Provocarea
Yasuhide Furuta are nevoie de mâini stabile atunci când disecă embrioni de șoarece. Bucățile palide, în vârstă de nouă zile, au o dimensiune de doi milimetri. Ei înoată într-un vas mic de plastic umplut cu un lichid roz. Furuta se rostogolește la microscopul scaunului de birou, cu castronul în mână.
La fel ca majoritatea oamenilor de știință, japonezii sunt îmbrăcați casual: un motiv genetic pe tricou și blugi. Toată lumea îl numește Yas. Yas - Dr. Furuta - lucrează la Universitatea Vanderbilt din Nashville, Tennessee, un oraș renumit pentru muzica country. În mod evident, biologul din Orientul Îndepărtat nu s-a adaptat la gusturile muzicale locale. Un CD clasic este pe biroul său: Smetana.
Vreau să văd oamenii de știință care studiază formarea de organe. Disecția embrionilor face parte din viața de zi cu zi a acestei bresle. Yas caută o moleculă de semnalizare care să declanșeze formarea unui anumit organ. În ultimii cinci ani, oamenii de știință au găsit unele dintre aceste molecule de semnalizare. Acum, câteva companii americane încearcă să transforme descoperirile în numerar. În spatele acesteia se află o idee uluitoare: dacă aceste proteine pot controla formarea organelor din embrion - de ce nu la adult? De ce nu ar trebui să fie posibilă regenerarea țesutului pierdut sau deteriorat - de la piele la mână - pe viață?
Așezați cu atenție vasul la microscop. Este unul dintre dispozitivele la care pot privi două persoane în același timp. Embrionii sunt îndoiți în formă de U. Văd capul, trunchiul și membrele. „Ar fi murit curând, încă în pântece”, spune Yas. Le lipsește gena care produce factorul vital de creștere BMP4 (proteina morfogenică osoasă 4). Yas vrea să afle dacă BMP4 este molecula de semnalizare care controlează formarea cristalinului.
El a aliniat embrionii unul lângă celălalt cu ajutorul unui ac de oțel fin. Apoi taie capul primului și înjumătățește țesutul. Într-o lucrare de precizie incredibilă, el plasează o minusculă minge îmbibată cu BMP4 în ochiul de dezvoltare al unei jumătăți. Apoi, așează ambele piese pe un mediu de cultură, unde continuă să crească. Doar jumătate cu BMP4 va începe să formeze un obiectiv câteva zile mai târziu, celălalt nu. Nu, niciun ochi nu se uită afară din vasul Petri. Dar la microscop, obiectivul poate fi văzut ca o mărgea de sticlă.
Șeful lui Yas, profesorul britanic Brigid Hogan, este un biolog cu experiență în dezvoltare și expert în molecule de semnalizare BMP. Ea nu crede că lentilele umane vor fi regenerate în curând: „Nu există bani pentru asta. La urma urmei, poți trăi destul de bine cu ochelarii sau lentilele de contact. ”Pentru a te îmbogăți, Yas ar fi trebuit să aleagă o altă moleculă de semnalizare, de exemplu BMP2 sau BMP7. Acestea două pot stimula formarea oaselor și asta este o afacere profitabilă.
Biomoleculele creative din Hopkinton, Massachusetts, comercializează BMP7, pe care o numește proteină osteogenică-1 (OP-1) din motive de brevet. La fel ca majoritatea moleculelor de semnalizare, BMP7 nu are o singură funcție în embrion. De asemenea, este responsabil pentru formarea rinichilor. Iar la construirea scheletului, se asigură că coastele, degetele și craniul capătă forma potrivită.
BMP7 ar putea ajuta la creșterea rinichilor noi și la adulți? Prof. Mark Charett, director de cercetare și dezvoltare la Biomolecule creative, trebuie să mă dezamăgească: „Din păcate, nu există semne ale acestui lucru până acum. Dar proteina ameliorează bolile renale severe. ”Compania nu încearcă încă să crească noi coaste sau degete. Până în prezent, BMP7 ar trebui doar să ajute la vindecarea oaselor rupte. Se aplică pe locurile fracturii împreună cu colagenul - o substanță de țesut conjunctiv asemănător lipiciului - și stimulează osul să se regenereze.
Studiile clinice din SUA au fost deja finalizate. Compania parteneră Creative Biomolecules, Stryker, va solicita aprobarea în curând. Dar aceste companii nu sunt singurele care vor să utilizeze molecule de dezvoltare pentru a crește oasele. Institutul de genetică din Cambridge, Massachusetts, comercializează BMP2 în același scop. Și o a treia companie, Ontogeny, de asemenea, din Cambridge, folosește proteinele familiei Hedgehog („The Hedgehogs Build a Baby” la pagina 73). Nicăieri altundeva în lume nu sunt companiile de tehnologie biologică și medicală adunate atât de dens ca aici în Cambridge și în vecinătatea Boston.
