Iš bendro su VU Gyvybės mokslų centru rengiamo straipsnių ciklo „Gamtos mokslai – humanitarams“

 

J. W. Goethe (1749–1832) antrajame „Fausto“ veiksme veda skaitytoją į pagrindinio veikėjo kabinetą, kur jo padėjėjas daktaras Vagneris įsirengė genų inžinerijos laboratoriją. Čia jis mėgintuvėlyje iš biomasės sukuria dirbtinį gemalą – Homunkulą. Kad ir kaip būtų keista, bet tas dirbtinai sukonstruotas žmogiukas Faustą kviečia garbinti klasikinį visagalį Erotą...

Tokia, nors ir prieštaringa, šiandienio mokslo įžvalga mitologijoje ir literatūroje nėra vienintelė. Prisiminkime Ievos sukūrimą iš Adomo šonkaulio, graikų mitus apie erelį, kiekvieną dieną kapojusį Prometėjo kepenis, o šios per naktį sugydavo, apie chimerą, turėjusią ožio kūną, gyvatės uodegą ir liūto galvą, o vėliau – literatūrinį personažą, jauną mokslininką Franken­šteiną, sukūrusį gyvą padarą iš lavono dalių.

Žmonėms visada buvo smalsu, kokia gyvybės esmė, jie bent mintimis mėgino sukurti gyvą organizmą be lytinio dauginimosi. Mituose ir literatūros šaltiniuose vartojami terminai šiandienio mokslo kontekste suprantami kaip konk­retūs šiuolaikinių metodų atitikmenys – genų inžinerija, molekulinė biologija, biotechnologija.

XIX amžiuje buvo suprasta, kad ląstelės yra pagrindiniai statybiniai gyvo organizmo „blokai“ ir kad kai kurios geba „gaminti“ kitas ląsteles. Garsus vokiečių mokslininkas, gydytojas R. Virchovas (1821–1902) padėjo pagrindus auginti tuos statybinius „blokus“ – ląsteles – ne organizme, o mėgintuvėlyje, in vitro.

Anot dabarties biomedicinos mokslo, organizme visos ląstelės yra svarbios, bet ypač įdomios ir vis dar nepakankamai pažintos kamieninės ląstelės, pasižyminčios unikaliomis savybėmis daugintis ir diferencijuotis (specializuotis) bet kuria gyvo organizmo audinių ir organų kryptimi.

Kas yra kamieninė ląstelė?

Remiantis klasikiniu apibrėžimu, kamieninė ląstelė yra nebrandi (nespecializuota), gebanti save atgaminti ląstelė. Organizme ji nėra nulemta ir tokia lieka, kol gauna signalą diferencijuotis. Gavusi tokį signalą, ji gali specializuotis į širdies, kraujo, odos, raumenų ar bet kurio kito tipo ląsteles. Įdomu ir tai, kad dalijantis kamieninei ląstelei viena iš dukterinių lieka tokio pat išsivystymo lygio, kokio buvo motininė ląstelė, o diferenciacijos kryptimi pajuda tik antroji. Bent kol kas vyrauja tokia teorija, paaiškinanti faktą, jog suaugusio organizmo audiniuose iki pat mirties galima rasti kamieninių ląstelių, t. y. jų resursai nors ir sumažėja, bet neišsenka.

1 pav. 5 dienų žmogaus blastocistos stadijos embrionas; ICM (inner cell mass) – vidinė ląstelių masė, iš kurios išsivysto embrionas; TE – trofoektodermos ląstelės, kurios vėliau suformuos placentą; cavity – skysčiu užpildyta blastocistos ertmė. Šaltinis www.advancedfertility.com/blastocystimages.htm
1 pav. 5 dienų žmogaus blastocistos stadijos embrionas; ICM (inner cell mass) – vidinė ląstelių masė, iš kurios išsivysto embrionas; TE – trofoektodermos ląstelės, kurios vėliau suformuos placentą; cavity – skysčiu užpildyta blastocistos ertmė. Šaltinis www.advancedfertility.com/blastocystimages.htm

