Свикнали сме да мислим за себе си като за завършен продукт. Финалът може да не е точно това, което бихме искали, но няма как да го заобиколим. От едно оплодено яйце, ние се развиваме в процеса на последователно образуване на клетки и тъкани, докато не дойдем на този свят, разкъсвайки се от писъци и лигавене. И от този момент нататък започва дълга и обикновена история, която завършва без зъби, „без очи, без вкус, без всичко“.
Но тази древна шекспировска история за изсъхване, отслабване, гниене и в резултат на това забравата вече не е точно отражение на реалността. Сега имаме средства за възстановяване и заместване на увредената тъкан. Говоря от личен опит. През последните няколко месеца наблюдавах как парче от плътта ми, отрязано от ръката ми, се превръща в структура, наречена „органоид“, миниатюрен орган. В моя случай тя се превърна в структура, която някои наричат мини-мозък - тя е с размерите на замразен грах и показва много от отличителните белези на истинския мозък, който расте във вътрематочен плод. Виждал съм доказателства, че невроните в такава тъкан могат да задействат светкавици, изпращайки сигнали един към друг. Би било твърде поетично да наричаме тези сигнали мисли,но те са „субстанцията на мисълта“.
Моята плът може да бъде нещо друго, ако учените вземат това решение. Той може да се превърне в органоид на бъбреците или структура, подобна на някаква част от сърцето или панкреаса. Той може да се превърне в светлочувствителна тъкан като ретината. Въз основа на наличните доказателства е установено, че тя е можела да се превърне в яйцеклетка, или сперма, или нещо като истински ембрион, начало на живо същество. Тя би могла да стане всяка част или всички части на „мен“. Следователно, има технология, която ви позволява да раздвижвате фантазиите и да насаждате изкусителна идея за измама на смъртта чрез възстановяване на болен организъм или дори създаване на нов, отглеждан в лаборатория, "който да замести" стария.
В годината на 200-годишнината от излизането на романа на Мери Шели „Франкенщайн“би било лесно да си представим всичко гротескно, ако не и апокалиптично. Да приемем, че си представяме хора, отглеждани по поръчка в колби, като Централната люпилня в дистопичния роман на Олдъс Хъксли „Смел нов свят“. Но мини-мозъците ми (има ги няколко) бяха отгледани с добра кауза. Те са част от проекта Created Out of Mind, финансиран от Wellcome Trust, независима международна благотворителна организация, която има за цел да разшири познанията ни за деменцията и принципите на грижа за страдащите от нея. Изследователите, създали тези органели, изучават генетичната основа на невродегенеративните нарушения, които причиняват деменция. Моят мини-мозък ще бъде използван в това проучване, което означава, че вероятно ще бъденякой ден ще помогне да се забавят спиранията на мозъка на други хора.
* * *
Има животни, като саламандъра, които са в състояние да възстановят цял изгубен крайник, състоящ се от много видове тъкани. Нашето човешко тяло е в състояние да регенерира кожата, когато заздравяват малки рани, но в противен случай е в състояние в най-добрия случай да създаде само отделни малки „петна“от груба белезиста тъкан. Но ако органът откаже, той не може да бъде възстановен и умира. Можем да оцелеем с донорна присадка или с механична протеза. Но нарастващата тъкан за получаване на различни видове клетки и евентуално като резултат - цели миниатюрни органели сега дава възможност да се направи способността за регенерация, каквато например има саламандър, да бъде достъпна за хората. Тези техники не само имат непреодолим потенциал в медицината, но и опровергават вярванията, които са се формирали през годините.
Ако това звучи ужасно и обезсърчително, само защото не сме възприели истината, която Франкенщайн ни принуди да погледнем в очите. Тази истина е, че сме създадени от материята и тази материя някак надхвърля себе си и създава ум, надникващ от черупката си. Все още не знаем къде в това създание от плът е неговата същност, неговото „аз“. Новите науки за „клетъчно препрограмиране“разтърсват идеите за това както никога досега - под формата, в която са вкоренени в съзнанието ми, буквално интуитивно.
Миналия юли учени от Института по неврология към Университетския колеж в Лондон (UCL) изрязаха малко парче мека тъкан от дясното ми рамо. Това беше направено под лека местна упойка и не усетих нищо. Клетките от подкожния слой бяха важен елемент от тази биопсия. Те се наричат фибробласти и са основните „източници“на съединителна тъкан в тялото. Те образуват кожата и са ключови клетки, участващи в зарастването на рани. Невролозите от UCL Селина Рай и Кристофър Лавджой взеха фибробласти от мен и ги поставиха в малки чашки на Петри с червен разтвор, съдържащ хранителни вещества за растежа на клетките.
