Výzva
Yasuhide Furuta potrebuje pri disekcii myších embryí pevné ruky. Bledé, deväťdňové hrudky majú veľkosť dva milimetre. Plávajú v malej plastovej miske naplnenej ružovou tekutinou. Furuta sa prevrátil k mikroskopu na svojej kancelárskej stoličke s miskou v ruke.
Rovnako ako väčšina vedcov, aj Japonec je ležérne oblečený: genetický motív na jeho tričku a rifliach. Všetci ho volajú Yas. Yas - Dr. Furuta - pracuje na Vanderbiltovej univerzite v Nashville v Tennessee, meste známom country hudbou. Biológ z Ďalekého východu sa evidentne neprispôsobil miestnemu hudobnému vkusu. Na stole má klasické CD: Smetana.
Chcem vidieť vedcov, ako študujú tvorbu orgánov. Pitva embryí je pre tento cech súčasťou každodenného života. Yas hľadá signálnu molekulu, ktorá spustí vznik určitého orgánu. Za posledných päť rokov vedci našli niektoré z týchto signálnych molekúl. Teraz sa niekoľko amerických spoločností snaží tieto objavy premeniť na peniaze. Za týmto je úchvatná myšlienka: ak tieto proteíny môžu riadiť tvorbu orgánov v embryu - prečo nie u dospelých? Prečo by nemalo byť možné znovu vypestovať stratené alebo poškodené tkanivo - z kože do ruky - na celý život?
Opatrne vložte misku pod mikroskop. Je to jedno zo zariadení, do ktorého môžu naraz pozerať dvaja ľudia. Embryá sú ohnuté do tvaru písmena U. Vidím hlavu, trup a končatiny. „Zomreli by čoskoro, ešte v lone,“ hovorí Yas. Chýba im gén, ktorý produkuje vitálny rastový faktor BMP4 (kostný morfogénny proteín 4). Yas chce zistiť, či je BMP4 signálna molekula, ktorá riadi tvorbu očných šošoviek.
Embryá zoradil vedľa seba pomocou jemnej oceľovej ihly. Potom prvému odreže hlavu a tkanivo rozdelí na polovicu. Pri neuveriteľnej precíznej práci umiestňuje malú guľôčku nasiaknutú BMP4 do vyvíjajúceho sa oka jednej polovice. Potom oba kúsky položí na kultivačné médium, kde ďalej rastú. Iba polovica s BMP4 začne formovať jeden objektív o niekoľko dní neskôr, druhý nie. Nie, ani jedno oko nepozerá z Petriho misky. Ale pod mikroskopom môže byť šošovka videná ako sklenená guľôčka.
Šéf Yas, britská profesorka Brigid Hogan, je skúseným vývojovým biológom a odborníkom na signálne molekuly BMP. Nemyslí si, že ľudské šošovky sa tak skoro regenerujú: „Na to nie sú peniaze. S okuliarmi alebo kontaktnými šošovkami sa dá žiť celkom dobre. “Aby ste zbohatli, Yas si mal zvoliť inú signálnu molekulu, napríklad BMP2 alebo BMP7. Tieto dva môžu stimulovať tvorbu kostí, a to je lukratívna záležitosť.
Spoločnosť Creative Biomolecules of Hopkinton, Massachusetts, uvádza na trh BMP7, ktorý je z patentových dôvodov pomenovaný Osteogenic Protein-1 (OP-1). Rovnako ako väčšina signálnych molekúl, BMP7 nemá v embryu jedinú funkciu. Je tiež zodpovedný za tvorbu obličiek. A pri stavbe kostry zaručuje, že rebrá, prsty a lebka dostanú správny tvar.
Môže BMP7 pomôcť vypestovať nové obličky aj u dospelých? Profesor Mark Charett, riaditeľ pre výskum a vývoj v spoločnosti Creative Biomolecules, ma musí sklamať: „Bohužiaľ, nateraz neexistujú nijaké známky. Ale proteín zmierňuje ťažké ochorenia obličiek. “Spoločnosť sa zatiaľ nepokúša vypestovať nové rebrá ani prsty. BMP7 má zatiaľ pomáhať iba pri liečení zlomených kostí. Aplikuje sa na miesta zlomeniny spolu s kolagénom - látkou spojivového tkaniva podobnou lepidlu - a stimuluje k regenerácii kosti.