Kamieninė ląstelė – struktūrinis organizmo vienetas, galintis turėti skirtingą likimą: iš jos gali susiformuoti naujas organizmas (tokia yra apvaisinta kiaušialąstė, dar vadinama visagale ląstele), ji gali duoti pradžią bet kuriam organui ar audiniui (embrioninė arba suaugusio organizmo audinių rezervo ląstelė, vadinama daugiagale ląstele) arba gali pakisti vieno audinio specializacijos kryptimi (vienagalė ląstelė). Galimas ir dar vienas kamieninės ląstelės likimo vingis – ji gali likti „tylinčia“ ląstele, ramiai gyvenančia specialiose organizmo audinių nišose, kol iš aplinkos atplaukęs signalas nepašauks jos keisti likimo. „Tylinti“ ląstelė gali tokia ir likti visą organizmo egzistencijos laikotarpį, jei ji nebus „pakviesta“ atkurti kokių nors audinių.

Pirmą kamienines ląsteles aprašantį straipsnį, pradėjusį šiuolaikinę kamieninių ląstelių tyrimo erą, 1961 m. paskelbė J. E. Tillas ir E. A. McCullochas. Šie Ontarijo (Kanada) vėžio instituto mokslininkai buvo pavadinti kamieninių ląstelių tėvais. Jų straipsnio esmė –­ aprašomas metodas, kaip in vitro iš susidariusių ląstelių kolonijų galima suskaičiuoti besidalijančias (vėliau jos buvo pavadintos daugiagalėmis) ląsteles, esančias kraujodaros organuose. Straipsnyje teigta, kad ląstelių kolonijos susiformuoja iš vienos ląstelės.

Kamieninių ląstelių galimybės

Pagal kilmę kamieninės ląstelės skirstomos į embriono (prenatalines) ir gimusio organizmo (postnatalines) kamienines ląsteles.

Tikrosios embriono kamieninės ląstelės, kalbant apie žmogų, būtų tos, kurios išskirtos iš maždaug 5 parų emb­riono vidinio blastocistos sluoksnio (1 pav.), pelės organizme – iš maždaug 2,5–3 dienų embriono. Tokios surinktos ląstelės turi būti auginamos specialioje terpėje, joms reikalinga kruopšti priežiūra. Dėl suprantamų etinių problemų šių žmogaus ląstelių naudojimas labai griežtai reglamentuojamas, o moksliniai tyrimai daugelyje šalių, taip pat ir Lietuvoje, draudžiami. Dažniausiai eksperimentuose naudojamos bandomųjų gyvūnų emb­riono ląstelės.

Gerokai paprastesnis postnatalinių ka­mieninių ląstelių, dažnai vadinamų suaugusio organizmo kamieninėmis ląstelėmis, tyrimas. Tai nebrandžios, audinių rezervo ląstelės, tūnančios kiekvieno iš mūsų organuose bei audiniuose greta diferencijuotų ląstelių ir natūraliai dalyvaujančios atkuriant daugelį mūsų organizmo negalavimų. Vienur jų yra daugiau, kitur – mažiau arba tik viena kita.

Visos kamieninės ląstelės turi puikią savybę – susidarius tam tikroms sąlygoms diferencijuojasi į jas supančias, specializuotas ląsteles. Taip gavusios tinkamą signalą, natūraliai audiniuose esančios ar gydymo tikslais transplantuotos kamieninės ląstelės gali atkurti įvairių organų ar audinių pažeidimus. Ypač puikiu atkuriamuoju potencialu pasižymi embriono kamieninės ląstelės. Tačiau dėl riboto jų naudojimo, pastaruoju metu daugiau dėmesio skiriama suaugusio organizmo kamieninėms ląstelėms. Tikimasi, kad autologinės (to paties organizmo) ląstelės ateityje galės būti panaudotos gydant Alzheimerio, Parkinsono ligas, cukrinį diabetą ir kt.

Ilgai manyta, kad nebrandžių (nediferencijuotų) kamieninių ląstelių likimo kreivė veda tik aukštyn: iš nebrandžios į brandžią, diferencijuotą, specialias funkcijas atliekančią ląstelę. Tačiau, vystantis mokslui, atsirado keistų faktų.

