Эта статья была опубликована в новом номере мобильного журнала Slon Magazine —
«Здоровье и медицина будущего».

Все номера нашего журнала можно загрузить бесплатно в AppStore

В каждой нашей клетке зашита абсолютно вся информация о целом организме. На этом фундаментальном принципе основано и клонирование, и генная инженерия, и много других полезных высоких биотехнологий. И этот же принцип можно использовать, чтобы заставить организм отращивать новые органы. Майкл Левин, профессор Тафтского университета в Бостоне, уверен, что нет ничего невозможного в том, чтобы в нужный момент стимулировать регенерацию поврежденной или утраченной части тела. Вместе с коллегами они уже более 20 лет экспериментируют над сигналами, которые управляют регенерацией у животных, и в прошлом году начали работы с мышами, то есть с млекопитающими – нашими ближайшими родственниками.

Внутри тела человека непрерывно идут миллионы переговоров на всех уровнях: органы, ткани, клетки и компоненты внутри клеток обмениваются информацией друг с другом. Размышление и переваривание еды, смерть старых и появление новых клеток – все без исключения процессы происходят в результате передачи сигналов, будь то нервный импульс, выброс гормона и другой сигнальной молекулы. Чтобы запустить регенерацию ноги или глаза, необходимо понять «языки» обмена информацией между клетками и научиться говорить на них, запуская нужный процесс. Из всех языков, на которых переговариваются клетки, Левин выбрал самый экзотический – язык электрохимических импульсов.

Slon поговорил с ученым о его работе и о том, когда его находки имеют шанс войти в клиническую практику.

– Когда вам впервые пришла в голову идея, что в человеческом организме можно запустить процесс регенерации?

– Я точно не был первым, кто это придумал. Регенерация встречается у многих видов. Обезглавленный плоский червь отращивает новую голову с полноценным мозгом. Головастик способен восстанавливать свой хвост. Даже некоторые млекопитающие это могут – например, олени сбрасывают рога и отращивают новые нервы, кости и шкуру на их месте.

– Почему у человека именно печень способна к регенерации, а другие ткани нет? 

– Этого никто не знает. Кстати, это не совсем так: у людей примерно до 11 лет сохраняется способность восстанавливать кончики пальцев – кожа, мышцы с нервами, кость и даже ногти вырастают обычной формы. У нас постоянно регенерирует эпителий, выстилающий поверхность кишечника. Но никто не знает ответа на вопрос, почему печень восстанавливается, а другие органы нет.

– Выращивание новых конечностей кажется совсем уж фантастикой. Почему вы уверены, что это в принципе возможно?

– Я на эти вещи смотрю как инженер: в природе разрешено все, что не запрещено каким-то конкретным законом физики. Если саламандры могут отращивать заново сложные органы вроде конечностей или глаз и если человек во время эмбрионального развития формирует целые органы из зачатков, значит, человеческое тело должно быть способно к регенерации, нужно только ему помочь специальным образом.


Майкл Левин. Фото: © Tufts University

– Да, но саламандра – это ведь довольно примитивное животное по сравнению с нами?

– Вот это частая ошибка, полагать, что более примитивные организмы регенерируют благодаря своей примитивности. Если посмотреть на древе эволюции на виды, которые способны и не способны к регенерации, то мы не увидим никакой четкой закономерности, есть примитивные организмы, которые не могут, а есть высокоорганизованные, которые могут восстанавливать органы. То, что мы теплокровные, а саламандры – хладнокровные, не так важно. Саламандры могут отращивать поразительно сложные структуры – конечности, даже глаза. Если они могут это делать, значит, это возможно и у нас, разница между человеком и амфибиями меньше, чем кажется. Ключевой момент в том, чтобы понять, как работает система и как можно заставить клетки воспроизводить ее. Все остальное – дело техники, сложное, но преодолимое.

– На чем основан ваш подход?

– На идее, что биоэлектрические сигналы контролируют активность отдельных клеток – их миграцию, деление, их форму и созревание. Поэтому именно биоэлектрические сигналы играют решающую роль в развитии эмбрионов, заживлении ран, в образовании раковых опухолей и многих других процессах. 

– Это не очень понятно. Со школы мы знаем, что электричество передает импульсы по нервам, заставляет сокращаться сердце и, например, мышцы. Но какую роль биоэлектричество играет в других тканях?

