Oleme harjunud mõtlema endast kui valmistoodangust. Finiš ei pruugi olla täpselt selline, nagu me tahaksime, kuid sellest pole võimalik mööda saada. Ühest viljastatud munarakust areneme rakkude ja kudede järjestikuse moodustumise protsessis, kuni jõuame siia maailma, rebides end karjudes ja droolides. Ja sellest hetkest algab pikk ja tavaline lugu, mis lõpeb ilma hammasteta, "silmadeta, maitseta, kõigeta".
Kuid see iidne Shakespeare’i lugu närbumisest, lagunemisest, lagunemisest ja sellest tulenevalt unustusest pole enam tegelikkuse täpne peegeldus. Nüüd on meil vahendid kahjustatud koe parandamiseks ja asendamiseks. Räägin omast kogemusest. Viimase paari kuu jooksul olen jälginud, kuidas mu käest välja lõigatud lihatükk muutuks struktuuriks, mida nimetatakse "organoidiks", miniatuurseks organiks. Minu puhul on sellest saanud struktuur, mida mõned nimetavad mini-ajuks - see on umbes külmutatud hernese suurune ja näitab paljusid emakasiseses lootel kasvava tõelise aju tunnuseid. Olen näinud tõendeid selle kohta, et sellises koes olevad neuronid võivad välgatada, saates üksteisele signaale. Oleks liiga poeetiline nimetada neid signaale mõteteks,kuid need on "mõtte aine".
Minu liha võiks olla midagi muud, kui teadlased selle otsuse langetaksid. See võib muutuda neeru organoidiks või struktuuriks, mis sarnaneb südame või kõhunäärme mõne osaga. See võib muutuda valgustundlikuks koeks nagu võrkkest. Olemasolevate tõendite põhjal on kindlaks tehtud, et temast võib saada elusolu alguseks munarakk või sperma või midagi sellist nagu tõeline embrüo. Temast võib saada osa "minust" või selle osa. Järelikult on olemas tehnoloogia, mis võimaldab teil fantaasiaid õhutada ja külvata ahvatlev mõte surma petta, taastades haige organismi või luues isegi uue, laboris kasvatatud, vana asemele.
Mary Shelley romaani Frankenstein ilmumise 200. aastapäeva aastal oleks lihtne kõike groteskset, kui mitte apokalüptilist, ette kujutada. Oletame, et kujutleme Aldous Huxley düstoopilises romaanis “Vapper uus maailm” nagu kolhoosides tellimuseks kasvanud inimesi. Kuid minu miniaju (neid on mitu) kasvasid heaks eesmärgiks. Nad on osa projektist Created Out of Mind, mida rahastab sõltumatu rahvusvaheline heategevusorganisatsioon Wellcome Trust, mille eesmärk on laiendada meie teadmisi dementsusest ja selle all kannatavate inimeste eest hoolitsemise põhimõtetest. Need organellid loonud teadlased uurivad dementsust põhjustavate neurodegeneratiivsete häirete geneetilist alust. Minu uuringus kasutatakse minu miniaju, mis tähendab, et tõenäoliselt kaaitab kunagi aeglustada teiste inimeste aju sulgemist.
* * *
On loomi, näiteks salamandrit, kes suudavad taastada terve kaotatud jäseme, mis koosneb mitut tüüpi kudedest. Meie inimkeha on väikeste haavade paranedes võimeline nahka taastama, kuid muidu suudab see parimal juhul luua vaid üksikuid väikeseid kareda armekoe "plaastreid". Kuid kui mõni orel ebaõnnestub, ei saa seda taastada ja ta sureb. Me võime ellu jääda doonori siirdamise või mehaanilise proteesiga. Kuid koe kasvatamine erinevat tüüpi rakkude saamiseks ja selle tulemusena võimalik, et terved miniatuursed organellid võimaldavad nüüd regenereerimisvõimet, mis on näiteks salamanderil, inimestele kättesaadavaks teha. Nendel tehnikatel pole mitte ainult meditsiinis ülekaalukat potentsiaali, vaid need lükkavad ümber ka aastate jooksul kujunenud uskumused.
