Починить сердце. Как три нобелевских открытия XXI века встретились в лаборатории украинского генетика

Открытия, за которые дают Нобелевские премии, часто кажутся «вещью в себе»: несмотря на их важность, до сих пор непонятно, какая от них польза для большинства людей, которые наукой не занимаются и возможно даже не интересуются.

Сегодня hromadske рассказывает об исследовании украинского генетика Оксаны Пивень. Вместе с коллегами она работает над тем, чтобы создать совершенно новую методику лечения последствий инфаркта, которая однажды может улучшить жизнь тысяч людей только в нашей стране. Работа исследовательницы была бы просто невозможной без по крайней мере трех открытий других ученых, отмеченных Нобелевскими премиями в начале XXI века. 

Шрам на всю оставшуюся жизнь

Сердечно-сосудистые заболевания — главная причина смерти людей во всем мире. Среди них самые распространенные — инсульт и инфаркт. Только в Украине ежегодно случается 40 тысяч инфарктов.

Сердце доставляет кровь к каждой клетке организма. Но оно само тоже нуждается в крови — ведь это мощная мышца, которая постоянно работает, что бы ни делал человек, даже когда он отдыхает.

По разным причинам коронарные сосуды, по которым сердце получает кровь для себя, могут сужаться — и однажды какой-то из них «перекрывается» таким образом, что определенный участок сердца перестает получать кислород. Так возникает инфаркт.

Хорошая новость в том, что современная медицина может помочь человеку с инфарктом, но только если доставить его в больницу в течение нескольких часов. И то не во всякую, а в ту, где есть специальное оборудование и специалисты. В таком случае последствия инфаркта будут минимальными для здоровья.

А плохие новости известны давно: если не возобновить поставку крови к сердцу в первые часы, то часть сердечной мышцы отмирает. На ее месте образуется своего рода шрам из соединительной ткани, которая не может сокращаться так же, как это делает сердечная мышца.

И тогда уже ничего не поделаешь: сердце не восстановится до прежнего состояния, а человек имеет высокие шансы получить инвалидность.

Доктор биологических наук Оксана Пивень решила найти способ «отмотать время назад» и научиться восстанавливать сердце после инфаркта. В Институте молекулярной биологии и генетики НАН Украины она вместе с коллегами работает над тем, чтобы превратить клетки соединительной ткани, образующиеся в сердце после инфаркта, в клетки сердечной мышцы. Фактически — отменить последствия инфаркта и обновить сердце.

Коктейль Яманаки

Сами по себе такие процессы в организме происходить не могут. У каждой взрослой клетки есть своя специализация, или «профессия». Она может умереть, может жить вечно в виде раковой клетки, но не может изменить свое назначение. То есть клетка кожи никогда не превратится в красное кровяное тельце, клетка кости никогда не научится сокращаться, как это делает мышечная, а клетка соединительной ткани не превратится в мышечную, которая нужна сердцу.

Но любая клетка, независимо от ее специализации, несет в себе одинаковый набор генов. Просто часть из них «спит», а часть — «работает». Перечень генов, которые «работают», определяет «профессию» клетки: у клеток соединительной ткани он один, а у клеток сердечной мышцы — другой.

В начале нынешнего века японский исследователь Синъя Яманака нашел способ превратить взрослые клетки мышей в стволовые, или молодые. Другими словами он сумел отменить их приобретенную «специализацию» и вернул к тому раннему состояния, когда все пути для них открыты — клетка может выбрать свое назначение и стать частью костной или сердечной ткани, занять свое место в коже или в других местах.

Яманака сделал это с помощью четырех специальных белков. Когда они попадают в клетки, то запускают сложные процессы в работе генов, омолаживая клетки. Этот набор белков получил название «коктейля Яманаки». А сам ученый в 2012 году получил за свое открытие половину Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Благодаря его успеху другие исследователи выяснили, что есть и другие «коктейли» — наборы белков, которые «переключают» клетки с одной «профессии» на другую. Остается доставить их в клетку, или каким-то образом «разбудить» их гены в клетке. Так начинается шоу под названием «клетка меняет профессию». Именно то, что нужно Оксане Пивень и ее коллегам, чтобы научиться лечить последствия инфаркта.

Рецепт нужного исследовательнице коктейля стал известным благодаря другим ученым. Названия его составляющих вряд ли что-то скажут неспециалисту. Но если в «коктейле Яманаки» их было четыре, то для преобразования соединительных клеток в клетки сердечной мышцы их нужно пять.

Опять «генетические ножницы»...

Существуют разные способы доставить такой коктейль внутрь клетки. Украинские исследователи решили пойти другим путем и заставить клетку производить его самостоятельно. Ведь все необходимые для этого гены (их называют мастер-генами) в клетках соединительной ткани есть, но они «спят».