Dediferenciacija

2012 m. Nobelio fiziologijos ir medicinos premija buvo skirta dviem mokslininkams: britui J. Gurdonui (g. 1933) ir japonui Sh. Yamanakai (g. 1962). Anot Nobelio premijos komiteto pranešimo, jų atradimai „iš pagrindų pakeitė mūsų supratimą apie tai, kaip vystosi ląstelės ir organizmai“. J. Gurdono ir Sh. Yamanakos darbai pademonstravo, jog „subrendusias, specializuotas ląsteles galima perprogramuoti, kad jos taptų nebrandžiomis ląstelėmis, galinčiomis vystytis į visus kūno audinius“.

2 pav. Pelės, išaugusios iš indukuotų daugiagalių kamieninių ląstelių (M. Stadtfeld ir kt., Nature, 2010, Nr. 465, p. 175–181). Šaltinis www.nature.com/nature/journal/v465/n7295/fig_tab/nature09017_F2.html
2 pav. Pelės, išaugusios iš indukuotų daugiagalių kamieninių ląstelių (M. Stadtfeld ir kt., Nature, 2010, Nr. 465, p. 175–181). Šaltinis www.nature.com/nature/journal/v465/n7295/fig_tab/nature09017_F2.html

Nors Nobelio premija skirta tik XXI a., bet nominuotieji darbai buvo pradėti gerokai anksčiau. J. Gurdonas dar 7 dešimtmetyje klonavo varlę. Tai jis padarė iš kiaušialąstės pašalinęs jos nuosavą branduolį, o jo vietoje įsodinęs buožgalvio žarnyno (diferencijuotos) ląstelės branduolį. Iš tokios pakeistos kiaušialąstės išsivystė buožgalviukai. Šis faktas rodo, kad diferencijuotos (žarnyno) ląstelės branduolys, patekęs į bebranduolę kiaušialąstę, dėl joje esančių medžiagų buvo perprogramuotas: įvyko ląstelės dediferenciacija ir iš visiškai diferencijuotos ląstelės buvo gauta visagalė ląstelė, t. y. tokia, kaip paprasta apvaisinta kiaušialąstė, kuri duoda pradžią naujam organizmui. Taip buvo įrodyta, jog ląstelei diferencijuojantis DNR įvykę pakitimai nėra negrįžtami. Kitaip tariant, tai suteikė vilties gyvo organizmo galimybei „pasukti laikrodį atgal“.

Taikydamas šį metodą prof. I. Wilmutas 1996 m. sukūrė ir garsiąją avytę Dolly. Jis į bebranduolę kiaušialąstę įsodino avies tešmens ląstelės branduolį, iš šios ląstelės ir išsivystė naujas organizmas. Rezultatas dar kartą patvirtino, kad embrionai gali būti gauti panaudojant diferencijuotų ląstelių branduolius. Tai labai vertingos žinios, jos gali būti panaudotos ir sprendžiant nevaisingumo problemas, ir klonuojant organizmus. Žinoma, kalbant apie žmogų, tai kol kas tik teorinė galimybė.

Tą patį ląstelių dediferenciacijos faktą, tik taikydamas kitus metodus, pademonstravo Sh. Yamanaka. Jis į suaugusios pelės uodegos odos fibroblastus įvedė keturių transkripcijos faktorių (Oct3/4, Sox2, c-Myc ir Klf4), reguliuojančių genų raišką, genus. Po tam tikrų manipuliacijų buvo gautos kamieninės ląstelės, kurias mokslininkas pavadino indukuotomis daugiagalėmis ląstelėmis. jos davė pradžią naujiems gyvūnėliams –­ peliukams. Vėliau tai patvirtino ir kiti mokslininkai, iš diferencijuotų ląstelių, kaip ir iš apvaisintų kiaušialąsčių, gavę naujų palikuonių (2 pav.).

Vadinasi, daugiagalės kamieninės ląstelės gali būti gautos iš diferencijuotų (tam tikrą funkciją organizme atliekančių) ląstelių, įvedus keletą būtinų transkripcijos faktorių genų. Šis faktas patvirtino J. Gurdono dediferenciacijos mokslinių darbų rezultatus, už tai abu mokslininkai ir buvo apdovanoti. Atlikti darbai lėmė ir naują požiūrį į kai kuriuos fundamentalius ląstelės biologijos dėsnius, ir suteikė naują kamieninių ląstelių šaltinį, kuris ateityje galės būti plačiai taikomas.

Klonavimas

Klonavimas – mistinis, daug diskusijų visuomenėje keliantis reiškinys. Buvęs mokslinės fantastikos elementas tampa realybe.