Kui see kõlab kohutavalt ja heidutavalt, sundis Frankenstein meid silma vaatama vaid seetõttu, et me pole tõde sisemusse pannud. See tõde on see, et me oleme mateeriast ja see asi ületab kuidagi iseenda ja loob selle kestast välja piiluva meele. Me ei tea siiani, kus on selles lihast tehtud olendis tema olemus, tema "mina". Uued "raku ümberprogrammeerimise" teadused raputavad selle kohta ideid nagu kunagi varem - sellisel kujul, nagu need on kinnistunud minu teadvusse, sõna otseses mõttes intuitiivselt.
Mullu juulis lõikasid Londoni ülikooli kolledži (UCL) neuroloogiainstituudi teadlased mu paremast õlast välja väikese tüki pehmet koet. Seda tehti kerge kohaliku tuimestusega ja ma ei tundnud midagi. Nahaaluse kihi rakud olid selle biopsia oluliseks elemendiks. Neid nimetatakse fibroblastideks ja need on organismi peamised sidekoe "allikad". Nad moodustavad naha ja on võtmerakud, mis osalevad haava paranemisel. UCL-i neuroteadlased Selina Wray ja Christopher Lovejoy võtsid minult fibroblastid ja asetasid need väikestesse punase lahusega Petri tassidesse, mis sisaldasid rakkude paljunemiseks vajalikke toitaineid.
Reklaamvideo:
Kaks kuud hiljem sain läbi mikroskoobi vaadata fibroblasti kolooniat, mis kasvas minu käes oleva koetüki tumedast massist. Need piklikud rakustruktuurid võrsuvad koest ühtlaste ridadena, justkui kuskile pürgides.
Niisiis, kui tõeliselt uus oli see, mida ma nägin? Meie ajal on kultuurides rakkude kasvatamise põhiline võime juba ammu tuntud kunst. Tuleb tunnistada, et seda peeti kunagi eriti salapärase imena. Kui Prantsuse kirurg Alexis Carrel teatas esimest korda 1912. aastal, et on kanasüdame koest kasvatanud "surematud" rakud, hakkasid ajalehed trükkima sensatsioonilisi artikleid, et surm pole enam vältimatu. Need sensatsioonilised artiklid osutusid tõsiselt liialdatuks. Kuid minu nahalt võetud rakkudest “mini-aju” kasvatamine on täiesti erinev ettevõtmine korjatud rakkude tavapärasest kasvatamisest.
Ray ja Lovejoy peavad mu naha fibroblastid muutma neuroniteks - ajurakkudeks. Nad teevad seda kahes etapis. Esiteks muudavad nad need rakuks, mis võib arendamise käigus luua mis tahes koe, ja suunab need siis nõnda tüüpi rakkudeks. Selle juhtumise mõistmiseks peaksite teadma, et kõik inimkeha elusrakud sisaldavad sama täielikku komplekti "DNA-sse kodeeritud" juhiseid ", mis asuvad 23 kromosoomipaaris ja on jagatud geenideks nimetatuteks sektsioonideks, millest igaüks toimib meie biokeemilistes protsessides. konkreetne funktsioon. Põhimõtteliselt on igal lahtril sama täielik kood nagu kõigil teistel. Muidugi täidavad küpses organismis erinevat tüüpi rakud tegelikult erinevaid ülesandeid. Selleks on erinevad geenid "sisse lülitatud" ja "välja lülitatud". Just sellise lülitiga moodustub ühte tüüpi rakk (aju, nahk, lihased, maksarakud ja nii edasi), mitte aga teine.
Suure osa sellest geenivahetusest (või "reguleerimisest") teostavad valgumolekulid, mida nimetatakse transkriptsioonifaktoriteks. Nad on ise geenidesse kodeeritud: see tähendab, et genoom ise sisaldab juhiseid seda reguleerivate transkriptsioonifaktorite loomiseks. Geenide aktiivsuse reguleerimiseks loovad meie rakud kogu aeg erinevaid transkriptsioonifaktoreid. Seetõttu käituvad eri tüüpi rakud erinevalt. Lisaks võib geenide vahetamise teel ühest viljastatud munarakust saada organism, mis koosneb paljudest erinevatest kudedest.
