На пороге биологической революции. Интервью с директором ИБР РАН Андреем Васильевым

Клеточные технологии открывают новые возможности для российских ученых и врачей. Какие важнейшие подходы используются в регенеративной медицине? Как клеточная биология и генетика помогают решать морально-этические проблемы? Чем опасны побочные эффекты геномного редактирования клеток? Зачем исследователи заставляют клетки организма возвращаться на стадию эмбриона? О том, как наука приближает человека к истинной регенерации, рассказывает директор Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Андрей Валентинович Васильев. 

Андрей Валентинович Васильев — директор Института биологии развития имени Н.К. Кольцова РАН, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заместитель председателя Совета РАН по генно-инженерной деятельности. Специалист в области клеточных механизмов развития и регенерации, клеточных технологий и тканевой инженерии. Заведующий кафедрой эмбриологии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Главный редактор журнала «Онтогенез».

— Возможности регенерации человеческого организма крайне ограничены и основаны не на полноценном восстановлении повреждения, а на его заполнении замещающей тканью. Какие негативные последствия есть у этого процесса?

— Я очень благодарен вам за этот вопрос, потому что нужно понимать возможности регенеративной медицины. Это научное направление очень многообещающее, но с ним, как часто бывает, связано большое количество иллюзий. Некоторые считают, что регенеративная медицина может помочь восстановить все и вся. В перспективе такое, наверное, действительно произойдет, но надо хорошо понимать, что нужно делать для того, чтобы добиться так называемой управляемой регенерации.

Андрей Валентинович Васильев рассказал «Научной России» о развитии клеточных технологий и регенеративной медицины и впечатляющих возможностях, которые открывают эти научные направления.

Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Цель управляемой регенерации — восстановление структуры или функции. Это не всегда одно и то же. Часто их можно развести: не восстанавливать структуру, но восстанавливать или замещать функцию, используя методы регенеративной медицины. Здесь существуют два подхода. Первый — это истинное замещение, которое ближе к трансплантации органов и тканей, когда в лаборатории — например, в такой, где мы с вами сейчас находимся, — можно вырастить орган или ткань, пересадить их пациенту и тем самым заместить поврежденную или утраченную структуру. Второй подход не менее интересен: можно стимулировать управляемую регенерацию, которая приведет к запуску всего комплекса молекулярно-генетических, биохимических и других механизмов, нацеленных на восстановление структуры или функции в организме.

Таким образом, существуют два разных подхода. Первый — это новая трансплантология, когда мы отказываемся от донорства органов и тканей и пытаемся вырастить нужную нам биоинженерную конструкцию вне организма. Второй связан с биомедициной, регенеративной биологией и регенеративной медициной.

Возвращаясь к вашему вопросу: вы правы, у человека нет истинной регенерации. Есть, например, тритон, которому можно отрезать лапку и ей на замену вырастет точно такая же — в крайнем случае, может быть, немножко редуцированная в размерах. То же касается ящерицы, которую можно ухватить за хвост, а она отбросит его и затем отрастит новый. У человека, к сожалению, так не происходит. Считается, что потеря способности к регенерации — это наша плата за специализацию, так как мы — высокоспециализированные организмы не только в интеллектуальном, но и в функциональном, биологическом смысле. Однако в организме человека есть компенсаторный механизм, приводящий вместо истинной регенерации к формированию «заплаток» — регенерационных псевдоструктур. Сюда можно отнести рубец, фиброзную ткань, замещение утраченных клеток жировой тканью и т.д. С одной стороны, это хорошо. С другой стороны — плохо, когда развивается гиперфиброз: поврежденная ткань или орган массово замещаются не специализированными нужными клетками, а псевдорегенерационной фиброзной тканью.

А.В. Васильев провел для съемочной группы «Научной России» экскурсию по институту.

Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Приведу неприятный пример — инфаркт миокарда. В идеале в случае повреждения сердечной мышцы дефект должны замещать соответствующие клетки — кардиомиоциты, чтобы сердце продолжило успешно работать. Однако вместо этого повреждение замещается другим типом клеток: на сердечной мышце формируется рубец.