Klinické skúšky v USA už boli ukončené. Partnerská spoločnosť Creative Biomolecules, Stryker, čoskoro požiada o schválenie. Ale tieto spoločnosti nie sú jediné, ktoré chcú používať vývojové molekuly na rast kostí. Genetický inštitút v Cambridge v Massachusetts uvádza na trh BMP2 na rovnaký účel. A tretia spoločnosť, Ontogeny, tiež v Cambridge, ktorá sa spolieha na proteíny rodiny ježkov („Ježci vytvárajú dieťa“ na strane 73). Nikde inde na svete nie sú spoločnosti s bio- a medicínskou technológiou tak husto koncentrované ako tu v Cambridge a v susednom Bostone.
Tam navštevujem profesora Cliffa Tabina na Harvardskej lekárskej fakulte. Tabin je jedným z mnohých výskumníkov ježkov vo vedeckej rade spoločnosti Ontogeny. Každý, kto tu na Longwood Avenue pracuje v oblasti vývojovej biológie, má klinické použitie priamo pred očami: nemocnice všade naokolo, lekári a zdravotné sestry na ulici, ktorí si ani na obed nezložia šaty.
„Verím, že signálne molekuly z embryonálneho vývoja je možné klinicky využiť,“ hovorí Dr. Andrea Vortkamp. Nemec pracuje v laboratóriu Cliffa Tabina a je špecialistom na „indického ježka“. "Po narodení sme skúmali myšacie embryá a našli sme proteín ježka indického v rastových zónach kostí." Je pravdepodobné, že bude aktívne neskôr, pokiaľ rastú končatiny. Možno by sa to dalo použiť na ovplyvnenie rastu kostí. “Spolu s Boehringerom Mannheimom v Nemecku sa Ontogeny snaží priviesť na kliniku indického ježka ako liek na zlomeniny kostí, ktoré sa ťažko liečia. Začiatok klinických skúšok je naplánovaný na nasledujúcich päť rokov.
Na druhej strane rieky Charles v Cambridgi sú ďalší výskumníci Ježkov, a to nie v nemocničnom prostredí, ale v ctihodnom kampuse Harvardovej univerzity. Ontogeny tiež predáva svoje výsledky. Jedným z nich je Andy McMahon, ktorý vôbec nevyzerá ako harvardský profesor. Brit s rozcuchanými vlasmi najradšej nosí tréningové vybavenie a vo svojej kancelárii má na stene zavesený závodný bicykel.
„Zistili sme, že myšie samce, ktorým chýba proteín púštneho ježka, sú sterilné,“ vysvetľuje. „Desert Hedgehog je zodpovedný za tvorbu spermií v embryu, pravdepodobne aj u dospelého človeka.“ Ontogeny chce preto vyvinúť signálnu molekulu ako terapeutikum proti neplodnosti.
Tretí proteín ježka, „Sonic Hedgehog“, ktorý je najdôležitejší pre embryonálny vývoj, má regenerovať nervové bunky u Parkinsonových pacientov, ktoré produkujú chýbajúcu posolskú látku dopamín. V embryu stimuluje Sonic Hedgehog tvorbu zodpovedajúcich častí v mozgu. Doros Platika, výkonný riaditeľ spoločnosti Ontogeny, vysvetľuje: „U novorodených myší, ktoré nemajú nervové bunky produkujúce dopamín, ich môže nechať rásť Sonic Hedgehog.“ Nechajte pacientov s mozgovou príhodou rásť nové nervové spojenia.
Sonický ježko a jeho opravená molekula receptora sa tiež podieľajú na tvorbe kože v embryu. Ich interakcia je dôležitá aj u dospelých - ak stratia rovnováhu, vznikne rakovina kože. Na druhej strane sa Ontogeny snaží nájsť prostriedok so signálnymi molekulami. A sú tu aj ďalšie ciele: S pomocou spoločností Sonic Hedgehog a Patched sa výskumníci spoločnosti Ontogeny snažia vypestovať pokožku, napríklad pri popáleninách. Nekontrolovaný rast však zase vedie k rakovine.