Varasemad kasvava embrüo rakud, mida nimetatakse embrüonaalseteks tüvirakkudeks, võivad areneda mis tahes liiki kudedeks: väidetavalt on need "pluripotentsed" ja võime öelda, et need sisaldavad endiselt kogu nende geneetilist potentsiaali. Kuid kui embrüost areneb lootel ja seejärel lapsel, hakkavad rakud organiseeritud viisil ja õiges kohas diferentseeruma kindla funktsiooniga rakutüüpideks - süda, maks, ajurakud.
Saame sekkuda rakukäitumise programmeerimisse. Näiteks geeniteraapia puhul, mille eesmärk on fikseerida „defektne“geen, lisades rakkudele täiendava väikese tükikese DNA-d, mis kodeerib selle geeni tavaliselt toimivat vormi.
Kuid minu käest lõigatud koest "mini-aju" kasvatamine nõuab midagi muljetavaldavamat kui lihtsalt raku mõnede geneetiliste juhiste "parandamine". See protsess algab lahtri programmi täieliku taaskäivitamisega - tõenäoliselt lähtestatakse kõik need sisse / välja lülitid, mis määratlevad lahtri konkreetse eesmärgi. Selgub, et seda saab teha ainult mõne konkreetse transkriptsioonifaktori abil. Ray ja Lovejoy sisestavad need faktorid - väikesed DNA tükid - kodeerivad ja tekitavad geenid minu käest võetud rakkudesse, kasutades nõrku elektrivälju. Nende mõjul tekivad rakumembraanidesse mõnda aega augud, mille kaudu võib täiendav DNA libiseda.
Nende biokeemiliste "sõnumite" abil, mille Lovejoy ja Ray saatsid minu fibroblastidele, naasid need rakud tüvirakkude olekusse, sarnaselt varase embrüo rakkudega, mis on võimelised transformeeruma mis tahes tüüpi kudedesse. Neid nimetatakse indutseeritud pluripotentseteks tüvirakkudeks. Teadlased on neid inimrakkudest hankinud alates 2007. aastast. Seni pidas enamik eksperte seda võimatuks.
* * *
Inimene, kes selle probleemi ümber mõtles, oli Jaapani teadlane Shinya Yamanaka. Ta ei töötanud rakubioloogia valdkonnas, vaid kliinilises meditsiinis ja ilmselt seetõttu oli tal lihtsam mõelda millelegi uskumatule ja mõelda, kas juba diferentseerunud rakke on võimalik tüvirakkudeks ümber programmeerida.
Juba 1960. aastatel andsid katsed konnadega esimesed andmed, mis näitasid, et rakkude fikseerimine on võimalik tühistada. Briti bioloog John Gurdon võttis konnamunad, eemaldas neist kromosoomid ja sisestas täiskasvanud konnade rakkudest võetud kromosoomid. Neid mune, nagu hiljem selgus, sai siis väetada ja neist kasvatada kullesed ja konnad. Kromosoomid, mida täiskasvanute rakkudes reguleeriti (kõigi nende keemiliste sisse- ja väljalülitamiste abil) teatud funktsioonide täitmiseks, noorendati ilmselt munarakkudes, et nad saaksid taas suunata igasuguste uute loomakudede kasvu. Seda meetodit kromosoomide ülekandmiseks täiskasvanud rakkudest kasutati lammaste Dolly kloonimiseks 1996. aastal.
Arvestades varem edukaid tulemusi, hakkas Yamanaka analüüsima embrüonaalsetes tüvirakkudes tekkivaid transkriptsioonifaktoreid. Võib-olla piisab selle asemel, et välja selgitada, mis täpselt diferentseerunud rakkude kromosoomidega juhtus, nende geeniaktiivsuse spetsiifilisi mustreid tabada ja seejärel kõik see ümber pöörata, piisab rakkude "veenmiseks", et nad on tüvirakud, lihtsalt nende tegurite uue annuse lisamine? See hüpotees tundus spekulatiivne, kuid töötas. Yamanaka avastas, et kui diferentseerunud inimrakkudele lisati mõnda neist teguritest kodeerivad geenid (lõpuks selgus, et piisab vaid neljast), pöördusid need rakud tüvirakkudega sarnasesse seisundisse.