3 pav. Viduryje – klonuotas kačiukas Copycat (cc) su savo mamomis: kairėje – katė mama Rainbow, iš kurios kūno ląstelės buvo paimtas branduolys; dešinėje – kačiukas cc su surogatine mama. Šaltinis www.britannica.com/science/cloning/images-videos
3 pav. Viduryje – klonuotas kačiukas Copycat (cc) su savo mamomis: kairėje – katė mama Rainbow, iš kurios kūno ląstelės buvo paimtas branduolys; dešinėje – kačiukas cc su surogatine mama. Šaltinis www.britannica.com/science/cloning/images-videos

Lytiškai besidauginančio organizmo genomą sudaro dviejų tėvinių organizmų genetinė medžiaga, o jau aptartų mokslininkų darbai (iš jų labiausiai išgarsėjo avytė Dolly) parodė, jog gali pakakti ir vieno organizmo, kurio diferencijuotos ląstelės branduolį perkėlus į kiaušialąstę būtų gaunamas naujas individas. Tai ir yra vienas iš klonavimo būdų. Teoriškai taip įmanoma klonuoti ir gyvūnus, ir žmones. Pasaulyje neretai tenka išgirsti apie kokį nors asmenį, norintį save klonuoti ir taip gyventi kelis gyvenimus kaip klonuota katytė Copycat (cc) (3 pav.).

Yra ir kitokių gyvų individų klonavimo (dauginimo) būdų, vienas jų –­ emb­rionų dvigubinimas. Šio metodo esmė –­ besidalijančio apvaisinto kiaušinėlio, kai susidaro kelių ląstelių gumulėlis, padalijimas ir įsodinimas į skirtingų motinų gimdas. Jei procedūra atliekama korektiškai, iš skirtingų motinų gimsta identiški organizmai. Taip Oregono nacionaliniame primatų tyrimo centre, vadovaujamame prof. G. Schatteno, buvo klonuota Rezus makaka beždžionėlė Tet­ra. Jos embrionas buvo padalytas, kai sulaukė 8 ląstelių stadijos, tačiau šiuo atveju bandymas nebuvo labai sėkmingas, nes iš gautų 2 embrionų gimė tik Tetra. Apie ją pranešta 2000-aisiais.

Chimeros

Chimeros – viena iš prieštaringiausių, bet kartu dėl paslaptingumo įdomiausių kamieninių ląstelių ir embriologijos tyrimų sričių. Chimeros sąvoka atkeliavo iš tūkstantmečių glūdumos, kai mėginta poruoti skirtingas rūšis (yra buvę ir žmonių...) ir buvo gautos mišrios būtybės.

Šiandien chimerų gavimas galėtų suteikti daug naujų žinių ir net padaryti didelę visos biomedicinos pažangą, pavyzdžiui, būtų galima sudaryti sąlygas chimeriniuose gyvūnuose auginti žmogaus organus... Tačiau žmogaus chimerų tyrimai sėja didelę nesantaiką tarp visuomenės narių ir prieštarauja daugeliui etikos normų. Todėl chimerų kūrimas, nors techniškai įmanomas, nėra išplėtotas. Yra atlikti tik pavieniai darbai su bandomaisiais gyvūnais, kai, pavyzdžiui, gauti pelės-žiurkės chimeriniai organizmai (4 pav.).

Žmogaus klonavimas

Perspektyva klonuoti žmogų ypač prieštaringa, kelia begalę etinių, teisinių ir socialinių iššūkių. Dauguma mokslininkų ir įstatymų leidėjų mano, kad žmogaus reprodukcinis klonavimas siekiant susilaukti palikuonių yra amoralus. Tačiau šios idėjos šalininkai tai mato kaip galimybę išspręsti nevaisingumo problemą. Yra ir minčių, kad reikėtų klonuoti pasaulio genijus, idant jų darbai praturtintų, pagerintų visuomenę. Dar viena makabriška perspektyva –­ klonuoti žmones, kad jie būtų organų donorai... Tačiau dėl šio laikotarpio socialinės aplinkos ir pasaulyje egzistuojančios teisinės bazės klonuoti žmogų yra nelegalu ir neleidžiama siekti tokio tikslo. Technologiniu požiūriu tai irgi kol kas neįmanomas uždavinys –­ nors daug rūšių buvo klonuotos sėk­mingai, žmogaus klonavimas vis dar neišspręstas klausimas.

