9-ый конгресс Международного общества исследователей стволовых клеток, проходивший 15-18 июля сего года в г. Торонто (Канада), собрал более трех тысяч специалистов и в полной мере отобразил уровень развития этого направления во всем мире. Похоже, Россия на фоне других стран выглядела бы не лучшим образом, если бы не доклад ученого из Обнинска, профессора А.Г.Коноплянникова – единственного чисто российского участника конгресса, в то время как два других его соотечественника представляли совместные с американцами доклады. Так что благодаря вот таким отдельным ученым-энтузиастам как Анатолий Георгиевич наше Отечество все еще поддерживает достойный уровень научных исследований в области стволовых клеток – одного из самых перспективных на сегодня направлений биомедицины.
Если уж говорить о месте России в мировом сообществе специалистов в области стволовых клеток, то оно весьма скромное: в списке из двух тысяч наиболее значимых специалистов россиян чуть больше двадцати, то есть 1% ! Список это три года назад был опубликован в США и основывался на индексе цитирования научных работ. Между прочим, из 20 россиян, вошедших в «топ», 5 человек, то есть, ровно четверть – это Анатолий Коноплянников и его сотрудники и ученики.
И хотя верхнюю двадцатку «топа» занимают, в основном, американцы, истоками этого направления с полным основанием можно считать Россию. Идею о стволовых клетках впервые высказал знаменитый русский ученый Александр Максимов еще в начале прошлого века. Его идея была революционна для тех времен: оказывается, в организме есть клетки, которые при делении образуют две неравнозначные клетки. Одна из них воспроизводит исходную, а вторая обладает способностью дифференцироваться, то есть, изменяться таким образом, чтобы генерировать следующее поколение клеток уже с определенной «специализацией». Таким образом, стволовые клетки, сохраняя полностью свой пул, могут давать начало любым клеткам организма — и кожным, и нервным, и клеткам крови и т.п. Александр Максимов заметил эту особенность на элементах крови. Они запрограммированы на быстрое обновление. Например, даже самые долгоживущие эритроциты человека полностью замещаются новыми через 3,5 месяца. Где этот источник обновления? Те самые стволовые клетки, которые после нескольких делений окончательно дифференцируются в клетки красной крови, аналогично – с другими элементами крови. Эта модель кроветворения, изложенная Александром Максимовым в далеком 1908 году, послужила отправной точкой, с которой начал свои исследования в 50-е годы прошлого столетия еще один известный российский ученый – А.Я. Фриденштейн, возглавлявший лабораторию иммуноморфологии Института эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи, кстати, отец известного сегодня политолога Леонида Радзиховского.
Методика, которой пользовался Александр Фриденштейн, идейно повторяла ту, что разработал Александр Максимов. Суть эксперимента А.А. Максимова состояла в том, что у животного перевязывали мочевыводящие протоки одной из почек, не перекрывая при этом кровоснабжение. Почка, как и положено, воспалялась. Но, удивительное дело, в очагах поражения вдруг обнаруживался процесс кроветворения. За него «отвечают» стволовые кроветворные клетки. Но откуда они там? Ведь считалось, что кроветворные стволовые клетки находятся только в костном мозге. Оказалось, что вместе с кровотоком стволовые клетки в небольшом количестве циркулируют по всему организму и попадают туда, где возникает необходимость в них, в данном случае – в очагах воспаления в почке, где они организовались как костный мозг и запустили процесс кроветворения. В работах А.Я Фриденштейна было показано, что после трансплантации под капсулу почки «столбика» костного мозга, полученного из трубчатой кости лабораторного животного, сначала развивается маленькая косточка, в которой в последующем начинается кроветворение.
В ходе исследований А.Я.Фриденштейн обнаружил, что клетки костного мозга кроме кроветворных стволовых клеток содержат еще один сорт клеток. Если многие культивируемые в специальной посуде с питательной средой клетки после посева размножаются в жидкой фазе культуры, то эти – прикрепляются к поверхности, и только распластавшись на стекле или пластике, начинают размножаться. Открытие, как это часто случается в науке, произошло случайно: сотрудник забыл выбросить посеянную культуру, через две недели обнаружил в ней необъяснимые выросшие клеточные колонии и, к счастью, все же решил сначала показать руководителю-профессору результат своей забывчивости. Так был открыт в России тот вид стволовых клеток, который способен формировать ткани кости, хряща, жира и еще многие другие ткани и который сейчас наиболее активно используется в лечении стволовыми клетками. Позже они были названы мезенхимальными стволовыми клетками. «Если бы он сейчас был жив, то, несомненно, получил бы Нобелевскую премию», — говорит Анатолий Коноплянников об Александре Фриденштейне, с которым его связывали долгие годы совместной работы по изучению мезенхимальных стволовых клеток. Но тогда мир не обратил внимания на это открытие, о нем вспомнили гораздо позже.
А в те времена исследования были сосредоточены на кроветворных стволовых клетках. Уже были понятны общая картина процесса кроветворения и роль в нем стволовых клеток. Но кроме той модели, которую использовал А.Я.Фриденштейн в своих исследованиях, не было никакого другого способа наблюдать стволовые клетки в условиях целостного организма. Например, даже в быстро обновляющейся кроветворной ткани на одну стволовую клетку приходится примерно 10 тысяч обычных. Как ее увидеть, если у нее нет каких-то внешних отличительных признаков? Помогла …. радиация.