Tänu sellele avastusele sai laboris võimalikuks luua kudesid ja võimalik, et ka terveid elundeid. Kui kasvatame koed või elundid retsipiendi enda rakkudest (näiteks minu käest võetud koeproovis olevatest fibroblastidest), siis ei teki probleeme, mis tulenevad doonori siirdamise tagasilükkamisest immuunsüsteemi poolt. Veelgi enam, kunstlikult kasvatatud inimkudesid võiks kasutada ravimite toksilisuse testimiseks - neid loomadel katsetamata. Fakt on see, et loomkatsed annavad mitte ainult ebaselgeid tulemusi, vaid neid ei saa ka alati rakendada, kuna muud elusorganismid ei sobi alati inimese reaktsiooni testimiseks.
Selle avastuse praktiline potentsiaal oli tohutu. Kuid lisaks sellele avastas Yamanaka olulisema tõe. Meie koed ja keha on paindlikumad, kui arvasime. Teie pehmeid kudesid ja luid saab muundada muud tüüpi kudedeks. Luu saab luua rinnarakkudest ja aju vererakkudest. Ühtäkki selgus, et kogu inimkeha struktuuride muutumatus seati kahtluse alla.
Võtke siiski aega, midagi veelgi imelikumat ootab teid.
* * *
Vahetult enne jõule, kuus kuud pärast meie katse algust, näitasid Ray ja Lovejoy mulle minu fibroblastidest saadud tüvirakke. Need piklikud koosseisud, mida ma enne nägin, on kadunud. Toidulahuse tassis olid nüüd väiksemate rakkude kompaktsed klastrid. Kasutades molekulaarseid markereid, mis kleepuvad kindlatele valkudele ja helendavad erinevates värvides, kui neile suunatakse valgus, suutsid teadlased näidata, et tüvirakkudele omased geenid on nüüd sisse lülitatud. Esimene etapp valmis; järgmine samm oli panna rakud muutuma neuroniteks.
Tavaliselt tuleks tüvirakke suunata keemiliste päästikute abil transformeerima teatud tüüpi koed - näiteks lisades sihtrakkudele spetsiifilisi transkriptsioonifaktoreid. Kuid neuronite loomine on suhteliselt lihtne, kuna need näivad olevat vaikevõimalus: kui laboris asuvad tüvirakud hakkavad spontaanselt eristuma, on suur tõenäosus, et need muutuvad neuroniteks. Tegelikult nägin mõningaid märke sellest isegi enda koeproovis. Siin ja seal võis näha üksikuid rakke kompaktsest klastrist eraldunud. Märkasin, et üks neist üksikutest rakkudest hakkas idanema - pikad, õhukesed oksad, mis on närvirakkudel ja mis tavaliselt lõpevad sünapsides, kus need neuronid edastavad üksteisele elektrisignaale.
Kui need indutseeritud tüvirakud muutuksid lihtsalt identsete neuronite klastriteks, ei oleks põhjust põhjust saadud kudesid nimetada "mini-ajudeks". Meie aju pole üldse selline. Need on keerukad struktuurid, mis sisaldavad mitut erinevat tüüpi neuroneid, mis tekitavad elektrilisi signaale. Teised ajurakud ei ole neuronid - näiteks gliiarakud, mis aitavad aju struktureerida ja täidavad toetavaid, kaitsvaid, troofilisi ja muid funktsioone. Samuti on olemas neuronaalsed tüvirakud - osaliselt diferentseerunud tüvirakud, mis on keskendunud erinevat tüüpi ajurakkude loomisele, mis tagavad ajule võime muutuvate oludega kohaneda - ja mõnikord osaliselt taastada kahjustatud funktsioonid.
Koos ajukoe rakkude mitmekesisuse küsimusega tekib ka küsimus, kuidas nad kõik töötavad. Aju sisaldab erinevaid struktuure ja tähelepanuväärselt, et mini-aju kordab mõnda neist. See koekorraldus viitab sellele, et neuronid ja muud tüüpi ajurakud ise "teavad", kuidas end aju moodustamiseks korraldada. Mõnikord hõlmab see rakkude joondamine raku tegelikku liikumist: rakud liiguvad üksteise ümber, et leida oma õige koht - tavaliselt teiste seda tüüpi rakkude kõrval. Kuid selline “ise kokku panemine” nõuab maamärke ja embrüos arenevad elundid kasutavad ümbritsevaid kudesid maamärkide süsteemina. Näiteks ajurakud vajavad selliseid signaale, et teada saada, kus ajutüvi peaks "kasvama", või selleks, et eristada esiosa seljast.
