STAP – открытие, возвещающее о начале новой эры производства стволовых клеток

29 января 2014 года весть о революционном открытии японских ученых облетела весь мир. Поместив клетки в агрессивную слабокислую среду, и тем самым подвергнув их химическому стрессу, учёным удалось получить новые плюрипотентные стволовые клетки – STAP.

Совместная исследовательская группа Центра биологии развития при институте физико-химических исследований RIKEN(*1), лидером которой является  тридцатилетняя Обоката Харуко (на фото), впервые в мире смогла получить плюрипотентные стволовые клетки нового типа (STAP-клетки). Результаты исследования были опубликованы 30 января в британском научном журнале Nature.

Обоката Харуко, один из авторов методики получения STAP-клеток

Секрет – в воздействии внешней среды

По мере взросления человеческого организма клетки программируются и становятся клетками определённого типа, как например эпителиальные клетки или клетки мышечной ткани, которые не могут преобразовываться в клетки других типов. Но учёные задались вопросом о получении особых, плюрипотентных клеток, которые могли бы стать любой другой клеткой – ведь это то, чего так не хватает современной регенеративной медицине. И именно поэтому во многих странах в последнее время всё активней проводятся эксперименты по получению плюрипотентных клеток, таких как эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS-клетки), которые открыл профессор Яманака Синъя.

Новая методика выделения STAP-клеток, автором которой является Обоката, состоит в том, что обычные клетки подвергают химическому стрессу – будучи помещёнными на короткий срок (25 минут) в слабокислую среду, эти клетки превращаются из зрелых в незрелые, возвращаясь в развитии на несколько ступеней назад, на уровень зиготы. Это безусловно эпохальное открытие, а полученные в результате клетки иногда называют "плюрипотентными клетками третьего типа".

Научное название этих клеток, STAP, является аббревиатурой по первым буквам названия нового научного феномена: stimulus-triggered acquisition of pluripotency (стимулированное приобретение свойства плюрипотентности). Это – самое начало пути, и впереди ещё много неизведанного, но уже сейчас ясно, что, будучи применённым на практике, открытие может произвести настоящую революцию в области регенеративной медицины и иметь далеко идущие последствия. Институт физико-химических исследований RIKEN, а также Гарвардский университет (где Обоката на протяжении двух лет принимала участие в исследовательском проекте) уже подали заявку на международный патент новой технологии.

Невероятно, но факт

Результаты этого исследования ошеломили весь мир и стали открытием, перевернувшим общепринятые в современной цитологии представления. В Институте физико-химических исследований этот революционный проект комментируют следующим образом:

"В ответ на заявление, что в некой особой среде зрелые клетки живого организма могут самостоятельно перенастроиться и превратиться в незрелые, практически любой биолог или биотехнолог возразит, что это противоречит здравому смыслу. Однако совместная исследовательская группа, работающая на базе отдела, которым руководит Обоката, отважилась не только предположить нечто в корне противоположное общепринятому мнению, но и доказать верность этого невероятного предположения!"

Когда Обоката и её коллеги первый раз подали в Nature заявку на публикацию статьи, то получили отказ, который звучал так: "Не надо выставлять себя на посмешище, издеваясь над такой уважаемой наукой, как цитология, история которой насчитывает несколько сотен лет". Глядя на этот ответ, полученный от авторитетнейшего научного издания, можно представить себе, насколько выбивающимся из общепринятых представлений и противоречащим привычной логике было это открытие.

В процессе исследования STAP-клетки были получены из мышиных лимфоцитов, которые были подвергнуты химическому стрессу. В стрессовой ситуации клетки изменили свои характеристики и приобрели свойства плюрипотентности. По сравнению с методом получения iPS-клеток, новый метод более эффективен и требует меньших временных затрат. Кроме того, при его использовании не наблюдается ни злокачественного роста, ни воздействия на хромосомы, то есть тех двух основных проблем, которые могут возникнуть при внесении генов для получения iPS-клеток . Но iPS-клетки уже сейчас можно получать из клеток человеческого организма, а STAP-клетки пока что были получены только у мышей. Однако, если удастся получить их из человеческих клеток, то есть очень большая вероятность, что используя клетки нового типа учёные смогут создавать внутренние органы для трансплантации и кровь для переливания больным.