Ostatné spoločnosti sa preto spoliehajú na takzvané procesy tkanivového inžinierstva. Nechali bunky dorásť do vhodných tvarov pomocou výživných roztokov a polymérnych lešení. Spoločnosť Advanced Tissue Sciences v La Jolla v Kalifornii sa snaží vyrobiť umelú dermu, spodnú z dvoch vrstiev, ktoré tvoria pokožku. Hovorí sa napríklad, že pomáha liečiť vredy diabetickej nohy.
Organogenéza v Cambridge je už ďalej. Spoločnosť má súhlas s predajom umelej kože zloženej z oboch vrstiev - epidermis a dermis. Sused Genzyme Tissue Repair opravuje chrupavky v kolene. Jeho vedci odoberajú pacientovi bunky chrupavky, množia ich v bunkovej kultúre a injikujú ich späť. Lekári ako John Vacanti z Bostonskej detskej nemocnice experimentujú s rastom buniek chrupavky na polymérnych lešeniach do tvaru ucha.
„Verí sa, že časti tela, ktoré sa neustále regenerujú - pokožka, krv, kosti alebo svaly - majú takéto kmeňové bunky,“ vysvetľuje Melton. „Doteraz však boli identifikované iba kmeňové bunky krvi,“ hovorí. Existujú však náznaky, že kmeňové bunky sa nachádzajú aj v mnohých ďalších orgánoch - alebo bunkách, ktoré si po celý život zachovávajú stav podobný kmeňovým bunkám. Príkladom toho je pečeň.
Ak sa časť pečene stratí v dôsledku úrazu alebo operácie na rakovinu - môže to byť až deväťdesiat percent - ostatné pečeňové bunky nahradia stratu, kým orgán nemá rovnakú veľkosť ako predtým. Potom prestanú sami rásť. Kto alebo čo povie pečeňovým bunkám, keď to stačí, je pre vedcov stále záhadou. Môže to mať niečo spoločné s spojivovým tkanivom, ktoré štruktúruje pečeň do jednotlivých lalokov, spolu so signálmi z obehového a nervového systému, rastovými faktormi a hormónmi. Podľa profesora Jürgena Niessinga z univerzity v Marburgu sa už pokusom na zvieratách podarilo transplantovať jednotlivé pečeňové bunky do tejto štruktúry spojivového tkaniva, ktoré potom prerástli späť do kompletnej pečene.
Harvardský profesor Melton sa v súčasnosti snaží nájsť kmeňové bunky v pankrease. Čo sa stane, ak sa to podarí? V blízkosti laboratória, kde Yas rastie oči na svojich myšiach, nájdem biológa, ktorý študuje tvorbu pankreasu: Brita Chrisa Wrighta. Očividne s tým má toľko práce, že sa na chvíľu utáborí v kancelárii, ako prezrádza zrolovaný matrac.
"Keby ste mali kmeňové bunky, mohli by ste na nich vyskúšať signalizačné molekuly z embryonálneho vývoja," vysvetľuje. Dalo by sa zistiť, na ktoré typy buniek sa diferencujú, a tak napríklad získať bunky pankreasu na produkciu inzulínu. Či však jedného dňa budú môcť trojrozmerné časti orgánov tiež rásť v laboratóriu - pri správnom tvare a pri zásobovaní krvnými cievami - dnes nikto nevie. Vývoj orgánov v embryu nebol na to zatiaľ dostatočne dobre preskúmaný. "Začíname chápať, čo jednotlivé signálne molekuly robia." Ale zatiaľ nerozumieme ich interakcii. ““
Wright je však optimistický. „Za posledných 15 rokov došlo k revolúcii vo vývojovej biológii. Vtedy ešte nikto netušil o génoch a molekulách, ktoré spúšťajú takéto procesy. Možno, že k podobnej revolúcii vo vedomostiach dôjde v nasledujúcich 15 rokoch a bude možná regenerácia orgánov. ““
K tomu už existujú prístupy, opäť s pečeňou. Ich prirodzená schopnosť regenerácie doteraz zlyhala v orgánoch, ktoré sú otravované stále dokola, napríklad pri chronickom zneužívaní alkoholu. V takýchto cirhotických pečeniach je tiež spojivové tkanivo vytvrdené a zmenšené. Samotná transplantácia pečeňových buniek nemá v takomto prostredí žiadny vplyv a odumierajú. Ale ak k nim pridáte správne signálne molekuly, potom môžete - aspoň pri pokusoch na zvieratách - nechať bunky vyrásť v akúsi druhú pečeň.
