Ataugančių žmogaus galūnių kodo įminimas

Perprogramuotos kirmėlės išsiaugina dvi galvas

Tiriate žmogaus kūno dalių atauginimo metodus. Ar daug rūšių gali natūraliai jas atsiauginti?

Daug gyvūnų gali atsiauginti prarastas galūnes. Dažniausiai, plėšrūnui sugavus driežą už uodegos pastarasis pabėga, palikdamas tik savo uodegą. Norėdami pabėgti, driežai gali ne tik lengvai numeta savo uodegas, tačiau ir jas atsiaugina.

Kai kurie vabzdžiai, pavyzdžiui, tarakonai, gali atsiauginti kojas. Tą patį sugeba salamandros, jūrų žvaigždės ir omarai. Zebražuvės (Danio rerio) pelekai taip pat yra vienas iš daugelio prarastų galūnių atsiauginimo pavyzdžių. Įdomu tai, kad zebražuvės geba šiek tiek atauginti savo širdį. Elniai atsiaugina ragus – kasmet atnaujina milžinišką kaulų, nervų ir odos kiekį.

Ar atauginta galūnė būna tokia pati, kaip prarastoji?

Kartais, bet ne visada. Pavyzdžiui, salamandros gali visiškai atsinaujinti galūnes, o buožgalvių atnaujintose uodegose struktūra yra gera, tačiau joms trūksta kelių nervų tipų. Geriausiai tai atlieka Planaria kirmėlės. Atsinaujinimas nepriekaištingas; jos gali atsiauginti bet kurią savo kūno dalį, netgi galvą. Tiesą sakant, neseniai atliktas tyrimas parodė, kad Planaria plokščiosios kirmėlės atsiaugina ne tik galvą, tačiau ir visą informaciją, turėtą iki jos netenkant!

Taip pat jaunoms varlėms sukėlėte kojų ataugimą. Kaip jūs tai padarėte?

Prieš kelis metus mano laboratorijoje buvo tiriami bioelektriniai signalai – ląstelės ramybė potencialo pokyčiai audiniuose ar organuose – leidžiantys jauniems buožgalviams atauginti uodegas. Nustatėme, kad atauginimui reikia dviejų komponentų ant žaizdos ląstelių paviršiaus, sukuriančių reikiamą bioelektrinę būseną: protonų siurblio, siurbiančio vandenilio jonus nuo ląstelių paviršiaus, ir specialaus natrio kanalo, leidžiančio natrio jonams pratekėti per ląstelės membraną. Ši bioelektrinė būsena labai svarbi, kad ląstelės pakankamai daugintųsi ir atkurtų struktūrą, kad būtų įjungti specifiniai regeneracijos genai ir kad nervai plėstųsi naujojo augimo kryptimi.

Kaip jums pavyko sukurti būtiną bioelektrinę būklę vyresniems buožgalviams ir varlėms?

Reikia paleisti „kojų kūrimo modulį“. Per pastarąjį dešimtmetį sukaupti duomenys rodo, kad tokie moduliai jau yra užkoduoti ląstelių ramybės potencialo išsidėstyme viso kūno audiniuose – ši struktūra apsprendžia, kokie tai yra audiniai bei organai ir kur.

Pirmiausia, panaudodami genų terapiją, pritaikėme mielių protonų siurblį bioelektrinės regeneracinės būsenos sukėlimui vyresnio amžiaus buožgalviams, kurie paprastai atsiauginti savo uodegų nebegali. Tai privertė atsiauginti funkcionuojančias uodegas kartu su stuburo styga.

Tada sukūrėme vaistų mišinį, sukeliantį tą pačią būseną be genų terapijos. Davę šio vaistų mišinio jaunoms varlėms paskatinome jų užpakalinių kojų ataugimą..

Ar galime šias gyvūnų galūnių atauginimo žinias pritaikyti žmonėms?

Žmonėms ir paprastesniems gyvūnams būdingi tie patys biologiniai ląstelių procesai, taip pat ir struktūros formavimosi mechanizmai – baziniai palaipsniniai procesai – kurių reikia sudėtingų organų atkūrimui. Pagrindinis bioelektrinio veikimo valdymas tikriausiai taip pat panašus.

Nuo tada, kai vokiečių fiziologas Emil du Bois-Reymond 1843 m. pirmasis panaudojo galvanometrą žmogaus odos ir žaizdų elektros srovių matavimui, jos buvo tiriamos šimtais kitų eksperimentų su gyvūnais. Šios srovės vaidina svarbų vaidmenį žaizdų gydymui.

Naujausias mūsų darbas apie suaugusio žmogaus kamienines ląsteles, bendradarbiaujant su David Kaplan bioinžinerijos laboratorija Tuftse, parodė, kad ramybės potencialai visame ląstelių paviršiuje gali kontroliuoti jų vystymąsi į skirtingo tipo ląsteles. Tačiau svarbiausia šiame metode yra ne pavienių ląstelių kontrolė, bet supratimas, kaip bioelektrinis bendravimas tarp didelių ląstelių grupių vadovauja sudėtingų struktūrų augimui.

Taigi, iš principo, vieną dieną bus galima atauginti žmogaus galūnes. Ko reikia, kad tai pasiektume?