Промоционално видео:
Два месеца по-късно успях да погледна през микроскоп фибробластна колония, израстваща от тъмната маса на парче тъкан в ръката ми. Тези удължени клетъчни структури поникват от тъканта на четни редове, сякаш се стремят някъде.
И така, колко наистина ново беше това, което видях? В наше време основната способност за отглеждане на клетки в културата е изкуство, известно отдавна. Трябва да се признае, че някога се е смятало за чудо, отличаващо се със специална мистерия. Когато френският хирург Алексис Карел за първи път обявява през 1912 г., че е отгледал „безсмъртни“клетки от тъканта на пилешко сърце, вестниците започват да печатат сензационни статии, че смъртта вече не е неизбежна. Тези сензационни статии се оказаха преувеличени. Но отглеждането на „мини-мозък“от клетки, взети от кожата ми, е съвсем различно начинание от обичайното отглеждане на събрани клетки.
Рей и Лавджой ще трябва да трансформират кожните ми фибробласти в неврони - мозъчни клетки. Те правят това в две стъпки. Първо, те ги превръщат в клетка, която може да създаде всяка тъкан по време на развитието, и след това ги насочва да се превърнат в клетки от необходимия тип. За да разберете как се случва това, трябва да знаете, че всички живи клетки в човешкото тяло съдържат един и същ пълен набор от „инструкции“- кодирани в ДНК, които са разположени в 23 двойки хромозоми и са разделени на секции, наречени гени, всяка от които изпълнява в нашите биохимични процеси специфична функция. По принцип всяка клетка има същия пълен код като всички останали. Разбира се, в зрял организъм различните видове клетки всъщност изпълняват различни задачи. За това различни гени се „включват“и „изключват“. Именно с такъв превключвател се формира клетка от един тип (мозък, кожа, мускули, чернодробни клетки и т.н.), а не друга.
Во многом это переключение генов (или «регуляция») осуществляется белковыми молекулами, называемыми факторами транскрипции. Они сами кодируются в генах: то есть, сам геном содержит инструкции для создания факторов транскрипции, которые его регулируют. Чтобы регулировать активность генов, наши клетки все время создают различные факторы транскрипции. За счет этого разные виды клеток ведут себя по-разному. К тому же благодаря переключению генов одна оплодотворенная яйцеклетка может превратиться в организм, состоящий из множества различных тканей.
Най-ранните клетки в растящия ембрион, наречени ембрионални стволови клетки, могат да се развият във всякакъв вид тъкан: за тях се казва, че са „плюрипотентни“и можем да кажем, че те все още съдържат целия си генетичен потенциал. Но тъй като ембрионът се превръща в плод, а след това в дете, клетките започват да се диференцират в клетъчни типове със специфична функция - сърце, черен дроб, мозъчни клетки - организирано и на правилното място.
Можем да пречим на програмирането на клетъчното поведение. Например, в случай на генна терапия, чиято цел е да се фиксира „дефектен“ген чрез добавяне към клетките на допълнително, малко парче ДНК, което кодира нормално функционираща форма на този ген.
Но отглеждането на „мини-мозък“от тъкан, изрязана от ръката ми, изисква нещо по-впечатляващо, отколкото просто „поправяне“на някои от генетичните инструкции на клетката. Този процес започва с пълно "рестартиране" на програмата на клетката - най-вероятно, нулиране на всички тези превключватели за включване / изключване, които определят конкретната цел на клетката. Оказва се, че това може да се направи само с помощта на няколко специфични транскрипционни фактора. Рей и Лавджой вмъкват гени, които кодират и произвеждат тези фактори - малки парченца ДНК - в клетки, взети от ръката ми, използвайки слаби електрически полета. Под тяхно влияние за известно време в клетъчните мембрани се образуват дупки, през които може да се изплъзне допълнителна ДНК.
С помощта на тези биохимични "съобщения", изпратени от Lovejoy и Ray до моите фибробласти, тези клетки се върнаха в състоянието на стволови клетки, подобно на тези на ранен ембрион, способни да се трансформират във всякакъв вид тъкан. Те се наричат индуцирани плюрипотентни стволови клетки. Учените ги получават от човешки клетки от 2007 г. Преди това повечето експерти смятаха, че това е невъзможно.