Это хорошо, потому что во многих случаях этот рубец так или иначе справляется со своей функцией. Разумеется, он не столь хорош, как истинная ткань сердечной мышцы, но в принципе способен помогать в латании дыр. Однако если повреждение серьезное и сформировавшаяся рубцовая ткань получилась достаточно грубой и обширной, то сердечная мышца не может нормально работать. Это может привести к потере функции и гибели всего организма.

Таким образом, наша задача заключается в том, чтобы, с одной стороны, управлять процессом формирования рубца, с другой — попытаться заместить компенсаторную регенерацию на истинную, потенция к которой в организме человека в принципе есть. Итак, что могут здесь сделать специалисты, занимающиеся клеточной, молекулярной, регенеративной биологией, проблемами развития? Я обращаю внимание на проблемы развития, потому что регенерация — это вторичное развитие, одна из областей биологии развития. Истинная регенерация реализуется по тем же механизмам, по которым развивается организм, начиная от момента формирования новой жизни. Поэтому, изучая проблемы регенерации, мы как раз обращаемся к механизмам эмбриогенеза.

Так вот, мечта человечества и прежде всего ученых — добиться возможности быстрого получения для конкретного человека его собственных клеток, не вызывающих реакции отторжения. Они называются аутологичными («из меня — мне»). Еще есть подход с донорскими клетками — аллогенными («от меня — вам»), это заместительная терапия. Иными словами, исследователи мечтают, чтобы, например, в случае обнаружения у пациента инфаркта, можно было оперативно получить для него аутологичные клетки сердечной мышцы и провести трансплантацию. Это крайне сложно, поэтому пока мы довольствуемся иными подходами. Но это та глобальная стратегическая цель, ради которой мы все работаем.

Достижение задуманного осложняется тем, что в данной области есть серьезные риски и масса препятствий. Одно из самых больших ограничений — необходимость обеспечения безопасности клеточной композиции, прежде всего с точки зрения онкологических рисков. Любые клетки способны трансформироваться в злокачественные. В организме подобные превращения происходят достаточно частно, но иммунная система уничтожает эти клетки. А если мы будем готовить клеточную композицию вне организма — вне контроля иммунной и гормональной систем, — то может происходить озлокачествление клеток. И тогда такая биологическая клеточная структура в принципе не может быть пересажена в организм человека.

Онкологическая опасность преследует всех исследователей, занимающихся биомедициной, начиная от самых простых лекарственных препаратов. По этому критерию оцениваются все лекарства, но в случае, когда мы работаем с жизнеспособными клетками, да еще и в аутологичном варианте (с клетками пациента), онкологические риски возрастают во много раз и соответственно во много раз повышается ответственность исследований, нацеленных на приведение исчерпывающих доказательств, что продукт безопасен.

— Как в современной регенеративной медицине применяются генетические технологии, включая редактирование генома? Какие перспективы у этого научного направления?

— Вот уж что точно можно назвать революцией, так это генетические технологии. Некоторые считают революцией использование клеток, но получается, что этот переворот растянулся на период порядка 30 лет, потому что первые подходы к применению клеточных технологий появились в 1950–1970-е гг. Итак, эти методы разрабатываются в течение многих десятков лет и уже широко используются. А возможности генетической модификации клеток появились не так давно, около 10–20 лет назад. Технологии редактирования генома вообще были разработаны сравнительно недавно.

Так вот, генетические технологии — это действительно революция. Под революцией я подразумеваю то, что они дают абсолютно новое качество и возможности, которые ранее были для нас недоступны.

В частности, генетические технологии открывают новые горизонты в лечении наследственных заболеваний. В конце 2023 г. была оглашена очень значимая новость: в ряде стран одобрили метод лечения серповидноклеточной анемии при помощи генетических и клеточных технологий. Это достаточно тяжелое наследственное заболевание, вызываемое патологией клеток крови. Данное нововведение открывает фантастические возможности. Думаю, далее подобные технологии постепенно начнут применяться во всех сферах: спектр заболеваний, для которых будут разработаны такие методы лечения, будет множиться.

Биологические материалы, с которыми работают сотрудники ИБР РАН, требуют особых условий хранения.

Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Почему я считаю, что этот подход замечательный? Потому что сегодня у нас есть технологическая возможность выделить клетки пациента, культивировать их вне организма, а затем подвергнуть необходимым генетическим модификациям: например, если в клетках есть единичная патогенная мутация, методом редактирования генома вырезать и заменить конкретный ген, или сделать генетическую вставку, или реализовать какой-либо другой биоинженерный подход.

