Международной группе ученых под руководством испанца Хуана Бальмонте, известного своими работами в области стволовых клеток, удалось создать эмбрионы химер человека и свиньи, которые в будущем могут стать источником донорских органов. Другая команда исследователей вылечила врожденную глухоту у мышей с помощью вирусов. рассказывает об успехах генной инженерии, связанных с медициной.

Создание генетически модифицированных организмов - не единственное, чем может порадовать человечество генная инженерия. Биотехнологии позволяют не только менять гены для улучшения сельскохозяйственных растений и животных, но и лечить ранее неизлечимые заболевания. По иронии судьбы, для этого ученые используют вечных врагов человека - вирусов. Последние применяются для создания векторов, доставляющих ДНК в нужные клетки. Еще одно направление, которое может напугать не слишком сведущих в науке людей, - создание эмбрионов химер, сочетающих в себе клетки человека и других организмов. Однако то, что поначалу кажется зловещим, на самом деле окажется удобным способом создания органов.

Почки или легкие, которые были получены с помощью выращивания химерных эмбрионов, будут подходить для трансплантации нуждающимся в них людям. Те же, кто боится восстания мутантов, должны подумать, что реальная польза от этой технологии превосходит смутные опасения фантастов-пессимистов.

Изображение: Nakauchi et al. / The University of Tokyo

Чтобы развеять страхи, нужно понять, что и как делают ученые, создающие химер. Основной материал, с которым работают исследователи, - стволовые клетки, которые обладают плюрипотентностью - способностью превращаться в другие клетки организма (нервные, жировые, мышечные и так далее) за исключением плаценты и желточного мешка. Их внедряют в зародыши других организмов, после чего эмбрион развивается дальше.

Свинолюди

Именно таким образом международной группе ученых из США, Испании и Японии удалось создать химеры свинья-человек, крыса-мышь и корова-человек. Они сообщили об этом в статье, опубликованной в журнале Cell и ставшей первым документом, подтверждающей успешную «химеризацию» далеких в родственном отношении видов.

Основной проблемой является то, что мало внести плюрипотентные клетки в эмбрион и ждать, что получится что-то путное. Вместо этого может получиться организм с катастрофическими нарушениями в развитии, включая образование тератом . Нужно выключить гены в зародышах-реципиентах таким образом, чтобы они не смогли сформировать специфические ткани. В этом случае внедренные стволовые клетки берут на себя задачу по выращиванию недостающего органа.

Сначала ученые ввели стволовые клетки крыс в мышиные эмбрионы на стадии бластоцисты, когда плод представляет собой шар из нескольких десятков клеток. Этот метод называется комплементацией эмбриона (embryo complementation). Целью эксперимента было выяснить, какие факторы играют ведущую роль в межвидовом химеризме. Зародыши были перенесены в тело самок мыши, после чего развились в живых химер, одна из которых дожила до двухлетнего возраста.

Гены в эмбрионах выключались с помощью технологии CRISPR/Cas9, которая вносит разрывы в специфичные участки ДНК. Например, исследователи при тестировании используемого ими подхода блокировали активность гена, который играет важную роль в формировании поджелудочной железы. Родившиеся мыши в результате умирали, однако при внедрении плюрипотентных клеток крыс в эмбрионы недостающий орган развивался. Также ученые отключали ген Nkx2.5, без которого эмбрионы страдали от серьезных пороков развития сердца и оказывались недоразвитыми. Химеризация помогла зародышам достичь нормального роста, однако получить живых химер так и не удалось.

Фото: Juan Carlos Izpisua Belmonte / Salk Institute for Biological Studies

Исследование полученных крыс-мышей показало, что различные мышиные ткани содержали разную долю клеток крыс. Когда ученые попытались внести крысиные клетки в бластоцисты свиней, а затем провели генетический анализ четырехнедельных эмбрионов, они не обнаружили ДНК грызунов. Это говорит о том, что не все животные подходят для химеризации друг с другом, и успешное прививание стволовых клеток одних эмбрионам других может зависеть от генетических, морфологических или анатомических факторов.

