктора Ганса Шолера (Hans R. Scholer) в США (University of Pennsylvania). С 2002-го по 2006 год – руководитель группы отдела биологии развития, возглавляемого доктором Давором Солтером (Davor Solter) Института иммунобиологии Макса Планка, Фрайбург, Германия (Max-Planck-Institute for Immunobiology). С 2007 года – заведующий лабораторией молекулярной биологии стволовых клеток Института цитологии РАН, Санкт-Петербург; доктор биологических наук

Своё возвращение в Россию Алексей Томилин объясняет участием в программе президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология»: «Эта уникальная программа позволила мне, равно как и ряду других российских учёных, успешно работавших за рубежом, вернуться в Россию, чтобы развивать отечественную фундаментальную науку. В начале пути, когда у меня не было собственного финансирования, получение средств по программе оказалось стартовой площадкой для проведения важных поисковых исследований».

Культивируемые плюрипотентные стволовые клетки находятся в фокусе внимания учёных из-за заложенного в них огромного потенциала, который может быть использован при лечении широкого спектра дегенеративных заболеваний человека, требующих тканезаместительной терапии. У этих клеток две уникальные особенности: они обладают способностью дифференцироваться во все известные типы клеток организма и неограниченно воспроизводиться в культуре in vitro, сохраняя свои свойства.

Стволовые страсти и напасти

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), впервые полученные в 1980-е годы из эмбрионов мыши, уже на протяжении более двух десятилетий остаются важным инструментом для изучения функции генов. За открытие этих клеток в 2007 году присудили Нобелевскую премию Эвансу, Капекки и Смитису.

ЭСК человека впервые удалось получить в 1998 году Томсону, а сегодня уже известны несколько десятков линий этих клеток. Изучены некоторые молекулярные и генетические аспекты механизма регуляции плюрипотентности ЭСК, идут широкомасштабные работы по оптимизации методов их дифференцировки в различные клеточные типы. Однако очевидны и серьёзные ограничения, заметно отдаляющие перспективу применения этих клеток в клинической практике. Одно из них – иммунная несовместимость дифференцированных клеточных производных от чужеродных ЭСК линий при трансплантации.

стволовые_клетки
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные в лаборатории молекулярной биологии стволовых клеток Института цитологии РАН, растут на поверхности специально обработанного пластика в виде плотных скоплений из нескольких десятков клеток

Открытие нового типа клеток – так называемых индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) – стало очень важным событием в биологии стволовых клеток. Впервые иПСК были получены в 2007 году Шинией Яманакой из Киотского университета. Преимущество иПСК, в сравнении с ЭСК, в том, что они могут быть получены из соматических клеток самого пациента и при этом являются полностью иммунологически совместимыми. Страсти по поводу открывшихся грандиозных перспектив использования иПСК в клинике несколько утихли, когда стали очевидны и серьёзные недостатки этих клеток. Это – высокий уровень мутагенеза, нестабильность хромосомного состава, а также повышенная, по сравнению с ЭСК, иммуногенность. С другой стороны, иПСК открыли ранее не виданные перспективы для моделирования и изучения многих заболеваний человека.

«Исследования ЭСК и иПСК должны продолжаться параллельно и взаимно дополнять друг друга, – считает Алексей Томилин. – Фундаментальные и прикладные исследования плюрипотентных клеток могут привести к огромным выгодам для здоровья человека».

Справка STRF.ru:
Помимо программы «Молекулярная и клеточная биология», эта работа поддержана государственными контрактами с Министерством образования и науки РФ (02.512.11.2253 и 16.512.11.2085), совместным грантом РФФИ и Общества Гельмгольца, Германия (Helmholtz Society) (07-04-92281/HRJRG-024), РФФИ (07-04-01154). С 2006 года сотрудники лаборатории молекулярной биологии стволовых клеток Института цитологии РАН подготовили к печати и опубликовали 14 статей, получили патент на изобретение РФ «Способ использования стволовых клеток в тканезаместительной терапии» (авторы – А. Н. Томилин, М. А. Лисковых, Е. Н. Толкунова). Работа проводится в тесном научном сотрудничестве с несколькими лабораториями европейских стран и Америки

Ген-самоубийца против тератом

Серьёзная и пока не решённая проблема, стоящая на пути использования плюрипотентных клеток в клинической практике, связана с их способностью к образованию тератом – быстрорастущих опухолей, содержащих разнообразные типы дифференцированных клеток. Например, было показано, что введение даже двух ЭСК под кожу мышам приводит к возникновению тератом, в конечном итоге вызывая их гибель. С другой стороны, существующие методы направленной дифференцировки ЭСК и иПСК позволяют получить весьма неоднородные популяции, в которых практически всегда присутствуют остаточные количества недифференцированных ЭСК и иПСК, способные при трансплантациях давать начало тератомам. Если есть даже крайне низкая вероятность присутствия остаточных плюрипотентных клеток в суспензиях, вводимых пациентам, ни о каком безопасном применении этих клеток в клинической практике говорить нельзя.