Создание ядерного оружия, применение атомной бомбы открыло новую страницу в истории цивилизации, дало импульс развитию новых направлений науки и техники, в том числе, в медицине. Появилось такое невиданное доселе понятие как лучевая болезнь, начались поиски как методов ее лечения, так и защиты от радиации, вызывающей ее. Ученые задались вопросом: почему при лучевой болезни в первую очередь страдает кровь? Оказалось, из-за того, что облучение убивает стволовые кроветворные клетки. Нет кроветворения – нет и обновления крови в организме и он погибает из-за инфекции (мало лейкоцитов, макрофагов, лимфоцитов) или от внутренних кровотечений (не производятся тромбоциты). Эксперименты подтвердили, что при внутривенном введении облученным лабораторным мышам разных линий клеток костного мозга, взятых от другой мыши, кроветворение восстанавливается. Более того, этот процесс уже можно было видеть невооруженным глазом: через 8-10 дней на селезенке у этого животного образовывались маленькие узелки. Они – не что иное, как стремительно размножившиеся примерно до нескольких миллионов потомки одной многократно делившейся стволовой клетки (т.е., клеточный клон, среди элементов которого есть как стволовые, так и дифференцирующиеся клетки кроветворной системы), которые взяли на себя функцию кроветворения взамен убитых облучением собственных стволовых клеток. Посчитав, сколько клонов образовалось в селезенке облученного животного и, варьируя условия развития стволовых клеток, можно изучать многие характеристики кроветворных стволовых клеток. Так появилась первая экспериментальная модель, на которой уже можно было изучать не только сами стволовые клетки, но и продукты их размножения. Разработчиками модели являются канадские ученые Тилл и МакКалок, вклад которых в науку отмечен мемориальной доской, установленной в Институте рака в Онтарио, где они работали. Члены Международного общества исследователей стволовых клеток почтили память канадских ученых во время проведения 9-го конгресса Общества на одном специально посвященном мемориальном заседании. Среди них, конечно, и Анатолий Коноплянников, потому что экспериментальная методика, разработанная канадскими учеными, сыграла большую роль в его научной судьбе. И даже одна из его первых научных публикаций после окончания аспирантуры, выполненная в 1968 году в Институте медицинской радиологии (так тогда назывался Медицинский радиологический научный центр) основывалась на этой методике.
Методика подразумевала использование ионизирующей радиации, убивающей стволовые клетки в организме хозяина и замещение их трансплантированными, или в другом варианте опытов — только инактивацию меньшей дозой радиации части собственных стволовых клеток, что создавало плацдарм для размножения оставшихся неповрежденными стволовых клеток. Поэтому во всем мире работы по изучению стволовых клеток сосредоточились в институтах, имеющих дело с радиацией. Если говорить о России, то где, как не в Институте медицинской радиологии было закладывать основы этого направления? Тогда ИМР только организовывался. И бывший молодой врач Анатолий Коноплянников был направлен в аспирантуру на кафедру биофизики МГУ. Здесь он, по его собственному признанию, и познакомился с радиацией. Командировка в Дубну, работа на импульсном быстром реакторе (ИБР), на синхроциклотроне, на ускорителе тяжелых частиц – все это дало неоценимый практический опыт по облучению биоматериалов. Вернувшись в Обнинск, он вскоре продолжил работу по стволовым клеткам под руководством ныне широко известного ученого-гематолога, профессора Григория Давидовича Байсоголова.
Мы беседуем с Анатолием Георгиевичем в том самом кабинете, где в течение многих лет работал Григорий Давидович – руководил гематологическим отделением МРНЦ. Возвращаясь мысленно к тем годам, Анатолий Георгиевич вспоминает первые шаги института в исследовании стволовых клеток. Уже тогда стало понятно, что кроветворные стволовые клетки можно не пересаживать от другого животного, а выращивать из оставшихся после облучения. Значит, доза радиации должна быть не смертельной. Зависимости числа выживших кроветворных стволовых клеток от дозы облучения давали бесценную информацию.
За рубежом к тому времени ученые начали активно использовать в своих работах другие ткани, в частности, слизистой кишечника, где так же, как и в кроветворной системе, происходит быстрое обновление клеток. В среднем за 70 лет стволовые клетки кишечника человек весом в 70 кг производят примерно 7 тонн «продукции» – обновленной ткани! А если учесть все остальные ткани человеческого организма, то получается фантастическая цифра в 13 тонн. Подход к изучению стволовых клеток кишечника был тот же, что и в отношении кроветворной системы: животного облучали большой, но не приводящей к смерти в течение первых 4-х суток после облучения дозой радиации и «оставшиеся в живых» стволовые клетки начинали интенсивно размножаться. А.Г.Коноплянников с сотрудниками в совершенстве отработали методику приготовления гистологических препаратов, в которых можно было количественно учитывать размножение стволовых клеток эпителия тонкого и толстого кишечника у лабораторных мышей и крыс. Большой вклад в эту работу внесла жена Анатолия Георгиевича, окончившая в свое время кафедру цитологии и гистологии МГУ. Так впервые в России именно в Институте медицинской радиологии была воспроизведена зарубежная методика выявления стволовых клеток кишечника, а в дальнейшем получено много ценной научной информации, касающейся характеристик этого типа стволовых клеток, например, роли гена p53. Этот ген — «страж генома». Он запускает процессы запрограммированной гибели клеток после невосстановимого повреждения генетического аппарата клетки в клетках стволового типа.
После знакомства с работами А.Я.Фриденштейна, а также с ним лично, Анатолий Георгиевич под руководством Г.Д.Байсоголова вплотную занимается мезенхимальными стволовыми клетками. Впервые удалось вырастить человеческие мезенхимальные стволовые клетки – из небольших по объему (0,5-1 мл) пунктатов костного мозга. Тогда, в 70-е годы, их выращивали с чисто научной целью, понимая, что они – бесценный материал для диагностики. Но пришло время и их практического применения в лечении больных. Об этом – наша следующая публикация.