Главной же целью ученых было создание химеры человека и свиньи, чтобы проследить, как человеческие ткани будут развиваться внутри зародыша нежвачного парнокопытного животного. Они использовали бластоцисты свиньи и с помощью лазерного луча проделали микроскопические отверстия для последующей инъекции различных групп плюрипотентных клеток, которые выращивались в различных условиях. Затем эмбрионы пересаживались в свиноматок, где успешно развивались. Отслеживание динамики человеческого материала проводилось при помощи флуоресцентного белка, на производство которого были запрограммированы человеческие стволовые клетки.

В итоге в свином эмбрионе были сформированы клетки, являющиеся предшественниками различного вида тканей, в том числе сердца, печени и нервной системы. Гибридам свиньи и человека позволили развиваться в течение трех-четырех недель, после чего уничтожили их по этическим соображениям.

Глухие мыши

Американские ученые из Бостона недавно смогли вернуть слух мышам, страдающим от редкого генетического расстройства функций внутреннего уха. Для этого они использовали биологическую систему доставки генов (вектор) на основе обезвреженных вирусов. Исследователи модифицировали аденоассоциированный вирус, который заражает людей, однако не вызывает заболеваний.

Инфекционный агент способен проникать в волосковые клетки - рецепторы слуховой системы и вестибулярного аппарата у животных. Биотехнологи использовали вектор для ремонта дефектного гена Ush1c в клетках только что родившихся живых мышей. Эта мутация вызывает глухоту, слепоту и нарушения равновесия. В результате у животных улучшился слух, что позволило им различать даже тихие звуки.

Генная инженерия, таким образом, - не способ создания угрожающих человечеству мутантов. Это постоянно улучшающийся набор методов и средств по улучшению жизни и здоровья людей, особенно тех, кто сильно в этом нуждается. Поскольку создание химер и генная терапия не так просты в осуществлении и порой требуют хитроумных решений, развитие биотехнологий происходит не так быстро, как хотелось бы. Однако ежегодно публикуются десятки научных работ, которые углубляют и обогащают наши знания и умения.

К такому выводу вполне можно прийти после успешного смелого эксперимента, который специалисты провели в КНР. Его главная цель – опробование возможностей по выращиванию органов для трансплантации их человеку.

Китайские учёные скрестили свинью с приматами. Таким образом, им, фактически удалось то, что ранее считалось невероятным. Следовательно, совершенно не исключается и то, что в далёкое время химеры, действительно, существовали.

Группе специалистов удалось скрещивание клеток свиньи и приматов. Согласно последней поступившей информации, двум поросятам удалось родиться живыми. Однако, их смерть после этого наступила на протяжении всего одной недели.

Главным в данном эксперименте является то, что ранее никогда в истории не рождались полностью доношенные химеры. Это может стать значительным шагом в обеспечении человечества органами для необходимых трансплантаций.

Однако, судя по всему, достижение этой цели является ещё очень нескорым делом.

Китайские учёные сначала занялись модифицированием клеток обезьян для продуцирования специфического флуоресцентного белка. Это позволило специалистам отслеживание генетических клеток их потомства.

Затем, они занялись извлечением эмбриональных стволовых клеток из модифицированных. Это было сделано для их введения в эмбрионы свиньи через пять дней после того, как произошло её оплодотворение.

Сообщается, что всего свиноматкам специалисты ввели больше, чем четыре тысячи полученных таким образом эмбрионов.

В итоге, свиньи-самки произвели на свет десять поросят. У двоих из них были оба типа клеток. Фактически, они являлись самыми настоящими химерами.

В итоге, исследователи отмечают, что у появившихся на свет химер часть тканей и, в том числе, ткани сердца, печени, селезенки, легких и кожи состояли из обезьянних клеток. Впрочем, их соотношение было достаточно низким.

Также китайская наука пока затрудняется дать ответ на то, в чём же на самом деле заключалась причина неожиданной смерти новорожденных и вполне выношенных поросят.