* * *
Човекът, който промени мнението си по този проблем, беше японският учен Шиня Яманака. Той не работи в областта на клетъчната биология, а в клиничната медицина и вероятно затова му беше по-лесно да мисли за нещо невероятно и да мисли дали е възможно да препрограмира вече диференцирани клетки в стволови клетки.
Още през 60-те години на миналия век експериментите върху жаби предоставят първите данни, показващи, че фиксацията на клетките може да бъде обърната. Британският биолог Джон Гърдън взе жабешки яйца, отстрани хромозоми от тях и вмъкна хромозоми, взети от клетки на възрастни жаби. Тези яйца, както се оказа, тогава биха могли да бъдат оплодени и отгледани от тях половци и жаби. Хромозомите, които в клетките на възрастните се регулират (чрез всички тези химически включвания и изключвания), за да изпълняват определени функции, очевидно се подмладяват вътре в яйцата, за да могат отново да насочват растежа на всякакви нови животински тъкани. Този метод за прехвърляне на хромозоми от възрастни клетки е бил използван през 1996 г. за клониране на овцете Доли.
Вземайки предвид предишните успешни резултати, Яманака започва да анализира транскрипционните фактори, които се произвеждат в ембрионалните стволови клетки. Може би, вместо да разберем какво точно се е случило с хромозомите на диференцирани клетки, да уловим конкретни модели на тяхната генна активност и след това да се опитаме да обърнем всичко това, достатъчно е просто да добавим нова доза от тези фактори, за да „убедим“клетките, че са стволови клетки? Тази хипотеза изглеждаше спекулативна, но успя. Яманака открива, че ако към диференцирани човешки клетки се добавят гени, кодиращи някои от тези фактори (в крайна сметка се оказва, че са достатъчни само четири), тези клетки се връщат в състояние, подобно на стволовите клетки.
Благодарение на това откритие стана възможно да се създават тъкани и евентуално цели органи в лабораторията. Ако отглеждате тъкани или органи от собствените клетки на реципиента (да речем, от фибробласти в тъканна проба, взета от ръката ми), тогава няма да възникнат проблеми, възникнали поради отхвърлянето на донорната присадка от имунната система. Освен това изкуствено отгледаните човешки тъкани могат да се използват за тестване на лекарствата за токсичност - без да се тестват върху животни. Факт е, че тестовете върху животни не само дават двусмислени резултати, но и не винаги могат да бъдат приложени, тъй като другите живи организми не винаги са подходящи за тестване на човешкия отговор.
Практическият потенциал на това откритие беше огромен. Но освен това Яманака откри и по-важна истина. Нашите тъкани и тела са по-гъвкави, отколкото сме предполагали. Вашите меки тъкани и кости могат да се трансформират в други видове тъкани. Костта може да бъде създадена от клетките на гърдата, а мозъкът от кръвните клетки. Изведнъж стана ясно, че се поставя под въпрос цялата неизменност на структурите на човешкото тяло.
Не бързайте обаче, очаква ви нещо още по-странно.
* * *
Точно преди Коледа, шест месеца след началото на нашия експеримент, Рей и Лавджой ми показаха стволови клетки, получени от моите фибробласти. Тези продълговати образувания, които съм виждал преди, са изчезнали. Хранителният разтвор сега съдържаше компактни клъстери от по-малки клетки. Използвайки молекулярни маркери, които се придържат към специфични протеини и светят в различни цветове, когато светлината е насочена към тях, учените успяха да покажат, че гените, специфични за стволовите клетки, вече са включени. Първата фаза беше завършена; следващата стъпка беше да накараме клетките да се превърнат в неврони.
Обикновено стволовите клетки трябва да бъдат насочени, за да се трансформират в специфичен тип тъкан, като се използват химически тригери - например чрез добавяне на повече транскрипционни фактори, специфични за целевите клетки. Но създаването на неврони е относително лесно, тъй като те изглеждат по подразбиране: ако стволовите клетки в лабораторията започнат да се диференцират спонтанно, шансът е голям да се превърнат в неврони. Всъщност видях някои признаци за това дори в собствената ми тъканна проба. Тук-там се виждаха отделни клетки, отделени от компактния клъстер. Забелязах, че една от тези единични клетки започва да пониква - дълги тънки клони, които имат нервните клетки и които обикновено завършват в синапси, където тези неврони предават електрически сигнали помежду си.
