Болезни, которые поражают нервную ткань, сегодня почти невозможно вылечить. Например, при глаукоме повреждается зрительный нерв. Человек постепенно, но необратимо слепнет, и этот процесс можно только затормозить. Но пересадка клеток, созданных из тканей самого человека, могла бы дать пациентам шанс.
В 2021 году ученые лаборатории геномной инженерии МФТИ в сотрудничестве с исследователями Гарвардской медицинской школы впервые в мире пересадили мышам ганглионарные клетки сетчатки, выращенные в пробирке из стволовых клеток. Именно они повреждаются при глаукоме.
Евгений Кегелес — один из сотрудников лаборатории, где и проходят эксперименты с выращиванием сетчаток. Он рассказал ТАСС о том, как строится работа его команды, показал свое рабочее место и поделился мыслями о развитии науки.
О том, как вырастить орган в пробирке
Сегодня мы можем создать почти любой орган из собственных клеток пациента. Мы берем клетки кожи и перепрограммируем их, чтобы превратить в стволовые. Эти клетки изначально есть у каждого — из них формируются (профилируются) все остальные ткани. Например, если мы выращиваем сетчатку, это должны быть светочувствительные клетки и нейроны, которые соединяются с мозгом и передают информацию.
Но отдельная клетка не знает, в какую сторону ей меняться. Когда человек только формируется в утробе матери, запускается программа, которая управляет профилированием клеток — "доводит" их до нужного состояния, чтобы получился нужный орган. Мы пробуем управлять этим процессом: создавать условия, похожие на те, в которых развивается эмбрион.
Сложность в том, что видов клеток в сетчатке очень много — сотни! Они требуют разных химических веществ, на разных этапах. Поэтому мы много экспериментируем и смотрим, что получается. Выращиваем много маленьких сетчаток — десятки тысяч. Развитие одной сетчатки с нуля занимает несколько месяцев. Как повысить эффективность процесса, чтобы сэкономить время и ресурсы? Вот это задача нашей команды.
О том, зачем биологам нужны информатики
Вот у нас растут маленькие группы клеток. Как понять, что из одних получится сетчатка, а из других — нет? Рассматривать каждую под микроскопом — слишком долго. Либо нужно нанимать много людей, ведь у нас тысячи образцов. Ученые придумали заранее встраивать в клетки ген, который заставляет их производить флуоресцентный белок. Когда клетки преобразуются в сетчатку, они начинают светиться. Это сигнал: все хорошо, процесс идет. Мы фотографируем клетки под микроскопом и видим, что в них происходит.
Но есть проблема. Использовать такой белок в клинических условиях, при выращивании органа для трансплантации, неудобно. Когда он попадает в организм, он может вызвать иммунную реакцию вплоть до отторжения. И вот здесь подключаются биоинформатики. Мы попросили их обучить компьютер предсказывать по фотографиям, много ли там клеток сетчатки. А на следующем этапе мы берем уже не светящиеся клетки, а обычные — без этого белка. И обучаем компьютер уже по ним.
У нас биологи и математики-программисты постоянно работают в тандеме. Если какие-то рутинные процессы можно автоматизировать, доверить машине — это хорошо. Например, раствор у нас меняют роботы — мы сами их приспособили. Здесь подключаются программисты. Они пишут программу для роботов, которые оценивают среду в чашках и обновляют ее. Дальше мы отбираем фотографии получившихся органоидов (в нашем случае это делал я), а биоинформатики учат компьютер анализировать их.
О том, как физику понять биолога
Я сам закончил МФТИ по направлению "прикладная математика и физика". Но меня очень рано заинтересовало то, что называется life sciences. И в МФТИ я специализировался на биологическом направлении. Сейчас я назвал бы себя скорее молекулярным биологом, клеточным биологом. У молекулярной биологии много общего с физикой. Например, еще в 30-х годах наш ученый Николай Тимофеев-Ресовский понял, что ДНК — это крупная молекула. И можно вносить мутации, выбивая электроны из атомов этой молекулы, то есть ионизируя ее.
Вообще, представление о биологии как о науке, где ты наблюдаешь за бабочками и цветочками, устарело. Сейчас биология становится точной наукой, которая руководствуется логическими взаимосвязями. Понимая основные принципы взаимодействия атомов и молекул, ты можешь восстанавливать механизмы тех процессов, которые происходят внутри клетки.
О будущем клеточной инженерии
Думаю, главная сейчас задача — добиться стандартизации процессов. Это снижает вероятность ошибок. Нужно, чтобы из раза в раз получалось одинаково, не было случайных мутаций или "неопределившихся" стволовых клеток. И если мы хотим открыть массовое производство, мы не должны полагаться на чутье конкретного человека. Основная часть работы должна выполняться роботизированными системами.