Однако, отмечается и то, что в то же самое время умерли и другие поросята, рождённые в ходе эксперимента и не являвшиеся химерами. Учёные склонны предполагать, что причина этого заключаться в особых процессах, связанных с ЭКО.

Давно известно, что данный метод у животных работает не столь качественно, как у людей. Однако, не взирая на это, специалисты собираются продолжить свой смелый эксперимент.

При этом они предполагают использовать гораздо большее количество обезьянних клеток. Очередная попытка будет иметь своей целью создание полностью здоровых и жизнеспособных животных.

Главная задача заключается в том, что бы у них один из органов полностью состоял из клеток приматов. Тогда это будет настоящий прорыв в возможностях трансплантации.

Эмбрион—гибрид человека и свиньи. Биологи из США, Японии и Испании ввели стволовые клетки человека в яйцеклетку свиньи. Выращенный в утробе животного эмбрион ученые назвали химерой — в честь существа из античной мифологии. В перспективе эти исследования позволят ученым выращивать органы для трансплантации и изучать природу генетических заболеваний. Для того, чтобы исследования продвинулись дальше, ученые должны не только доказать эффективность опытов, но и их этичность.

В чем суть эксперимента

Группа американских ученых из калифорнийского Института биологических исследований Солка ввели человеческие стволовые клетки в эмбрион свиньи на ранней стадии развития и поместили его в утробу животного. Спустя месяц стволовые клетки развились в зародыши с зачатками человеческих тканей: сердца, печени и нейронов.

Из 2075 пересаженных эмбрионов до 28-дневной стадии развились 186. Полученные эмбрионы были «крайне нестабильными», признают ученые, но пока это самый успешный гибрид человека. Ученые пишут, что полученная химера — важнейший шаг к созданию эмбрионов животных с функционирующими человеческими органами.

Источник: Cell Press

Конечная цель заключается в том, чтобы вырастить функциональные и готовые к трансплантации органы, проведенные эксперименты — первый шаг к этому, пишет WP со ссылкой на ученых из Калифорнии.

О результатах похожего исследования рассказывается в первом номере журнала Nature за 2017 год. Как следует из публикации, группе ученых из Японии и США удалось вырастить поджелудочную железу мыши внутри крысы, а затем пересадить вырабатывающий инсулин орган больным диабетом мышам, что не вызвало иммунного отторжения. Это стало первым подтверждением, что межвидовая трансплантация органов возможна, пишет Nature.

Зачем это нужно

Главная цель ученых — выращивание человеческих органов с помощью эмбрионов крупных животных. По данным американского Минздрава, каждый день в ожидании органов для трансплантации умирают 22 человека. Ученые давно пытались выращивать искусственные ткани вне человеческого тела, но органы, развивающиеся в чашке Петри (так называют емкость для выращивания микроорганизмов), сильно отличаются от выращенных внутри живого организма.

Технология выращивания искусственных органов, скорее всего, будет похожа на эксперимент с мышами и крысами, пишет The Washington Post. Крысы, которым в рамках описанных в Nature исследований подсаживались новые клетки, были генетически модифицированные. Они не могли вырастить собственную поджелудочную, поэтому стволовые клетки «заполняли свободное пространство». Часть появляющихся у крыс желез была пересажена больным мышам. После операции мыши жили со здоровым уровнем глюкозы в течение года — полжизни в человеческих масштабах, пишет WP.

Исследование доказало, что межвидовая трансплантация не только возможна, но и эффективна, прокомментировал результаты старший автор исследования Хиромицу Накаучи из Стэнфордского университета. Ученым таким же образом удалось «вырастить» сердце и глаза.

Какие сложности

Ученые из Калифорнии добились первых результатов спустя четыре года после начала исследований. По их словам, свиньи — идеальные животные для эксперимента. Их органы примерно такого же размера, однако они растут гораздо быстрее человеческих. В дальнейших исследованиях фактор времени должен стать главным, признаются исследователи.