Miniaju on küll teatud struktuuriga, kuid see ei võta päris õiget kuju. Näiteks moodustab see medullaarseid torusid - kuid kui kesknärvisüsteemi loomiseks ilmub tõelises embrüonaalses ajas ainult üks neist ja liigub mööda selgroogu, moodustab miniaju juhuslikult mitu toru - otsitakse otsekui selgroogu, mida pole olemas.
Sel põhjusel vaidlustavad mõned teadlased õigustatult närviorganoidi nimetamise "mini-ajuks". Kuid kui organellid pole aju selle sõna otseses mõttes, siis "teevad" kõik endast oleneva, et nendeks saada. Ja nende loomisega seotud teadlased loovad tõenäoliselt struktuure, mis sarnanevad tõepoolest rohkem ajuga, kui nad leiavad viise, kuidas jäljendada mõnda Petri tassi "orientatsiooni" suunda.
Minu mini-ajul pole selliseid eeliseid - see saab olema lihtsalt aju visand. Kuid ühel või teisel viisil on ta elus. Ja neuronid saavad elektrisignaale saates omavahel suhelda. Ray kavatseb seda demonstreerida spetsiaalsete meetoditega, et tuvastada sünapside ristmikel vabanenud kaltsiumioonide purse, mis sarnaneb reaalse aju koes nähtutega. Mind isiklikult ei huvita, et need on "mõtted". Mind teeb rohkem murelikuks see, et kõik, mis praegu minu (päris) ajus toimub, on just sellise protsessi tulemus (kui teada).
Organellide, näiteks miniaju kasvatamine väljaspool keha on potentsiaalselt vaid esimene samm keha taastumisel. Võimalus koes laboris kasvada tundub kasulik ja isegi eluliselt vajalik - kujutage ette pankrease, mis on kasvatatud diabeetilistest rakkudest laboris, kuid geneetiliselt "redigeeritud" ja võimeline tootma insuliini. Kuid täielikult moodustunud elundid vajavad verevarustust ja me ei tea, kuidas seda laboris rakukultuuris pakkuda. Ja mõningaid rakukultuuris kasvatatud kudesid, nagu ajukude või südamelihas, ei saa lihtsalt paika panna - need tuleb täielikult integreerida olemasolevatesse rakusüsteemidesse. Ja me ei tea ka, kuidas seda teha.
Tõsi, nüüd uurivad teadlased uute kudede kasvatamise võimalust otse keha sees. Selleks võiks kasutada samu meetodeid, mida kasutatakse rakkude ümberprogrammeerimiseks, et naasta tüvirakkude olekuga sarnasesse olekusse, ja suunata neid seejärel uute omaduste omandamisele. See "in vivo ümberprogrammeerimine" on juba läbi viidud katsetes hiirtega - maksarakud muudetakse näiteks südamerakkudeks või südame fibroblasti rakkudeks - südamestimulaatori rakkudeks.
Kuid Ray ja Lovejoy pakutud kaheastmeline protsess normaalse raku muutmiseks tüvirakuks ja seejärel teist tüüpi rakkudeks on täis riske, kui teete seda otse kehas. Tüvirakud, mis on võimelised muunduma erinevatesse kudedesse, võivad kalduda muunduma vähirakkudeks. Kuid tähelepanuväärselt leidsid teadlased, et transkriptsioonifaktorite ja molekulaarsete signaalide õige kombinatsiooni abil saaksid nad tüvirakkude etapi, see tähendab pluripotentsuse staadiumi, "vahele jätta" ja vahetada ühte tüüpi küpset rakku otse teise. Oletame, et loote neuroneid otse vererakkudest. Rakkude arengu edasilükkamise ja seejärel teises suunas taaskäivitamise asemel hüppate lihtsalt küljele ja lülitute teist tüüpi koele. Loomkatsed on julgustavadja nüüd on lahendatud küsimus kliiniliste uuringute läbiviimisest inimestega kahjustatud südamelihase taastamisel.