Затем, как я говорил ранее, измененные клетки необходимо исследовать на безопасность. Любая клеточная модификация вероятностна: она не бывает стопроцентной. Кроме того, существуют так называемые off—target (нецелевые) эффекты — например, когда генетическая конструкция нацелена на изменение одного гена, но она «узнает» в других участках ДНК некоторые схожие последовательности и «режет» их, внося в геном нецелевые изменения. Это тоже достаточно серьезная и опасная проблема. Отмечу, что генетическая модификация 5–20% клеток из всей выбранной популяции — это очень хороший результат. Остальные клетки при этом не пройдут модификацию. Однако можно, пользуясь лабораторными возможностями, отобрать клетки, в которых произошла генетическая модификация, проверить их на безопасность (в частности, отсутствие онкологических рисков) и функциональность и только после этого ввести обратно в организм человека, но уже только целевые.

Помимо этого, существует подход, при котором генетическую конструкцию можно ввести непосредственно в организм человека и она также будет выполнять там свои функции. Но именно метод сочетания генетических и клеточных технологий обеспечивает бóльшую эффективность и бóльшую безопасность.

Хочу поделиться следующим наблюдением. У Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) существует список из десяти заболеваний — «врагов человечества», вносящих самый большой вклад в смертность населения планеты. Его первые строчки занимают сердечно-сосудистые заболевания. В него также включены диабет, болезни почек и легких, инфекционные заболевания. Так вот, анализируя этот список, я поймал себя на мысли, что мы можем прогнозировать победу примерно над половиной этих недугов методами клеточной и генетической инженерии.

Если говорить об инженерной составляющей, сегодня этот подход действительно играет значимую роль. Мы используем биотехнологические методы культивирования клеток, иногда в больших масштабах; задействуем наработки генетических конструкций, которые затем будут использованы для модификации клеток, векторных систем, систем редактирования генома. И это замечательно и интересно.

Сотрудница ИБР РАН за работой.

Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Отдельно нужно рассказать о борьбе с инфекционными заболеваниями. Все знают о вирусе иммунодефицита человека (ВИЧ). Ученые обнаружили, что на севере Европы проживает популяция людей, обладающих природной резистентностью к ВИЧ. Иными словами, у них от рождения отсутствует ген, отвечающий за появление в организме рецептора, на который «садится» ВИЧ. И эти люди прекрасно живут. У исследователей возникла идея провести искусственную модификацию клеток костного мозга для того, чтобы вырезать этот ген у пациентов, сделав их резистентными к ВИЧ. И в принципе это возможно. Это фактически даже получилось, потому что появился так называемый берлинский пациент — человек, больной СПИДом, которому пересадили костный мозг от донора из той самой северной популяции европейцев, имеющей природную резистентность к ВИЧ. В результате этот пациент получил резистентность и выздоровел, у него был достаточно большой период ремиссии. Сегодня многие исследовательские группы бьются над тем, чтобы реализовать подобную технологию.

К чему я это говорю? ВИЧ — это очень серьезное и неприятное заболевание, с распространением которого нужно бороться, но этот же подход можно использовать для получения резистентностей к большинству инфекционных заболеваний. Таким образом, клеточные технологии в сочетании с генетическими модификациями могут использоваться для лечения не только наследственных или хронических болезней, но и инфекционных и онкологических заболеваний. Например, сегодня широко используются так называемые CAR—T-клетки, позволяющие эффективно лечить некоторые опухоли.

Итак, мы переживаем настоящую биологическую революцию. Наука развивается очень быстро и часто непредсказуемо быстро. Многие футурологи делают прогнозы, а жизнь почему-то не хочет развиваться согласно их предсказаниям. Технологии и наука эволюционируют в соответствии с собственными внутренними механизмами. Пока называют сроки в 30, 40, 50 лет, но я боюсь — в хорошем смысле слова, — что все будет происходить намного быстрее, потому что сегодня интенсивность исследований очень высока. Я думаю, что в течение ближайших 10–15 лет мы увидим ярчайшие достижения.