Iní vedci idú úplne inými spôsobmi. Nehľadajú signálne molekuly v myších embryách alebo kmeňové bunky v ľudských tkanivách. "Aby sme pochopili regeneráciu, mali by sme skúmať zvieratá, ktoré sa môžu regenerovať: napríklad Mloky," hovorí Jeremy Brockes, profesor na University College London. Neverí, že bude v blízkej dobe možné zregenerovať ľudské ruky alebo nohy. „Aby to bolo možné, musia bunky vytvárať zložitý tvar z rôznych typov buniek - svalov, kostí, žíl, nervov. Je otázne, či to niekedy bude fungovať. ““
Brockes hľadá molekuly, ktoré riadia regeneráciu buniek srdcového svalu u mlokov. „Ak sa ukáže, že schopnosť deliť sa bunky obojživelníkov je založená na jedinej molekulárnej signálnej ceste, ktorá je blokovaná u vyšších živých bytostí, potom by sa bolo možné pokúsiť túto signálnu cestu u ľudí znovu aktivovať, a tak možno regenerovať chorý srdcový sval.“
Yas medzitým nie je veľmi úspešný s očnými šošovkami svojich myší. Jeho experimenty ukázali, že hoci sa BMP4 podieľa na tvorbe šošoviek, pravdepodobne to nie je rozhodujúca molekula. Hľadanie pokračuje.
Chvostový vosk
„Pokiaľ ide o opätovný rast stratených častí tela, zvieratá sú v porovnaní s rastlinami falošné,“ hovorí profesor Dieter Hess, riaditeľ Ústavu pre fyziológiu rastlín na univerzite v Hohenheime. Rastliny majú deliteľné tkanivo takmer všade. Ak búrka zlomí hrot smreka, vyrastie bočný výhonok z pazušného púčika konára dole a vytvorí nový hrot. Funguje to aj opačne: jednotlivé časti tvoria nanovo zvyšok tela. Záhradkári pestujú celé okrasné rastliny z kúskov stopiek alebo listov a nových kvetov z jednotlivých buniek orchideí.
Medzi zvieratami sú aj mladí špecialisti: ak oddelíte kúsok od dážďoviek alebo od niektorých hviezdic, obidve časti tvoria chýbajúci zvyšok - z jedného červa sa stanú dvaja. U vyšších zvierat regenerácia funguje iba jedným smerom. Šváb znova vypestuje stratenú nohu a jašterica môže zhodiť chvost a v nebezpečenstve sa formovať. Noha a chvost sa však už navzájom nedokončujú, aby vytvorili nového švába alebo jaštericu.
„Salamandry, mloky a axolotly sú šampiónmi regenerácie medzi vyššími zvieratami,“ hovorí Jeremy Brockes, profesor na University College London. Mloky môžu napríklad regenerovať chvost, nohy, šošovku, sietnicu, čeľusť a dokonca aj časti srdca. Bunky „vedia“, kde na tele sú a čo by sa z nich malo stať. Noha amputovaná po členok iba regeneruje chodidlo, nie koleno.
Prečo však cicavce stratili túto zázračnú schopnosť? David Stocum, profesor v americkom Indianapolise, hľadá odpoveď už 30 rokov. „Môže to byť samotná veľkosť ruky alebo nohy a rozmanitosť tkanív v nich, ktoré príliš sťažujú prirodzenú regeneráciu.“ Vývojoví biológovia už nechcú akceptovať túto slabosť v prírode.