Возьмем производство клеточного продукта для лечения. Допустим, мы разрабатываем терапию глаукомы (не наша группа конкретно, а кто-то, кто пользуется нашими протоколами). В лаборатории мы выращиваем продукт, который потом пересадят пациенту. Нужно протестировать все клетки на безопасность, на совместимость. Ни на одном производстве не будет такого количества обученных людей, которые будут отсматривать каждый образец.
Уже сейчас мы видим, что нейросети — компьютерные программы, обучаемые на больших массивах данных, — могут анализировать изображения с томографа и выявлять развитие рака лучше, чем люди. Такие исследования есть. Почему бы не применить тот же подход в нашей работе? Сейчас наша система предсказывает вероятность дифференцировки лучше, чем человек. Она видит более мелкие детали и закономерности, которые недоступны людям.
О том, как применяется клеточная терапия сейчас
Сетчатка — один из самых сложных органов тела, потому что нервная ткань в принципе устроена сложнее. А что касается других болезней, самый очевидный пример — диабет. При диабете первого типа иммунная система начинает атаковать клетки поджелудочной железы, которые производят инсулин. В результате организм не может утилизировать глюкозу, которая поступает с пищей. Человеку приходится жить на заместительной терапии.
Какой подход может быть здесь? Можно вырастить клетки поджелудочной железы — так называемые бета-клетки. Их можно затем пересадить человеку и восстановить функцию этого органа. Клеточный протокол другой, терапия другая, но возможность есть. Сейчас в фазе клинических испытаний уже находится подобная терапия — правда, она действует немного иначе. Довольно оригинально.
Из выращенных бета-клеток делают подушечку, которая вводится под кожу, где есть доступ к кровеносной системе. Эти клетки реагируют на количество сахара в крови и могут выбрасывать инсулин. Получается такой, по сути, новый орган. Живая инсулиновая помпа.
О том, когда мы научимся пересаживать сетчатку
Обычно мы пересаживаем не весь глаз, а только отдельные ткани. И сроки здесь зависят от диагноза и сложности задачи. Если вы лечите глаукому, нужно вырастить ганглионарные клетки. Если макулодистрофию, вам нужно выращивать светочувствительные клетки (колбочки) и клетки пигментного эпителия. В каждом случае будет отличаться и протокол работы со стволовыми клетками, и сама терапия.
С клетками эпителия проще всего. Уже давно создан протокол их получения, он очень хорошо воспроизводим, то есть из раза в раз в разных лабораториях мы можем получить продукт одного и того же качества. У нас есть четкие критерии — какой продукт хороший, а какой нет. Это главное. С нейронами пока это не получается. И в целом клетки пигментного эпителия сейчас лучше всего изучены.
По моим ощущениям, для светочувствительных клеток выход на клинические испытания терапии — это диапазон ближайших пяти лет. А если говорить о ганглионарных клетках для лечения глаукомы — скорее десяти. Во-первых, они очень сложные, там много подтипов. Во-вторых, сложнее и процесс доставки. Ведь доставить клетки в организм, заставить их прижиться и заработать — это отдельная большая задача.
Технология доставки выращенных клеток уже активно изучается для пигментного эпителия сетчатки. Это внешний слой, который обслуживает сетчатку, и он повреждается при возрастной макулярной дистрофии. В 2018 году четырем пациентам пересадили выращенные клетки, и у всех из них прекратилось ухудшение зрения, вызванное болезнью. Там наносится специальный гель, он разлагается, а клетки встраиваются в сетчатку. Так что это уже почти клиническая практика.
В случае фоторецепторов, если они оказались в сетчатке, они уже могут функционировать. А у ганглионарных тело находится в сетчатке, но они еще должны дотянуться до мозга и передать ему информацию. Им нужно провести отросток, который дойдет до зрительного нерва, а через него — до головного мозга. У нашего организма есть программа поиска пути для нейронов. Если задать нейрону цель, куда он должен расти, этого можно добиться.
Нужно, чтобы клетка выжила, отрастила отросток, нашла, куда ему пролезть, и нашла свою цель. И здесь тоже много случайного. На каждом этапе нас может ждать провал. Поэтому и испытаний нужно больше, и времени на них — тоже. Но рано или поздно, я уверен, мы возьмем эту высоту.
О том, опасны ли эксперименты со стволовыми клетками
Работать со стволовыми клетками у нас не запрещено — при условии, если это не эмбриональные клетки, то есть получены не из зародыша. Есть линии эмбриональных клеток, которые были получены много лет назад, их размножают и используют в лабораториях по всему миру. Но новые линии таких клеток мы по закону получать не можем, это считается неэтичным.
