Полагодити серце. Навіщо три нобелівських відкриття XXI століття зустрілися в лабораторії української генетикині

Відкриття, за які дають Нобелівські премії, часто здаються «річчю в собі»: попри їхню важливість, досі незрозуміло, яка від них користь для більшості людей, що наукою не займаються і, може, навіть, не цікавляться.

Сьогодні hromadske розповідає про дослідження української генетикині Оксани Півень, яка разом із колегами працює над тим, аби створити абсолютно нову методику лікування наслідків інфаркту, що одного дня може поліпшити життя тисяч людей тільки в нашій країні. Робота дослідниці була б просто неможливою без принаймні трьох відкриттів інших науковців, відзначених Нобелівськими преміями з початку XXI століття.

Шрам на решту життя

Серцево-судинні захворювання — головна причина смерті людей у всьому світі. Серед них найбільш поширені — інсульт та інфаркт. Зокрема, лише в Україні щороку трапляється 40 тисяч інфарктів.

Серце постачає кров до кожної клітини організму. Але воно саме також потребує крові — адже це потужний м’яз, який невпинно працює, що б не робила людина, навіть коли вона відпочиває.

З різних причин коронарні судини, через які серце отримує кров для себе, можуть звужуватися — й одного разу якась із них «перекривається» таким чином, що певна ділянка серця припиняє отримувати кисень. Так виникає інфаркт.

Хороша новина в тому, що сучасна медицина може допомогти людині з інфарктом, але лише якщо доставити її в лікарню не пізніше, ніж протягом найближчих кількох годин опісля. Та й те не у будь-яку, а туди, де є спеціальне устаткування і фахівці. У такому разі наслідки інфаркту будуть мінімальними для здоров’я.

А погані новини відомі давно: якщо не відновити постачання крові до серця у перші години, то частина серцевого м'яза відмирає. На його місці утворюється такий собі шрам зі сполучної тканини, яка не може скорочуватися так само, як це робить серцевий м’яз.

І тоді вже нічого не вдієш: серце не відновиться до попереднього стану, а людина має високі шанси жити далі з інвалідністю.

Докторка біологічних наук Оксана Півень вирішила знайти спосіб «відмотати час назад» і навчитися відновлювати серце після інфаркту. В Інституті молекулярної біології та генетики НАН України вона разом із колегами працює над тим, щоб навчитися перетворювати клітини сполучної тканини, що утворюються в серці після інфаркту, на клітини серцевого м’яза. Фактично — скасувати наслідки інфаркту та оновити серце.

Коктейль Яманаки

Самі собою такі процеси в організмі не можуть відбутися. Кожна доросла клітина має свою спеціалізацію, або «професію». Вона може померти, може жити вічно у вигляді ракової клітини, але не може змінити свого призначення. Тобто клітина шкіри ніколи не перетвориться на червонокрівець, клітина кістки ніколи не навчиться скорочуватися, як це робить м’язова, а клітина сполучної тканини не перетвориться на м’язову, яка потрібна серцю.

Але будь-яка клітина, незалежно від її спеціалізації, має в собі однаковий набір генів. Просто частина із них «спить», а частина – «працює». Перелік генів, що «працюють», визначає «професію» клітини: в клітини сполучної тканини він один, а в клітини серцевого м’яза — інший.

На початку нинішнього століття японський дослідник Сінья Яманака знайшов спосіб перетворити дорослі клітини миші на стовбурові, або ж молоді. Іншими словами він зумів скасувати їхню набуту «спеціалізацію» і повернув до того раннього стану, коли всі шляхи для них відкриті — клітина може обрати призначення і стати частиною кісткової тканини, серцевої, посісти своє місце у шкірі або деінде.

Яманака зробив це за допомогою чотирьох спеціальних білків. Коли вони потрапляють до клітини, то запускають складні процеси в роботі генів, що омолоджують клітини. Цей набір білків отримав назву «коктейлю Яманаки». А сам вчений у 2012-му році отримав половину Нобелівської премії з фізіології та медицини за відкриття.

Завдяки його успіху інші дослідники з’ясували, що існують інші «коктейлі» — набори білків, які «перемикають» клітини з однієї «професії» на іншу. Залишається доставити їх у клітину, або в якийсь спосіб «розбудити» їхні гени в клітині. Так розпочинається шоу під назвою «клітина міняє професію». Саме те, що потрібно Оксані Півень та її колегам, щоб навчитися лікувати наслідки інфаркту.

Рецепт потрібного дослідниці коктейлю був відомий завдяки іншим науковцям. Назви його складників навряд чи щось скажуть нефахівцю. Але якщо в «коктейлі Яманаки» їх було чотири, то для перетворення сполучних клітин на клітини серцевого м’яза їх треба п’ять.

Знову «генетичні ножиці»...

Існують різні способи доправити такий коктейль всередину клітини. Українські дослідники вирішили піти іншим шляхом і змусити клітину виробляти його самостійно. Адже всі потрібні для цього гени (їх називають мастер-генами) в клітинах сполучної тканини є, але вони «сплять».