Ако тези индуцирани стволови клетки просто се превърнат в клъстери от идентични неврони, няма да има голяма причина да наречем получените тъкани „мини-мозъци“. Нашите мозъци изобщо не са такива. Те са сложни структури, съдържащи няколко различни вида неврони, които произвеждат електрически сигнали. Други мозъчни клетки не са неврони - например глиални клетки, които спомагат за структурирането на мозъка и изпълняват поддържащи, защитни, трофични и други функции. Съществуват и нервни стволови клетки - частично диференцирани стволови клетки, които са фокусирани върху създаването на различни видове мозъчни клетки, които осигуряват на мозъка способността да се адаптира към променящите се обстоятелства - и понякога частично възстановяват нарушените функции.
Заедно с въпроса за разнообразието от клетки в мозъчната тъкан, възниква въпросът как всички те работят. Мозъкът съдържа различни структури и, забележително, мини-мозъкът възпроизвежда някои от тях. Тази организация на тъканите предполага, че самите неврони и други видове мозъчни клетки "знаят" как да се организират, за да формират мозъка. Понякога това подреждане на клетките включва действителното движение на клетката: клетките се движат една около друга, за да намерят правилното си място - обикновено до други клетки от техния тип. Но такова „самосглобяване“изисква ориентири и развиващите се в ембриона органи използват околните тъкани като система от ориентири. Мозъчните клетки например се нуждаят от такива сигнали, за да знаят къде трябва да „расте“мозъчният ствол или да различат предния мозък от гърба.
Мини-мозъкът има определена структура, но не приема съвсем правилната форма. Например, той образува медуларни тръби - но ако само една от тях се появи и се движи надолу по гръбначния стълб в истински ембрионален мозък, за да създаде централната нервна система, мини-мозъкът формира няколко тръби на случаен принцип - сякаш търси гръбначен стълб, който не съществува.
Поради тази причина някои учени с основание се противопоставят да наричат невронния органоид „мини-мозък“. Но ако органелите не са мозъци в истинския смисъл на думата, те „правят“всичко, което могат, за да се превърнат в тях. А учените, участващи в направата им, вероятно ще създадат структури, които наистина са по-подобни на мозъка, след като намерят начини да имитират някои от „ориентационните“посоки в петриево блюдо.
Моят мини-мозък няма такова предимство - това ще бъде само груба скица на мозъка. Но по един или друг начин той е жив. И невроните могат да комуникират помежду си, като изпращат електрически сигнали. Рей планира да демонстрира това, като използва специални методи за откриване на изблици на калциеви йони, отделяни в кръстовищата на синапсите, подобни на тези, наблюдавани в тъканите на истинския мозък. На мен лично не ми пука, че това са „мисли“. Това, което ме притеснява повече, е, че всичко, което се случва в момента в моя (истински) мозък, е резултат (доколкото знаем) от точно такъв процес.
Отглеждането на органели като мини-мозъци извън тялото е потенциално само първата стъпка в регенерацията на тялото. Способността да расте тъкан в лаборатория изглежда полезна и дори жизненоважна - представете си панкреас, отглеждан в лаборатория от диабетични клетки, но генетично „редактиран“и способен да произвежда инсулин. Но напълно оформените органи се нуждаят от кръвоснабдяване и ние не знаем как да го осигурим в клетъчната култура в лабораторията. А някои тъкани, отглеждани в клетъчна култура, като мозъчна тъкан или сърдечен мускул, не могат просто да бъдат поставени на място - те трябва да бъдат напълно интегрирани в съществуващите клетъчни системи. И ние също не знаем как да направим това.
Вярно е, че сега учените изучават възможността за отглеждане на нови тъкани директно в тялото. За целта може да се използват същите методи, които се използват за препрограмиране на клетките, за да се върнат в състояние, подобно на състоянието на стволови клетки, и след това да ги насочат към придобиване на нови характеристики. Това "in vivo препрограмиране" вече е проведено в експерименти с мишки - чернодробните клетки се преобразуват, например, в панкреатични клетки, или сърдечни фибробластни клетки - в пейсмейкърни клетки.