Оказалось, что развитие науки способно решить и морально-этические проблемы. Выдающийся японский ученый Синъя Яманака предложил фантастический с точки зрения биологии метод, позволивший ученым, взяв любые соматические клетки организма (например, клетки кожи) и обеспечив в них высокий уровень экспрессии четырех генов, превращать их в клетки внутренней клеточной массы бластоцисты. Другими словами, мы можем сегодня взять клетки, например, от вас, и преобразовать их в клетки вашего зародыша — такого, каким вы были энное количество лет назад.

Справка: Бластоциста — структура, которая формируется после оплодотворения яйцеклетки и в дальнейшем трансформируется в эмбрион. Важное свойство клеток внутренней клеточной массы бластоцисты — плюрипотентность: способность преобразовываться в любые клеточные типы организма. Благодаря плюрипотентности из этого вида клеток формируются все органы и ткани зародыша.

Хочу отметить, что Яманака оказался не только блестящим ученым, но и очень ответственным человеком, который не бросился сразу внедрять эти клетки в клинику. В результате этого достижения у ученых появилась возможность дифференцировать данные клетки — как это называется, с индуцированной плюрипотентностью — во все 210 клеточных типов организма человека. И из них можно как раз вырастить сетчатку, гепатоциты, бета-клетки поджелудочной железы и многое другое. Но при одном условии: если обеспечить их онкологическую безопасность, потому что эти клетки обладают стопроцентной онкогенностью. Сегодня мы получаем и дифференцируем эти клетки, и это прекрасный подход.

В одной из лабораторий Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН.

Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»

Помимо этого, выяснилось, что из таких искусственно полученных клеток внутренней клеточной массы бластоцисты можно сформировать и зародыш. Это дало возможность формировать эмбриологические структуры вне организма человека при помощи биоинженерных технологий. Сегодня это совершенно блестящее окно возможностей для изучения раннего эмбриогенеза, так как раннее развитие человека изучено достаточно плохо из-за того, что сокрыто в организме матери и исследователь не может его наблюдать. Для того чтобы подсмотреть за этим процессом, существуют лишь несколько «окошек», но бóльшая часть развития человека все равно протекает скрыто, а у него есть множество интересных особенностей. И благодаря технологии формирования зародыша в лабораторных условиях ученые получили возможность исследовать раннее развитие человека. При этом в процессе не разрушается никакой эмбрион, не происходит вторжения в этически и морально сложную область манипуляций с половыми клетками человека — все процедуры проводятся вне организма.

Речь, разумеется, не идет о клонировании или искусственном создании человека. Вообще, я считаю, что клонирование человека, которое, что правильно, запрещено с юридической точки зрения, бессмысленно и с позиции биологии, потому что клон — это не копия организма. Например, если вы захотите клонировать свою любимую собаку, то и окрас, и пятнышки, и характер ее клона будут другими. Даже братья-близнецы отличаются друг от друга и характерами, и внешностью, и поведением.

Поэтому в данном случае речь идет не о каких-либо опасных технологиях и подходах, способных поколебать морально-нравственные устои общества, а об иных возможностях. Первая, как я уже сказал, касается исследования раннего эмбриогенеза человека. Вторая же связана с применением этого подхода к животным. В этой области мы можем добиться очень больших результатов, так как у нас есть возможность и работать с сельскохозяйственными животными, и восстанавливать редкие виды, и создавать новые, химерные организмы. Приведу пример, который отчасти связан и с генетическими технологиями. Во всем мире существует проблема переработки рогов крупного рогатого скота, идущего на мясо. Для решения этого вопроса ученые вывели генетически модифицированную породу крупного рогатого скота без рогов. Это одно из, вероятно, немного забавных, но значимых достижений биоинженерии и биотехнологий.

Таким образом, я думаю, что в обсуждаемой сфере мы не увидим появления подходов к искусственному получению человека: научное сообщество далеко даже от постановки подобных задач. Перед исследователями стоят другие цели: изучение раннего эмбриогенеза, получение животных с заданными свойствами, а также целевая дифференцировка плюрипотентных клеток, которые можно взять из организма человека и использовать для получения тканей и органов и их последующей трансплантации. Полагаю, что у этих направлений огромные перспективы.

Название видео

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ 

Источник: scientificrussia.ru