– Огромную! Они несут в себе информацию о положении, размере, форме и ориентации органа. Они позволяют клеткам работать вместе и создавать структуры нужного размера. Возможно, это наша гипотеза, они несут память о правильной форме подобно тому, как электрические сигналы в мозге лежат в основе человеческой памяти.

С их помощью мы перепрограммируем клетки кишечника в клетки глаза, запускаем регенерацию конечностей и все прочее.

– Считается, что все в организме определяется генами и белками. При чем тут электрические сигналы?

– На самом деле не все, физика тоже имеет значение. Не может быть гена невесомости, потому что гравитация – это физическая сила, и клетки тела обязаны ей подчиняться. Генам и белкам приходится иметь дело с физическими носителями информации. В мозге память не кодируется генами, она кодируется электрическими зарядами, которые обусловлены вашим опытом. В общем, информация содержится далеко не только в белках и генах, но и в физических, и особенно электрических свойствах клеток. 

– А как одно связано с другим?

– Электрические потенциалы в клетках образуются и передаются благодаря белкам, встроенным в оболочку клетки и создающим в ней каналы для перекачивания заряженных частиц. И наоборот, электрические сигналы могут включать и выключать определенные гены. Это такая динамическая система, в которой постоянно происходит обратная связь и взаимное влияние между генетикой, биохимией и физикой. 

Простой пример – это хвост головастика. В нем есть и спинной мозг, и мышцы, такая сложная структура, но если хвост отрезать, он полностью восстанавливается. Стоит отрезать головастику хвост, как в течение шести часов в клетках животного активируется синтез специального белка, который потом встраивается в оболочку клетки и переносит заряженные частицы, так что клетка становится более электрически заряженной. Так генетика меняет электрический сигнал. В свою очередь, то, что клетка теперь наэлектризована, стимулирует, во-первых, размножение окружающих клеток, а во-вторых, включает набор генов, благодаря которым регенерируют мышцы, нервы и кожа хвоста.

– Какую информацию мы можем извлечь из электрических сигналов?

– Два момента. Визуализация электрических сигналов в живых тканях и ее осмысление позволят, во-первых, обнаружить точку, где начались изменения. Так можно обнаруживать раковые опухоли еще до того, как их можно заметить на снимках. Такие работы мы уже проделали на лягушках. В более широком смысле: можно прочесть общую информацию о структурах, которые появятся позже, такая анатомическая предформация. Что еще важнее, помимо чтения этих сигналов, мы должны научиться «говорить» на этом языке, чтобы установить обратную связь, посылать сигналы нашим клеткам, чтобы сделать такую формацию, например, орган, который нам нужен. Мы работаем над инструментом, генетическими и оптогенетическими техниками, меняющими биоэлектрические состояния клеток в живом организме. С их помощью мы перепрограммируем клетки кишечника в клетки глаза, запускаем регенерацию конечностей и все прочее.


Майкл Левин. Фото: © Tufts University

– И каких успехов вы достигли в этом направлении?

– Например, мы показали, что у планарий, плоских червей, есть специальный электрический контур, благодаря которому всегда восстанавливается отрезанная часть тела – либо голова, либо хвост. Манипулируя с этим электрическим контуром, мы смогли изменить регенерацию и заставить планарию отращивать хвост вместо головы и голову вместо хвоста.

– Как вы это сделали?

– Мы подобрали специальные фармацевтические препараты, которые влияют на белки-каналы, те самые, что встроены в оболочку клеток и перекачивают определенные заряженные частицы с одной стороны на другую, меняя поляризацию клеток. Погружая планарию в раствор этого препарата, мы меняли результат регенерации. Это и есть мечта медиков – подобрать раствор лекарств, погрузить в него травмированную конечность, чтобы на ее месте выросла новая. Таким же методом мы показали на лягушках, что можно взять клетки, например, кишечника и вырастить на их месте глаз. Словом, у нас есть два подхода; один – это манипуляции с генами посредством изменения биоэлектрических свойств клетки, а другой – манипуляции с препаратами, которые меняют те же биоэлектрические свойства. 

– Что-то посложнее плоских червей и головастиков?