Но есть и так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Как они получаются? Берем, допустим, клетки кожи. Перепрограммируем их, чтобы они снова стали стволовыми, по сути — молодыми, перед которыми "все дороги открыты" (это и называется "плюрипотентные"). И из них уже выращиваем те, которые нам надо. Сейчас технология уже хорошо отлажена: мы можем с помощью биопсии взять у пациента клетки, превратить их в стволовые и вырастить нужные нам клетки любого типа.
Опасность может возникнуть, если не следовать протоколам безопасности. Например, если в финальном продукте останутся недифференцированные клетки, они могут начать делиться уже внутри организма. Это приведет к образованию опухоли. Кстати, не случайно стволовые клетки до определенного момента очень похожи на раковые. Они тоже откатываются назад и открывают для себя возможность деления и дифференцировки в разные подтипы.
Важно иметь понимание, как проверять безопасность терапии. Чтобы не было такого, когда отдельные ошибки приводят к запрету всех исследований. Так чуть не случилось с генной терапией. В одном из испытаний умер человек, и лет на семь — десять остановилось развитие в этой области. А дело было в том, что неправильно подобрали дозировку вируса, который вносил генетическое изменение. Это вызвало слишком сильный иммунный ответ. Сейчас мы видим, что генетические препараты активно регистрируются — допустим, "Золгенсма" фактически самый эффективный препарат для лечения спинальной мышечной атрофии.
Если мы договоримся об этом, я думаю, все будет хорошо. И конечно, нужен контроль за исследованиями. Понятно, что если стволовые клетки применяются где угодно, без лицензии, мы можем получить новые громкие скандалы и репутация технологии будет подорвана. Но за ней будущее.
О том, будет ли клеточная терапия доступной
Конечно, это недешево. Во-первых, это огромный человеческий ресурс, потраченный на разработку. Много денег уходит на реагенты, они очень дорогие. И дальше есть огромные фазы доклинических и клинических испытаний. Нужны тысячи животных: сначала мыши, потом приматы. Содержание одного примата стоит миллион рублей в год. Тестирование на людях предполагает работу множества врачей, и за это тоже платит производитель.
Но со временем производство будет удешевляться. Это неизбежно. Будут внедряться стандартизированные протоколы, а это значит, что будет открываться больше производств, которые станут работать по лицензии. Поэтому так важно уже на ранних стадиях исследований найти способ сэкономить ресурсы. И это в том числе наша задача.
На самом деле, прогресс в нашей области идет достаточно быстро. Получение клеток сетчатки из стволовых клеток — это результат последних десяти лет. В 2011 году это получилось на мышиных клетках, в 2013 году — на человеческих. За это же время была создана технология секвенирования единичных клеток. Как раз с ее помощью можно узнать, как клетка выбирает путь развития. И управлять этим развитием в лаборатории.
О научной работе в России и на Западе
Я думаю, что наши топовые вузы по качеству образования не уступают хорошим американским. Мне трудно судить о всем образовании в целом. Но по ощущениям, в своей области я не чувствовал, что хуже знаю предмет или у меня меньше кругозор. Вообще, мнение, что американское высшее образование всегда лучше, — это миф. Особенно это заметно по выпускникам средних вузов, которые были гораздо слабее меня.
На Западе научные группы взаимодействуют активнее друг с другом. Каждая лаборатория занимается чем-то узким, но очень открыта к совместным проектам. Допустим, одни хорошо умеют выращивать ткани, а другие — делать операции на глазах. Они вместе делают проекты, и за счет этого очень быстро достигается результат. Тебе не приходится наращивать свои знания и умения в другой области. Мне лично в России этого не хватает. Хотя и есть тренд смещения к западной модели. Наша наука идет в сторону коллаборативной работы.
В принципе я считаю, что наука не должна иметь границ. Не должно быть российской, американской или немецкой науки. Она должна быть мировая. И это должна быть всегда коллективная работа — чтобы кто угодно мог взаимодействовать с кем угодно. Неважно, в какой стране, в государственном учреждении или в частном. Главный критерий — исследовательские компетенции в определенной области, которые тебе нужны.
Научная работа в целом — слабоконтролируемый, нелинейный процесс. Очень многое зависит от везения. Встретишь ты нужного человека или нет. Удастся опыт или нет. Реальность такова, что многие наши эксперименты не удаются. Поэтому главное — не сдаваться, несмотря на неудачи. И не врать себе. Никогда не врать, потому что соблазн подтасовать что-то в статье может быть очень велик. Но это может дорого обойтись и твоей команде, и всем людям.
Сейчас я бы хотел познакомиться с как можно большим количеством специалистов в моей области, объединить усилия. В мире достаточно много сильных специалистов, и все решает именно широта твоих связей. А в идеале я бы хотел создать хотя бы одну клеточную терапию, которая вошла бы в клиническую практику.
Подготовил Антон Солдатов