Физика будущего

В будущем, если виртуальный врач обнаружит какое-то нарушение в одном из ваших органов, он сможет заказать новый орган, который будет выращен на специальной фабрике непосредственно из ваших собственных клеток.

Одной из самых «горячих» областей медицины на сегодня является так называемая «тканевая инженерия», цель которой — сделать возможной «мастерскую» по изготовлению запасных частей для человеческого тела.

Уже сейчас ученые умеют выращивать в лаборатории кожу, кровь, кровеносные сосуды, сердечные клапаны, хрящи, кости, носы и уши из собственных клеток человека. Первый серьезный орган — мочевой пузырь — был выращен в 2007-м, а первая трахея — в 2009 г. До сих пор получается выращивать только относительно простые органы, содержащие лишь несколько типов тканей и почти не структурированные. Можно предположить, что лет через пять удастся вырастить первую печень и поджелудочную железу, что будет иметь громадное значение для всей системы здравоохранения. Нобелевский лауреат Уолтер Гилберт в разговоре со мной сказал, что предвидит в недалеком будущем — всего через несколько десятилетий — такое время, когда можно будет вырастить из клеток практически любой орган.

Чтобы вырастить новый орган для конкретного человека методом тканевой инженерии, сначала необходимо получить некоторое количество клеток этого человека. Затем эти клетки вводят в пластиковую матрицу, которая по внешнему виду напоминает губку в форме нужного органа. Матрица изготавливается из биорассасывающегося полимера гликолевой кислоты. Кроме того, клетки обрабатывают определенными факторами роста, что стимулирует их развитие и рост внутри матрицы. Со временем матрица рассасывается, оставляя вместо себя желаемый орган.

Мне довелось побывать в лаборатории Энтони Аталы (Anthony Atala) в Университете Уэйк-Форест в Северной Каролине и лично стать свидетелем применения этой технологии. Проходя по лаборатории Аталы, я видел бутыли с живыми человеческими органами. Я видел кровеносные сосуды и мочевые пузыри; я видел сердечные клапаны, которые непрерывно открывались и закрывались, потому что через них прокачивали различные жидкости. Вид живых органов, функционирующих в сосудах, вызывал ассоциации с лабораторией доктора Франкенштейна. Однако были и принципиальные различия. Тогда, в XIX в., медики не подозревали о существовании механизмов отторжения чужеродных тканей, которые так затрудняют пересадку органов. Кроме того, врачи не умели останавливать инфицирование, которое было неизбежным следствием любой хирургической операции. Поэтому Атала, вместо того чтобы создавать чудовищ, разрабатывает новую жизнесберегающую медицинскую технологию, которая когда-нибудь, возможно, полностью изменит сущность медицины.

Одна из целей его лаборатории — выращивание человеческой печени — может быть реализована в течение пяти лет. Вообще говоря, печень не так уж сложна и содержит в себе ткани лишь нескольких типов. Выращенная в лаборатории печень могла бы спасти тысячи жизней, в первую очередь тех, кто остро нуждается в пересадке этого органа. Она могла бы спасать и алкоголиков, страдающих циррозом. (К несчастью, эта технология может также побудить людей прочнее держаться за свои дурные привычки, ведь они будут знать, что смогут получить новый орган взамен поврежденного.)

Если некоторые органы человеческого тела, такие как трахея и мочевой пузырь, выращивать уже научились, то что мешает ученым вырастить все без исключения органы? Проблема, с одной стороны, заключается в выращивании крохотных капилляров, которые обеспечивают кровью клетки тканей, ведь кровь должна поступать к каждой клетке тела. Кроме того, существует проблема выращивания сложных структур. К примеру, почка, очищающая нашу кровь от токсинов, состоит из миллионов мельчайших фильтров, и матрицу для этих фильтров создать будет очень нелегко.

Но наибольшие сложности при выращивании представляет другой человеческий орган — мозг. Хотя воссоздание или наращивание мозга — дело не ближайших десятилетий, не исключено, что, если ввести молодые клетки непосредственно в мозг, он подхватит их и включит в свою нейронную сеть. Такая инъекция, конечно, будет случайной, поэтому пациенту придется многие базовые функции осваивать заново. Но поскольку мозг «пластичен» — т. е. он постоянно, с каждой новой задачей, обновляет свою структуру и связи, — не исключено, что он действительно сможет безболезненно интегрировать новые нейроны и добиться, чтобы они правильно срабатывали.