«Пока количество человеческих клеток в полученном эмбрионе очень незначительное, а весь процесс проходит на ранней эмбриональной стадии, поэтому пока рано говорить о создании полноценной химеры», — прокомментировал результат коллег Накаучи. В полученных эмбрионах на 100 000 клеток свиньи приходилась только одна человеческая (эффективность 0,00001%). «Достаточно добиться эффективности от 0,1% до 1% клеток», — объяснил BBC один из авторов калифорнийского исследования.

После четырех недель развития ученые из Института Солка по этическим соображениям уничтожили полученные эмбрионы, чтобы предотвратить полноценное развитие химеры. «Мы лишь хотели ответить на вопрос, смогут ли человеческие клетки вообще приспоосбиться», — объяснил один из авторов.

Этические вопросы

В 2015 году Национальные институты здравоохранения США наложили мораторий на финансирование исследований, в рамках которых скрещиваются клетки человека и животных. Поскольку стволовые клетки могут развиться в любую человеческую ткань, в перспективе может быть создано животное с человеческим мозгом, считают некоторые биоэтики. Другие указывают на нарушение «символической границы» между человеком и животным, пишет WP.

Калифорнийские ученые считают, что страхи вокруг «химер» больше походят на мифы, чем на контролируемые эксперименты, но признают, что возможность рождения животного с человеческими клетками вызывает беспокойство.

В августе Национальные институты здравоохранения США допустили возвращение к финансированию исследований химер. Организация предлагает разрешить введение стволовых клеток людей в эмбрионы на ранней стадии развития крупных животных за исключением других приматов.

«Нам наконец-то удалось доказать, что такой подход к созданию органов возможен и безопасен. Надеюсь, люди поймут это. Многие считают, что это из раздела научной фантастики, но сейчас это становится реальностью», — прокомментировал возможное снятие запрета Накаучи.

Даниил Сотников

Фото на превью: кадр из фильма «Химера»

Фото в шапке: WikiCommons

4 августа 2016 года Национальные институты здоровья США (NIH) заявили, что собираются отменить мораторий на создание химер. Речь идет о спорных с точки зрения этики экспериментах, в которых человеческие стволовые клетки вводят в эмбрионы животных - в результате формируются организмы, сочетающие животные и человеческие черты. Ученые называют их химерами.

В Древней Греции химерами называли мифологических чудовищ с головой и шеей льва, туловищем козы и хвостом змеи. Такими же химерами являются организмы с генетически разнородным материалом. Они могли бы служить удобными биологическими моделями для изучения различных заболеваний - например, рака или нейродегенеративных синдромов, могли бы стать источником органов для трансплантации. Однако стоит экспериментальной биологии вплотную подойти к научной фантастике, у общественности возникают опасения, что это может привести к непредвиденным последствиям.

При создании химер используют стволовые клетки, обладающие свойством плюрипотентности. Иными словами, они способны превратиться во все клетки человеческого зародыша. Клетки внедряют в ткани эмбриона модельных организмов (мышей, крыс, обезьян, свиней и других животных) на очень ранних стадиях, после чего эмбриону позволяют развиваться дальше. В сентябре 2015 года NIH выразили беспокойство тем, что если стволовые клетки введут в мозг мышей, в результате могут получиться грызуны с измененными когнитивными способностями - то есть появятся животные со «сверхинтеллектом». Поэтому NIH, которые вручают гранты на биомедицинские исследования, решили приостановить финансирование экспериментов с химерами, пока их эксперты не изучат этический вопрос.

Тем не менее некоторые исследовательские группы в США уже вовсю занимались созданием химер. MIT Technology Review сообщает, что за 2015 год было предпринято около 20 попыток получения химер свинья-человек и овца-человек. К сожалению, ни одна научная работа до сих пор не была опубликована, а сообщений об успешном получении животных с человеческими тканями не было.

Эксперименты с химерными организмами объединяют как генную инженерию, так и биологию стволовых клеток. Мало просто внедрить плюрипотентные клетки в эмбрион животного, поскольку в таком случае может получиться организм с катастрофическими нарушениями в развитии. Ученые обычно «выключают» гены в зародышах таким образом, что они не могут образовать специфические ткани. В этом случае стволовые клетки берут на себя задачу по формированию недостающего органа, который ничем не отличается от человеческого, что делает его подходящим для трансплантации.