«Поставьте себя на место хирурга, которому приносят недостаточно очищенную от исходных ЭСК или иПСК клеточную суспензию нейрональных клеток для трансплантации пациенту, страдающему болезнью Паркинсона, – рассуждает Алексей Томилин. – Согласится ли хирург проводить трансплантацию, не будучи полностью уверенным в отсутствие риска побочного эффекта, выражающегося в возникновении быстрорастущих опухолей, да ещё и в замкнутом пространстве черепной коробки?»

Сотрудники лаборатории Томилина придумали способ решения этой проблемы за счёт стабильного внедрения в геном ЭСК или иПСК гена-самоубийцы. Причём генная конструкция сделана так, что этот ген проявляет активность только в случае, если клетка находится в недифференцированном (тератогенном) состоянии, тогда как после перехода её в дифференцированное (безопасное) состояние активность гена-самоубийцы резко снижается. Придуманный в лаборатории и апробированный на мышах способ обеспечения защиты реципиента от тератом при тканезаместительной терапии на основе плюрипотентных клеток запатентован.

«Метод настолько хорош, что мы можем безбоязненно вводить в кровяное русло или локально не только суспензии дифференцированных клеток, но и просто недифференцированные ЭСК или иПСК, о чём невозможно было даже подумать, если бы в этих клетках не сидел наш замечательный ген-самоубийца, – говорит Алексей Томилин. – Суть методики в том, что после введения мы даём этим клеткам время распределиться по организму и найти повреждённые органы и ткани (процесс, называемый «хоумингом», описан для ряда патологий), дифференцироваться в типы клеток этого органа или ткани под воздействием локального микроокружения. Затем мы уничтожаем остаточные недифференцированные клетки прямо в теле реципиента, не причиняя никакого вреда другим клеткам».

Как поясняют аспирант Михаил Лисковых и старший научный сотрудник Елена Толкунова, «такой радикальный способ эксплуатации придуманной нами системы особенно оправдан в тех случаях, когда получение in vitro заданных типов дифференцированных клеток неэффективно. Например, ЭСК крайне плохо дифференцируются в культуре в кроветворные стволовые клетки, однако, как мы выяснили, они это прекрасно делают непосредственно в теле мышей, которым мы вводили несущие ген-самоубийцу ЭСК, восстанавливая у этих мышей кроветворение. Подобные фокусы с обычными ЭСК неизменно заканчиваются образованием тератом и смертью животного».

Казалось бы, решение проблемы туморогенности плюрипотентных клеток найдено, однако и тут не всё так гладко. Дело в том, что интеграция гена-самоубийцы, как и любой другой чужеродной ДНК, может вызвать нарушения в работе хозяйских генов, в том числе и генов, защищающих клетку от ракового перерождения. Вероятность такого события крайне невелика, но, тем не менее, не равна нулю, а последствия могут быть катастрофическими. Кроме того, всегда есть некоторая вероятность неконтролируемого снижения активности гена-самоубийцы, равно как и любой другой чужеродной ДНК. Как только это произойдёт, утратится возможность контроля за туморогенностью. Ключом к решению обеих проблем могут стать искусственные хромосомы. Их создание – бурно развивающаяся в последние годы область постгеномной биологии. Сотрудники лаборатории молекулярной биологии стволовых клеток полны энтузиазма и уже сделали ряд конкретных шагов по использованию технологий искусственных хромосом для повышения надёжности предложенного ими метода инактивирования недифференцировавшихся ЭСК и иПСК.

«Мы ожидаем, что в ближайшие год-два сможем осуществить этот переход и тем самым приблизим то время, когда плюрипотентные стволовые клетки займут достойное место в лечении широкого спектра дегенеративных заболеваний», – подытожил Алексей Томилин.

РЕЙТИНГ

5.00
голосов: 2

Обсуждение