Reikia dviejų dalykų. Pirmiausia reikia „nulaužti“ bioelektrinį kodą, – išsiaiškinti konkrečių organų struktūrų kūrimo bioelektrinių gradientų modelį. Neseniai parodėme, kad galime tiesiog perprogramuoti bet kurią varlės embriono dalį akies sukūrimui. Taip pat perprogramavome užpakalinius plokščiųjų kirmėlių audinius visiškam galvos atkūrimui. Tačiau tai tik ledkalnio viršūnė; tik pradedame suprasti kokie signalai nurodo geometrinį organų išsidėstymą kūne. Dabar mūsų tikslas – suprasti, kurie bioelektriniai modeliai koduoja „sukurk galūnę“ signalą.

Ko dar reikia?

Antra, mums reikia pristatymo priemonės – teisingo būdo pritaikyti bioelektrinę būseną ląstelėms žaizdose. Vienas iš pavyzdžių yra BioDome prietaisas, pagamintas Kaplan laboratorijoje. Tai nešiojamas bioreaktorius, sukuriantis vandens aplinką tarsi vaisiaus skystį. Jame galime sukelti reikiamas jonų sroves – tuo pačiu ir tinkamas įtampas – žaizdoje ir naujame audinyje.

Taigi, tam, kad galų gale būtų galima atauginti žmogaus galūnes, pirmiausia reikia tobulinti signalų priėmimo priemones ir tik po to – siuntimo. Kada nors šis tikslas bus pasiektas ir tikėtina, kad jį naudosime sunkioms galūnių traumoms, labiausiai tikėtina, žmogaus rankų atauginimui.

Ar daug mokslininkų dirba su šiuo atauginimo metodu?

Kol kas dirbančių šioje srityje yra labai mažai. Buvo atlikti labai geri elektrinių laukų poveikio ląstelių elgsenai tyrimai, tačiau svarbiausias yra molekulinis supratimas ir natūralių įtampos gradientų, lemiančių sudėtingų organų, pavyzdžiui, galūnių, akių, smegenų ir t.t. vietą kūne ir jų struktūrą, valdymas.

Dauguma laboratorijų koncentruojasi į kamieninių ląstelių biocheminį ir mechaninį valdymą, kad galėtų sukurti organus transplantacijai. Žinoma, net jei būtų galima išspręsti visas kamieninių ląstelių biologines problemas ir paversti jas į bet kurį norimą ląstelių tipą, vis tiek susidurtumėme su problema kaip sukurti sudėtingą organą, pavyzdžiui, galūnę.

Tiesioginis smulkus sudėtingų organų surinkimas iš kamieninių ląstelių bus sudėtingas, labai sudėtingas. Bioelektra gali sukelti didelius pokyčius, ne tik pakeisti vieną kamieninės ląstelės tipą į kitą. Štai todėl manau, kad daugiausia dėmesio reikia skirti strategijai, kuri panaudoja paties šeimininko organizmo žinias apie organų kūrimą.

Kaip dar būtų galima išnaudoti šios technologijos galimybes?

Kontroliuodami struktūros formavimą, galėtume atlikti bet kokio pažeisto traumos, ligos, degeneracijos, vėžio ar netgi senėjimo organo sutvarkymą. Pavyzdžiui, Planaria plokščiosios kirmėlės neturi žinomos gyvenimo trukmės ar amžiaus, nes jos nuolat atsinaujina savo audinius.

Iš esmės, platus atkūrimo valdymas yra daugumos biomedicinos problemų sprendimas. Be to, tai padarys milžinišką poveikį visuomenės ekonomikai. Norėdami pratęsti paskutinius savo gyvenimo metus mes susiduriame su neišvengiama vis brangesnių gydymų spirale. Kadangi kiekvienas naujas senstančio žmogaus gydymas tarsi gelbėja skęstantį seno kūno laivą, kiekvienas naujas žmogaus gyvybės išsaugojimo postūmis tampa vis dar brangesnis. Atsinaujinimas gali nutraukti šį ciklą, skatindamas naujų, sveikų organų išauginimą visam gyvenimui.

Jūs turite planą, tad kaip manote, kiek prireiks laiko jam įgyvendinti?

Negaliu tiksliai pasakyti kiek laiko reikės, viskas priklauso nuo mokslo tobulėjimo spartos bei, savaime suprantama, šio brangaus tyrimo finansavimo. Bet manau, kad tokie eksperimentai su gyvūnais, pavyzdžiui su varlėmis, leis mums ir kitiems galiausiai nulaužti bioelektrinį kodą ir suprasti, kaip ląstelių grupės gali kaupti geometrinę „atmintį“ arba šabloną organų, kuriais jos turėtų tapti.

Kai išmoksime kalbėti šia bioelektrine kalba, galėsime ja pasinaudoti ir skatinti atsinaujinimą kai jis bus reikalingas. Taip pat tie patys signalai bus kapitalizuojami sintetinėje inžinerijoje, nes mes ne tik atstatysime natūralius organus, tačiau naudosime bioelektrinį formos valdymą naujų hibridinių struktūrų kūrimui – norimos specifikacijos biobotams.

Nesu tikras, kaip ir kada mes galėsime įveikti šios technikos panaudojimo medicinoje iššūkius. Bet apskritai į šį metodą žvelgiu optimistiškai.

Katia Moskvitch
New Scientist № 2971