Но двуетапният процес на преобразуване на обикновена клетка в стволова клетка и след това в различен тип клетка, предложен от Рей и Лавджой, е изпълнен с рискове, ако го направите директно в тялото. Стволовите клетки, които са способни да се преобразуват в различни тъкани, могат да бъдат склонни да се превръщат в ракови клетки. Но, забележително, учените установиха, че с правилната комбинация от транскрипционни фактори и молекулярни сигнали, те биха могли да „прескочат“етапа на стволовите клетки, тоест етапа на плюрипотентност, и да превключат един тип зрели клетки директно към друг. Да кажем, създаваме неврони директно от кръвни клетки. Вместо да забавяте развитието на клетките и след това да рестартирате тяхното развитие в различна посока, просто скачате настрани и превключвате към друг тип тъкан. Тестването върху животни е обнадеждаващои сега се разглежда въпросът за провеждане на клинични изпитвания върху хора при регенерация на увредения сърдечен мускул.
Възможностите за този вид препрограмиране на клетки в тялото са поразителни. Някой ден тялото ни ще придобие способността да се регенерира - като онези саламандри, които възстановяват изгубените си крайници. Областите на мозъка, повредени от нараняване или заболяване, като болестта на Алцхаймер, могат да бъдат възстановени чрез подбор на невронални мозъчни клетки (като глиални клетки) и превръщането им във функциониращи неврони. И тъй като тези клетки са създадени на мястото на първоначалната им локализация, поне е възможно те да се интегрират по-добре в околната клетъчна система. Във всеки случай това се случва, когато сърдечният мускул се препрограмира - той се свива в синхрон с останалата част от сърцето.
* * *
В допълнение към потенциалните приложения в медицината, тези открития предполагат необходимостта да преразгледате разбирането си за живия организъм. Ако черният дроб може да се превърне в мускул, кръвта може да се превърне в мозък и кожата да се превърне в костна тъкан, как тогава да мислим за нашия смъртен живот и заминаването в друг свят? Разбира се, раните могат да заздравеят, косата да порасне отново - но ние вече сме повярвали, че имаме само едно тяло. Но когато клетките станат напълно универсални и могат да се адаптират, вече не е напълно ясно дали това всъщност е така.
Каква тогава е човешката същност - биологичното „Аз“? Това очевидно не е това, което компаниите за генетични тестове като 23andMe настояват, че „те правят такъв, какъвто си“, а твоята уникална генетична последователност. Вие сте станали това, което сте само поради начина, по който тази генетична последователност в различни клетки е била ограничена и селективно активирана: процесът на разкриване, интерпретиране и модифициране на генетична информация. Имайте предвид, че в генома ви липсва информация, която напълно определя „вас“, с всичките ви квадрилиони уникални невронни връзки, образувани от непредвидени обстоятелства и преживявания, докато се развивате и растете.
Наистина ли сега имам множество „мозъци“или поне „мозъкоподобни структури“? Все още не знам как да се свържа с това. Вярвам, че по принцип бих могъл да имам „резервно“сърце или черен дроб, създадени по този начин. Но, по мое мнение, мозъкът е твърде обвързан с опит, памет, емоции и характер, за да разглежда всеки друг орган, различен от моя, като съд за моето „аз“. Идеята за „втори мозък“(дори и да не вземете предвид изключително „ненормалния“характер на моя мини-мозък) не е много ясна и няма особен смисъл.
Мисля, че това е облекчение. В края на краищата, след като тези органели изпълнят ролята си в изследванията на Рей, те ще бъдат изхвърлени. И не мисля, че ще чувствам, че някоя част от моето „аз“ще изчезне с тях. Все пак е странно и обезпокоително да се види в какво част от мен, избрана съвсем произволно, може да се превърне в лаборатории в централен Лондон. Трудно ми е да не стигна до заключението, че съществува един вид „мета-мен“, тоест всички тъкани, които биха могли да бъдат създадени от тази първа оплодена яйцеклетка, която се възобнови в утробата през октомври 1962 г. (в моя случай) … Аз съм само едно от въплъщенията на това "мета-мен". Моите граници на личността изглеждат малко по-размити, отколкото тогава.
Но какво, ако процесът на израстване на мини-мозък стане още по-съвършен, преди да можем да му осигурим кръвоснабдяването и координатите, за да го организираме правилно в едно цялостно цяло - преди да можем да създадем нещо много подобно на пълноценен мозък? В момента това е чисто (извинете) мисловен експеримент: просто нямаме възможност, камо ли мотивация или морална обосновка. Но със сигурност е възможно. Какъв морален и онтологичен статус би имал мозъкът в чаша на Петри? Ако човекът, чиито клетки са били използвани за създаването му, умре след това, би ли „живял“в чашата на Петри? Трябва ли в един момент да си зададем въпроса: кой е там?
Филип Бол