Dabar šios srities mokslininkų pastangos yra sutelktos į embrioninių kamieninių ląstelių mokslinius tyrimus ir jų panaudojimą medicinoje. Vis dėlto daugelis šioje srityje dirbančiųjų mano, kad terapinis ląstelių klonavimas pavojingai priartėja prie žmogaus reprodukcinio klonavimo. Atsiranda naujų ir efektyvių metodų, todėl baiminamasi, kad kai kas gali būti linkęs žengti kitą žingsnį... Todėl mokslo bendruomenė skatinama gerai įvertinti visą riziką, grėsmę ir šio metodo įgyvendinimo privalumus, kad būtų gerai pasiruošta tam laikui, kai žmogaus klonavimas taps rea­lybe.

Daug žadanti ateitis

Dažniausiai galvojama apie kamieninių ląstelių naudojimą gydymo tikslais. Dabar plačiai nagrinėjama, kaip tas ląsteles gauti, padauginti, paruošti ir kaip panaudoti, kad jos atkurtų pažeistus audinius ar organus bei jų funkcijas. Tiriamos atskirų ląstelių ir dirbtinių audinių, pagamintų iš kamieninių ląstelių ir specialių karkasų, panaudojimo galimybės.

4 pav. Paprasti ir chimeriniai gyvūnai: pelė, pelė-žiurkė, žiurkė-pelė ir žiurkė (Nakauchi et al. / The university of Tokyo / Stanford; šaltinis ipscell.com/tag/hiromitsu-nakauchi).
4 pav. Paprasti ir chimeriniai gyvūnai: pelė, pelė-žiurkė, žiurkė-pelė ir žiurkė (Nakauchi et al. / The university of Tokyo / Stanford; šaltinis ipscell.com/tag/hiromitsu-nakauchi).

Pastarajame dešimtmetyje mokslinių publikacijų apie kamienines ląsteles skaičius per metus padaugėjo maždaug 40 kartų, o kamieninių ląstelių naudojimo rinka, tikimasi, iki 2020 m. išsiplės iki 170 mlrd. JAV dolerių. Skaičiai išties įspūdingi.

O štai pagrindiniai pastarųjų 12 mėnesių kamieninių ląstelių tyrimų ir jų pritaikymo pasiekimai:

• iš kamieninių ląstelių auginama žmogaus akis. Mokslininkai, vadovaujami Kohji Nishidos, Osakos universitete (Japonija) atrado būdą, kaip iš nedidelio suaugusio organizmo odos gabalėlio išauginti audinius, sudarančius žmogaus akies obuolį – tinklainę, rageną, akies lęšį;

• kamieninių ląstelių injekcijos gelbsti insultą patyrusius ligonius. Stanfordo universiteto medicinos mokyklos studijoje aprašoma, kaip iš 18 tokių ligonių, kurie sutiko būti gydomi kamieninėmis ląstelėmis, septyniems užfiksiuotas žymus motorinių funkcijų pagerėjimas; teigiama, kad šis metodas tiktų ir sergantiems Alzheimerio, Parkinsono ar Lou Gehrigo ligomis;

• kamieninės ląstelės gydo paralyžiuotus žmones. Pietų Kalifornijos mokslininkai sušvirkštė kamieninių ląstelių neseniai paralyžiuotam 21 metų jaunuoliui, po 3 mėnesių jis pajuto žymų pagerėjimą ir pradėjo valdyti abi rankas.

Tai tik trys sėkmingos kamieninių ląstelių panaudojimo istorijos, iš tiesų jų yra labai daug.

Mes žinome, kad mirsime, bet nežinome – kada. Anot šiandienio mokslo, mūsų ilgaamžiškumo ir sveikatos raktas slypi mūsų pradžios pradžioje – kamieninėje ląstelėje, jos genetiniame kode. Tikėtina, kad, mokslui taip veržliai žygiuojant į priekį, per ateinančius du dešimtmečius kamieninės ląstelės pakeis vaistus, pratęs mūsų gyvenimą ir galbūt išgelbėti mūsų gyvybes.

Gyvybes_mokslu_centras_LM.png