Каким образом зрелые клетки превращаются обратно в незрелые?

В докладе Института физико-химических исследований о результатах нового исследования сказано следующее: "Найден принцип перепрограммирования клеток путём стирания памяти о "клеточной дифференцировке" – стресс под воздействием внешних раздражителей с высокой долей вероятности приводит к индуцированию плюрипотентности". Попытаемся понять, что же имеется в виду.

У млекопитающих, и в том числе у людей, процесс клеточной дифференцировки начинается после дробления зиготы, и постепенно клетки становятся всё более специализированными, пока не превратятся в окончательно дифференцированные: такие, как мышечные клетки или клетки крови. Считается, что законченная дифференцировка необратима –  память о присущем ей фенотипе окончательно закрепляется в клетке, и поэтому возвращения её в состояние незрелости, то есть на уровень развития, близкий к состоянию зиготы, не происходит.

Известные на сегодняшний день способы перепрограммирования зрелых клеток в незрелые – "метод клонирования" (когда ядра, взятые из соматических клеток, пересаживаются в неоплодотворенную яйцеклетку, из которой предварительно удалено ядро) и "метод iPS" (модификация клетки с помощью генетического материала, кодирующего белковые репрограммирующие факторы, в результате чего происходит превращение соматической клетки в стволовую) –  требуют искусственного управления клеточным ядром В то время как новое исследование с использованием мышиных лимфоцитов, подвергнутых воздействию разных химических и физических раздражителей, фокусировалось на  влиянии  изменения внешней среды на запуск естественного процесса перепрограммирования клетки. В ходе исследования выяснилось, что помещение клеток в стрессовую ситуацию, а именно в агрессивную слабокислую среду – это весьма эффективная стратегия для запуска клеточного перепрограммирования".

Было обнаружено, что перепрограммированные таким образом клетки обладают способностью трансформироваться в самые разные виды клеток, в том числе в половые зародышевые клетки. Также оказалось, что в отличие от эмбриональных стволовых клеток и iPS-клеток новые плюрипотентные клетки могут трансформироваться и в клетки плацентарной, то есть внезародышевой ткани.

Результаты исследования показали, что кроме воздействия кислой среды, запуск процесса перепрограммирования может быть обусловлен физическими и химическими раздражителями, такими как многократная прогонка клеток в стеклянной трубке или прокол оболочки клеточной мембраны.  Более того, опытным путём было подтверждено, что феномен STAP происходит не только в лимфоцитах, но и в клетках мозга, в кожных клетках, в клетках лёгких, клетках мышечной ткани, в клетках миокарда и печени.

Дополнительные возможности применения: иммунология и омоложение

Комментируя результаты исследования, Обоката Харуко сказала, что "вызванное воздействием внешних раздражителей стирание памяти о "клеточной дифференцировке" и перепрограммирование соматической клетки выходят за границы того, что мы знали до сих пор о дифференцировке клеток и о развитии живых существ; очевидно, что речь идёт о неизвестном ранее принципе, контролирующем процесс приобретения клетками определённого фенотипа".

Кроме того, она добавила, что очень велика вероятность, что биотехнологии нового поколения позволят учёным свободно манипулировать памятью клетки о дифференцировке, а это, в свою очередь, сделает возможным применение новых методов не только в регенеративной медицине, но и в других областях, таких как иммунология и изучение феномена старения. "Исследуя возможность применения этого метода к человеческим клеткам, мы будем двигаться дальше к окончательному пониманию принципов и механизмов клеточного перепрограммирования.

Японское правительство поддерживает исследования в области регенеративной медицины, это одно из приоритетных направлений.  И учёные всего мира, соперничающие  друг с другом на этом поприще, вполне возможно, стоят сейчас на пороге великих открытий, ведущих  к небывалому развитию медицины, которое станет ценным вкладом в благополучие всего человечества.