Генетики умеют «разбудить» тот или иной ген, но для этого сначала его нужно найти. По сложности эта задача сравнима с поиском иголки в стоге сена.

На помощь исследователям пришла система CRISPR/Cas9. Большинство знают ее как «генетические ножницы» — сложную молекулярную систему, способную не просто разрезать молекулу ДНК, но делать это в строго указанном месте. Благодаря этому с ее помощью можно вырезать «сломанные» гены, чтобы заменить их на «исправные».

Такие вещи пока не применяются широко в медицине, но проводится много исследований, потенциал технологии — огромный. За работы по созданию «генетических ножниц» две исследовательницы — Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудна — в прошлом году получили Нобелевскую премию по химии.

...но на этот раз они не режут 

Однако нашим ученым ничего резать не надо. Поэтому они используют «генетические ножницы», лишенные возможности резать, но способные находить те точные места в огромном геноме, где расположены «переключатели» мастер-генов, необходимых для приготовления «коктейля».

Остается ввести специально настроенные «затупленные ножницы» внутрь клетки соединительной ткани и ждать, пока она превратится в мышечную клетку сердца.

Но, как и в любом сложном эксперименте, с первого раза не все так хорошо удается — «волшебного превращения» одних клеток в другие не происходит. Причин может быть множество. Например, может оказаться, что вся эта «молекулярная машина», запускающая выработку нужного «коктейля», даже не попала в клетку.

Как происходит такая доставка? Все необходимые для нее молекулы упаковывают в отдельные плазмиды — маленькие кольцевые ДНК. В этом исследовании доставить надо целый набор инструментов: «сломанные молекулярные ножницы»  — белок Cas9, к которому пришиты другие специальные белки, способные включать гены, а также «GPS навигаторы» — пять молекул, которые и «посадят» «ножницы» в нужном месте нужного гена, чтобы включить его.

В начале своих исследований каждый из компонентов наши ученые «упаковали» в отдельную плазмиду. Из-за этого некоторые из многочисленных «посылок» не попадали в клетки, а некоторых наоборот попало больше, чем нужно. А в таком случае выработка «коктейля» не запускается.

И теперь ученые работают над тем, чтобы уменьшить количество плазмид-носителей до двух. Одна должна содержать «сломанные молекулярные ножницы» с белками-включателями, а другая — все пять «GPS навигаторов». Кроме того, первая молекула содержит зеленый флуоресцентный белок, а другая — похожий белок, но красного цвета.

Зеленый свет медузы

Такие белки способны светиться, когда их облучают определенным цветом, поэтому активно используются как маркеры во многих исследованиях в клеточной и молекулярной биологии. Если исследователи видят такой белок в клетке, значит, «генетические ножницы» или другая молекулярная конструкция успешно попала внутрь. Это означает, что по крайней мере на этом этапе эксперимента все прошло хорошо.

Зеленый флуоресцентный белок не изобрели люди. Его нашли в организме одного из видов медуз во второй половине XX века. Он оказался таким полезным для клеточных и молекулярных биологов, что в 2008 году за его изучение трое американских ученых — Мартин Чалфи, Осаму Симомура и Роджер Тсиен — получили Нобелевскую премию по химии. Сейчас у исследователей есть уже целая палитра таких молекулярных меток: от нежно-голубого до ярко-красного и лимонно-желтого цвета. Разноцветные белки нужны, чтобы в одном эксперименте отличать метки друг от друга.

Клетки, крысы и наконец люди

Сейчас группа Оксаны Пивень проводит исследования на двух объектах: клетках соединительной ткани крыс, а также стволовых клетках из человеческой пуповины. В первом случае исследователи наблюдают определенные признаки того, что клетки приобретают черты клеток сердечной мышцы, но пока, к сожалению, не сокращаются. То есть полного преобразования еще не произошло. А во втором случае результатов надо еще подождать.

Конечно, успех в опытах с клетками крыс и человека не может гарантировать того, что технология уже готова для лечения последствий инфаркта. Поэтому дальше исследователи хотят испытать ее на крысах, которым искусственно смоделируют инфаркт, а затем — на изолированных тканях человеческого сердца.

И только если все эти этапы будут успешными, можно будет проводить клинические исследования на людях. Впрочем, Оксана Пивень говорит, что уже сейчас к ней обращаются частные компании с предложениями применить экспериментальное лечение на людях.

Исследовательница считает, что теоретически подобные вмешательства в организм человека даже если не помогут, то вряд ли навредят. Но взять такую ответственность на себя — означало бы нарушить логику испытаний медицинских технологий и пойти на серьезные компромиссы с совестью. Поэтому эти предложения она даже не рассматривает. Но в то же время продолжает идти длинным путем научного исследования.