Генетики вміють «розбудити» той чи інший ген, але для цього спочатку його потрібно знайти. За складністю це завдання можна порівняти з пошуком голки в копиці сіна.

На допомогу дослідникам прийшла система CRISPR/Cas9. Більшість чули про неї, як про «генетичні ножиці» — складну молекулярну систему, здатну не просто розрізати молекулу ДНК, але робити це в чітко вказаному місці. Завдяки цьому за її допомогою можна вирізати «зламані» гени, щоб замінити їх на «справні».

Такі речі поки не широко застосовуються в медицині, але проводиться багато досліджень, потенціал технології — величезний. За роботи зі створення «генетичних ножиць» двоє дослідниць — Еммануель Шарпентьє і Дженніфер Дудна — торік отримали Нобелівську премію з хімії.

…але цього разу вони не ріжуть 

Однак нашим науковцям нічого різати не треба. Тому вони використовують «генетичні ножиці», позбавлені можливості різати, проте здатні знаходити ті точні місця у величезному геномі, де розташовані «вмикачі» мастер-генів для приготування «коктейлю».

Залишається ввести спеціально налаштовані «затуплені ножиці» всередину клітини сполучної тканини та чекати, поки вона перетвориться на м’язову клітину серця.

Але, як і в будь-якому складному експерименті, з першого разу не все так добре вдається — «чарівне перетворення» одних клітин на інші не відбувається. Причин може бути безліч. Наприклад, може виявитися, що вся ця «молекулярна машина», що запускає вироблення в клітині потрібного «коктейлю», навіть не потрапила до клітини.

Як відбувається таке доставлення? Всі потрібні для неї молекули запаковують в окремі плазміди — маленькі кільцеві ДНК. У цьому дослідженні доставити треба цілий набір інструментів: «зламані молекулярні ножиці» (білок Cas9), до якого пришиті інші спеціальні білки, що здатні вмикати гени, а також «GPS навігатори» — п’ять молекул, які й «посадять» «ножиці» у потрібному місці потрібного гена, щоб увімкнути його.

На початку своїх досліджень усі ці компоненти наші вчені «запакували» кожен в окрему плазміду. Через це деякі з цих численних «відправлень» не потрапляли до клітин, а деякі навпаки потрапляли більшими, ніж потрібно, порціями. Тоді вироблення «коктейлю» не запускається.

Тож тепер учені працюють над тим, щоби зменшити кількість таких плазмід-носіїв до двох. Одна має містити «зламані молекулярні ножиці» з білками-вмикачами, а інша — всі п’ять «GPS навігаторів». Крім того, перша молекула містить зелений флуоресцентний білок, а інша — подібний білок, але червоного кольору.

Зелене світло медузи

Такі білки здатні світитися, коли їх опромінюють певним кольором, тому активно використовуються як маркери у багатьох дослідженнях у клітинній та молекулярній біології. Якщо дослідники бачать такий білок у клітині, отже, «генетичні ножиці» або інша молекулярна конструкція успішно потрапили всередину. Це означає, що принаймні на цьому етапі експерименту все добре.

Зелений флуоресцентний білок не винайшли люди. Його знайшли в організмі одного з видів медуз у другій половині XX століття. Він виявився таким корисним для клітинних та молекулярних біологів, що у 2008-му році за його вивчення троє американських науковців — Мартін Чалфі, Осаму Сімомура та Роджер Цянь — отримали Нобелівську премію з хімії. Нині дослідники усього світу мають цілу палітру таких молекулярних міток: від ніжно-блакитного до яскраво-червоного та лимонно-жовтого кольорів. Різнобарвні білки потрібні, щоб в одному експерименті відрізняти мітки одна від іншої.

Клітини, щурі й нарешті люди

Наразі група Оксани Півень проводить дослідження на двох об’єктах: клітинах сполучної тканини щурів, а також стовбурових клітинах із людської пуповини. В першому випадку дослідники спостерігають певні ознаки того, що клітини набувають рис клітин серцевого м’яза, але поки, на жаль, не скорочуються. Тобто повного перетворення ще не сталося. А в другому випадку на результати треба почекати.

Звісно, успіх на клітинах щурів та клітинах людини не може гарантувати того, що технологія вже готова для лікування наслідків інфаркту в людини. Тому далі дослідники хочуть випробувати її на щурах, яким штучно змоделюють інфаркт, а потім — на ізольованих тканинах людського серця.

І лише якщо всі ці етапи будуть успішними, можна проводити клінічні дослідження на людях. А втім, Оксана Півень каже, що вже зараз до неї звертаються приватні компанії з пропозиціями застосувати експериментальне лікування на людях.

Дослідниця вважає: з теоретичних міркувань подібні втручання в організм людини навіть якщо не допоможуть, то навряд чи нашкодять. Але взяти таку відповідальність на себе — означало б порушити логіку випробувань медичних технологій і піти на серйозні компроміси з совістю. Тому такі пропозиції вона навіть не розглядає. Натомість продовжує йти довгим шляхом наукового дослідження.