Võimalused keha sees olevate rakkude ümberprogrammeerimiseks on jahmatavad. Meie keha omandab kunagi võime taastuda - nagu need salamandrid, kes taastavad kaotatud jäsemed. Vigastuste või haiguste tõttu kahjustatud ajupiirkondi, näiteks Alzheimeri tõbe, saab parandada, valides välja mitte-neuronaalsed ajurakud (näiteks gliiarakud) ja muundades need toimivateks neuroniteks. Ja kuna need rakud on loodud nende esialgse lokaliseerimise asemel, on vähemalt võimalik, et nad integreeruvad paremini ümbritsevasse rakusüsteemi. Igal juhul juhtub see siis, kui südamelihas on ümber programmeeritud - see tõmbub sünkroonis ülejäänud südamega.
* * *
Lisaks potentsiaalsetele rakendustele meditsiinis viitavad need avastused vajadusele üle vaadata oma arusaam elusorganismist. Kui maksast võib saada lihas, verest saab aju ja nahast saab luukoe, kuidas peaksime siis mõtlema oma sureliku elu peale ja lahkuma teise maailma? Muidugi võivad haavad paraneda, juuksed võivad tagasi kasvada - aga oleme juba uskunud, et meil on ainult üks keha. Kuid kui rakud muutuvad täielikult mitmekülgseks ja kohanemisvõimeliseks, pole enam päris selge, kas see ka tegelikult nii on.
Mis on siis inimese olemus - bioloogiline "mina"? See ei nõua selgelt geneetilisi testimisfirmasid nagu 23andMe, mis "muudab teid selliseks, nagu te olete", vaid teie ainulaadne geneetiline järjestus. Sa said selleks, kes sa oled, ainult sellepärast, et see geneetiline järjestus erinevates rakkudes oli piiratud ja aktiveeritud valikuliselt: geneetilise teabe avalikustamise, tõlgendamise ja muutmise protsess. Pidage meeles, et teie genoomil puudub teave, mis määratleks täielikult „teie” koos kõigi teie kvadriljonite ainulaadsete närviühendustega, mille moodustavad ettenägematud olud ja kogemused teie arenemisel ja kasvamisel.
Kas mul on tõesti nüüd mitu "aju" või vähemalt "ajusarnast struktuuri"? Ma ei tea siiani, kuidas sellega suhestuda. Usun, et põhimõtteliselt võiksin sel viisil luua "varuks" oleva südame või maksa. Kuid minu arvates on aju liiga seotud kogemuste, mälu, emotsioonide ja iseloomuga, et pidada oma “mina” anumaks muid organeid peale minu enda. "Teise aju" idee (isegi kui ei arvestata minu miniaju ülimalt "ebanormaalset" olemust) pole eriti selge ega oma suurt mõtet.
Ma arvan, et see on kergendus. Lõppude lõpuks, kui need organellid on oma rolli Ray uurimistöös täitnud, visatakse nad minema. Ja ma ei usu, et tunnen, et mõni osa minu "minast" koos nendega kaoks. Siiski on endiselt kummaline ja häiriv jälgida, milliseks saab osa minust, kes on valitud üsna juhuslikult, Londoni kesklinna laborites. Mul on raske mitte jõuda järeldusele, et on olemas mingi "meta-mina", see tähendab kõik koed, mida võiks luua sellest kõige esimesest viljastatud munarakust, mis taaselustati emakas 1962. aasta oktoobris (minu puhul) … Ma olen lihtsalt üks selle "meta-mina" kehastustest. Minu isikupära piirid tunduvad veidi hägusemad kui toona.
Mis siis, kui miniaju kasvatamise protsess muutub veelgi täiuslikumaks juba enne, kui saame selle verevarustuse ja koordinaatidega varustada, et see korralikult ühtseks tervikuks korraldada - enne kui saame luua midagi, mis on väga sarnane täieõigusliku ajuga? Praegu on see puhtalt (andke andeks) mõttekatse: meil pole lihtsalt võimalust, rääkimata motivatsioonist või moraalsest õigustusest. Kuid see on kindlasti võimalik. Milline moraalne ja ontoloogiline staatus oleks ajul Petri tassis? Kui inimene, kelle rakke selle loomiseks kasutati, pärast seda sureks, kas nad siis Petri tassis edasi elaksid? Kas peaksime mingil hetkel esitama endale küsimuse: kes seal on?
Philip Ball