Стволовые клетки

Следующий шаг — применение технологии стволовых клеток. На данный момент все человеческие органы выращиваются не из стволовых клеток, а из обычных, только специальным образом обработанных, чтобы они могли размножаться внутри матрицы. В ближайшем будущем, вероятно, можно будет непосредственно использовать здесь технологию стволовых клеток.

Стволовые клетки — это «мать всех клеток», они способны менять свою структуру и превращаться в клетки любого типа. Каждая клетка в нашем теле несет в себе полный генетический код, необходимый для строительства тела целиком. Однако по мере созревания клетки специализируются, так что многие гены в них становятся неактивными, как бы выключаются. В клетке кожи, к примеру, имеются все гены, необходимые для превращения в кровь, но они выключены; ненужные гены отключились в тот момент, когда зародышевая клетка стала взрослой клеткой кожи.

Зародышевые стволовые клетки всю свою жизнь сохраняют способность превращения в клетки любого типа. Ученые ценят их выше, но одновременно вопрос работы с ними куда более противоречив, поскольку для извлечения таких клеток зародышем приходится жертвовать, а здесь, естественно, возникают этические вопросы. (Однако Ланца и его коллеги нашли новые способы, при помощи которых можно взять взрослые стволовые клетки, уже превратившиеся в клетки какого-то конкретного типа, и превратить их снова в зародышевые стволовые клетки.)

Потенциально при помощи стволовых клеток можно излечивать множество болезней, таких как диабет, сердечные заболевания, болезни Альцгеймера и Паркинсона и даже рак. Более того, трудно придумать болезнь, в лечении которой стволовые клетки не могли бы сыграть существенную роль. В частности, активные исследования в настоящее время идут в области лечения травм позвоночника и спинного мозга, которые когда-то считались совершенно неизлечимыми. В 1995 г., когда актер Кристофер Рив (Christopher Reeve) серьезно повредил позвоночник и остался парализованным, методов лечения таких травм не существовало. Однако в опытах на животных уже сегодня достигнуты огромные успехи в восстановлении спинного мозга при помощи стволовых клеток.

К примеру, Стивен Дэвис (Stephen Davies) из Университета Колорадо добился впечатляющих успехов в лечении травм спинного мозга у крыс. Он говорит: «Я провел несколько экспериментов, в которых мы пересаживали взрослые нейроны непосредственно во взрослую центральную нервную систему. Почти как у Франкенштейна. К нашему великому удивлению, мы обнаружили, что взрослые нейроны всего за неделю способны протянуть новые нервные волокна от одного конца мозга до другого». Ранее в лечении спинномозговых травм считалось, что любая попытка восстановления нервов вызовет сильнейшую боль и страдание. Однако Дэвис обнаружил, что ключевой тип нервных клеток, известный как астроцит, существует в двух вариантах, и их применение вызывает разные результаты.

Дэвис говорит: «Если использовать при восстановлении поврежденного спинного мозга правильные астроциты, мы получим результат без боли, тогда как клетки другого типа дадут боль без результата». Более того, он уверен, что та же техника применения стволовых клеток, которую он разрабатывает, будет полезна в лечении инсульта, а также болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Поскольку из зародышевой стволовой клетки можно получить практически любую клетку тела, возможности здесь открываются безграничные. Однако Дорис Тейлор (Doris Taylor), директор Центра сердечно-сосудистых заболеваний при Университете Миннесоты, предостерегает от излишнего оптимизма и говорит, что работы впереди еще очень много. «Зародышевые стволовые клетки могут нести и добро, и зло, и уродство. Если они хорошие, их можно выращивать в больших количествах в лаборатории и использовать для создания тканей, органов или частей тела. Если они плохие, они не могут вовремя прекратить рост и образуют опухоли. Что касается уродства, то мы понимаем далеко не все и не можем контролировать результат, и мы не готовы использовать их без дополнительных лабораторных исследований», — замечает она.