– Еще один успех - это регенерация лапы у лягушки. Если совсем просто, мы взяли взрослую лягушку, уже неспособную к регенерации, ампутировали ей лапу, затем с помощью коктейля из препаратов успешно стимулировали рост новой ноги на месте отрезанной. На полное восстановление уходит четыре-пять месяцев – столько же, сколько нужно головастику, чтобы отрастить полноценные лапы.

– Вы уже делали попытки регенерации у млекопитающих?

– Мы уже проделали успешные эксперименты с человеческими стволовыми клетками в пробирке. Также у нас были некоторые работы с мозгом мыши, и сейчас мы начали эксперименты по регенерации конечностей у крыс, используя собственные наработки на лягушках. Хотя пока это только попытка, и у нас нет результатов, о которых я мог бы рассказать.

Когда мы в совершенстве овладеем этим языком, мы сможем полностью контролировать форму и делать хоть лягушек треугольной формы с пропеллером на голове

– А что там с мозгом мыши?

– Это была работа совместно с немецкими коллегами, в которой мы обнаружили, что при эмбриональном развитии мозга определенные электрохимические потенциалы управляют развитием определенных частей мозга.

– Возможно ли, по-вашему, будет когда-нибудь воспроизвести мозг человека?

– Безусловно. Если это возможно при внутриутробном развитии, то это может быть сделано еще раз. Вопрос только в том, что с памятью, которая была в нем.

– В прошлом году много внимания во всем мире привлек эксперимент, когда с помощью каркаса из соединительной ткани и стволовых клеток удалось вырастить жизнеспособную почку. Насколько этот метод перспективен? 

– Это определенно многообещающий метод для более простых органов, у которых повторяющаяся структура, – например, для почек, сердца, мочевого пузыря или легких. Более сложные органы: глаза, лицо, конечности или мозг – если и можно будет когда-нибудь таким образом вырастить, то очень не скоро. Для таких сложных органов нам необходимо полностью контролировать всю систему биологического развития, а не вручную управлять микропроцессами в нем.

– Обычно выращивание новых органов мы связываем со стволовыми клетками, в этой области ведется много исследований. Вы разрабатываете принципиально другой подход. Насколько они совместимы?

– Моя работа отличается, она не противоречит, но дополняет общепринятый подход. Тут два момента. Мы одни из немногих, кто прицельно занимается электрическими сигналами параллельно с химией и генетикой клеток. Мы считаем, что электрические импульсы – это очень важные механизмы, вмешиваясь в которые можно влиять на клетки. Большинство лабораторий не учитывают электрические взаимодействия клеток и работают исключительно с биохимией и генетикой. 

– Можно ли сказать, что вы уже научились понимать язык электрохимических импульсов, с помощью которого организм управляет делением клеток и развитием органов?

– Это было бы слишком преждевременно. Мы называем этот язык биоэлектрическим кодом, и, я бы сказал, мы знаем только первые несколько букв в этом языке. Мы знаем достаточно, чтобы сделать глаза, конечности, мозг у некоторых животных, но и только. Когда мы в совершенстве овладеем этим языком, мы сможем полностью контролировать форму и делать хоть лягушек треугольной формы с пропеллером на голове. Но сейчас мы в самом начале этого пути.


Майкл Левин. Фото: © Tufts University

– Сколько человек у вас работает?

– Около 22 человек занимаются всеми направлениями.

– Как выглядит ваш день? Это правда, что вы встаете в четыре часа утра?

– Да, это так. Я просыпаюсь в 4–4:30, занимаюсь спортом, потом работаю дома или, наоборот, сначала что-то пишу, читаю и думаю, потом тренируюсь. Около семи часов я иду в лабораторию, где обычно работаю до шести вечера. Дважды в неделю ухожу пораньше, чтобы успеть на занятие по карате. Вечером прихожу домой, провожу время с детьми и женой. Перед сном работаю еще немного. По выходным все то же самое, только я не хожу в лабораторию и в основном тусуюсь с детьми, работаю, только когда они спят.

– Сколько же вы спите?

– Обычно часов пять.

– Говорят, недосыпание укорачивает жизнь. Вас это не останавливает?

– Ну, жить вообще вредно. Много что сокращает наши дни, что уж тут поделаешь. Мне кажется, увлекательная интеллектуальная работа продлевает жизнь, так что в итоге она компенсирует недосыпание.