По свидетельству кардиолога Дэниела Гэрри (Daniel Garry), в его лаборатории были проведены первые испытания данного метода. Исследователи спроектировали свиней, у которых отсутствовали некоторые скелетные мышцы и сосуды. Такие животные были бы нежизнеспособными, однако ученые добавили в эмбрионы стволовые клетки от другого зародыша свиньи. Результаты так впечатлили вооруженные силы США, что они предоставили Гэрри грант в 1,4 миллиона долларов на выращивание человеческих сердец у свиней. Ученый собирался продолжить свои исследования, несмотря на мораторий NIH, и был одним из 11 авторов, которые опубликовали письмо с критикой решения биомедицинского центра.

Ученые заявили, что мораторий, введенный NIH, представляет угрозу для развития биологии стволовых клеток, биологии развития и регенеративной медицины, и высказали сомнения в том, что с помощью стволовых клеток возможно получить «очеловеченное» животное с высоким интеллектом. В частности, они указали, что эксперименты в области ксенотрансплантации, в которых нервные клетки людей внедряют в головной мозг мышей, не привели к появлению слишком умных грызунов.

Изображение: Nakauchi et al. / The University of Tokyo

В качестве меры предосторожности некоторые исследователи, работающие над созданием химер, не позволяют своим созданиям родиться. Эмбриологи изучают зародыши с целью получения информации о том, насколько велик вклад человеческих стволовых клеток в развитие плода. Тем не менее, несмотря на то, что отдельные лаборатории перестраховываются, химерные животные уже существуют - например, мыши, наделенные иммунной системой человека. Такие животные создаются через внедрение клеток печени и тимуса от абортированных человеческих зародышей в организм уже рожденных грызунов.

Наибольший интерес для ученых представляет создание химер на стадии бластоцисты, когда плод представляет собой шар, состоящий из нескольких десятков клеток. Этот метод называется комплементацией эмбриона (embryo complementation). В 2010 году исследователям из Японии удалось создать мышей, поджелудочная железа которых полностью состояла из клеток крысы. Хиромицу Накаучи (Hiromitsu Nakauchi), ведущий автор работы, позднее решил создать «свинью-человека», для чего ему пришлось переехать в США, поскольку научные комитеты в Японии не одобряют подобные эксперименты. Сейчас ученый работает в Стэнфордском университете на грант от Калифорнийского института регенеративной медицины. По его словам, большинство плюрипотентных клеток, введенных в эмбрионы в его лаборатории, сделаны из его собственной крови, поскольку бюрократические барьеры мешают набору добровольцев со стороны.

Большинство людей, услышав слово «химера», представляют монстров, созданных безумными учеными. Ученым предстоит доказать, что человеческие клетки действительно могут размножаться и формировать полноценные и здоровые органы в животных. Мыши и крысы довольно близки генетически, поэтому создание химер в данном случае не представляет проблемы. В случае людей и свиней, общий предок которых жил 90 миллионов лет назад, все может быть по-другому.

Ученые уже проверяют комплементацию эмбриона свиньи человеческими стволовыми клетками, однако исследования начались только после одобрения трех комиссий по биоэтике. Стэнфордский университет, в котором проводятся исследования, ограничил время развития зародышей 28 днями (поросята рождаются на 114 день). Тем не менее плод будет достаточно развитым, чтобы можно было определить, насколько правильно формируются зачатки органов.

На прошлой неделе в NIH предложили заменить мораторий дополнительной экспертизой, которую будет проводить комитет, состоящий из специалистов по вопросам этики и экспертов по защите животных. Они будут учитывать такие факторы, как тип человеческих клеток, место их размещения в эмбрионе, а также возможные изменения в поведении и внешнем виде животного. Выводы экспертов помогут NIH решить, стоит ли финансировать рассмотренный проект.