Acolo o vizitez pe prof. Cliff Tabin la Harvard Medical School. Tabin este unul dintre mulți cercetători de arici din comitetul științific al Ontogeny. Oricine lucrează în biologia dezvoltării aici, pe Longwood Avenue, are aplicația clinică chiar în fața ochilor: spitale din jur, medici și asistente medicale de pe stradă, care nici măcar nu își scot rochiile la prânz.
„Eu cred că moleculele de semnalizare din dezvoltarea embrionară pot fi utilizate clinic”, spune Dr. Andrea Vortkamp. Neamțul lucrează în laboratorul lui Cliff Tabin și este specialist în „Indian Hedgehog”. „Am examinat embrionii de șoarece după naștere și am găsit proteina arici indian în zonele de creștere a oaselor. Este probabil să fie activ mai târziu, atâta timp cât membrele cresc. Poate că ar putea fi folosit pentru a influența creșterea osoasă. ”Împreună cu Boehringer Mannheim din Germania, Ontogeny încearcă să aducă ariciul indian la clinică ca remediu pentru fracturile greu de vindecat. Studiile clinice sunt programate să înceapă în următorii cinci ani.
De cealaltă parte a râului Charles, în Cambridge, există alți cercetători Hedgehog, nu într-un cadru spitalicesc, ci în venerabilul campus al Universității Harvard. Ontogenia își comercializează și rezultatele. Unul dintre ei este Andy McMahon, care nu arată deloc ca un profesor la Harvard. Britanicul cu părul dezordonat preferă să poarte echipament de antrenament și are o bicicletă de curse atârnată pe perete în biroul său.
„Am constatat că șoarecii masculi cărora le lipsește proteina de arici din deșert sunt sterili”, explică el. „Desert Hedgehog este responsabil pentru formarea spermei în embrion, posibil și la bărbatul adult.” Prin urmare, Ontogenia dorește să dezvolte molecula de semnalizare ca terapeutică împotriva infertilității.
Cea de-a treia proteină arici, „Sonic Hedgehog”, care este cea mai importantă pentru dezvoltarea embrionară, este destinată regenerării celulelor nervoase la pacienții cu Parkinson care produc substanța lipsite de mesaje dopamină. În embrion, Sonic Hedgehog stimulează formarea părților corespunzătoare din creier. Doros Platika, directorul general al Ontogeniei, explică: „Sonic Hedgehog le poate lăsa să crească la șoareci nou-născuți care nu au celule nervoase producătoare de dopamină”. Permiteți pacienților cu AVC să dezvolte noi conexiuni nervoase.
Sonic Hedgehog și molecula sa de receptor patch-uri sunt, de asemenea, implicate în formarea pielii din embrion. Interacțiunea lor este importantă chiar și la adulți - dacă își pierd echilibrul, se dezvoltă cancer de piele. Pe de altă parte, Ontogenia încearcă să găsească un mijloc cu moleculele de semnalizare. Și există și alte obiective: cu ajutorul Sonic Hedgehog and Patched, cercetătorii Ontogeny încearcă să crească pielea, de exemplu în caz de arsuri. Cu toate acestea, creșterea necontrolată la rândul său duce la cancer.
Prin urmare, alte companii se bazează pe așa-numitele procese de inginerie a țesuturilor. Acestea lasă celulele să crească în forme adecvate cu ajutorul soluțiilor nutritive și a schelelor polimerice. Advanced Tissue Sciences din La Jolla, California încearcă să producă dermă artificială, cea mai joasă dintre cele două straturi care alcătuiesc pielea. Se spune că ajută, de exemplu, la vindecarea ulcerelor piciorului la diabetici.
Organogeneza la Cambridge este deja mai departe. Compania a fost autorizată să comercializeze pielea artificială formată din ambele straturi - epidermă și dermă. Vecinul Genzyme Tissue Repair repară cartilajul la genunchi. Cercetătorii săi iau celule de cartilaj de la pacient, le înmulțesc în cultură celulară și le injectează înapoi. Medici precum John Vacanti de la Spitalul de Copii din Boston experimentează creșterea celulelor cartilajului pe schele polimerice în formă de ureche.
"Se crede că părțile corpului care se regenerează constant - piele, sânge, oase sau mușchi - au astfel de celule stem", explică Melton. "Cu toate acestea, doar celulele stem ale sângelui au fost identificate până acum", spune el. Cu toate acestea, există indicații că celulele stem se găsesc și în multe alte organe - sau celule care își păstrează statutul de celule stem pe tot parcursul vieții. Un exemplu în acest sens este ficatul.
Dacă o parte a ficatului se pierde ca urmare a unui accident sau a unei operații de cancer - aceasta poate fi de până la nouăzeci la sută - celelalte celule hepatice înlocuiesc pierderea până când organul are aceeași dimensiune ca înainte. Apoi încetează să crească singuri. Cine sau ce spune celulelor hepatice când este suficient este încă un mister pentru cercetători. Poate avea ceva de-a face cu țesutul conjunctiv care structurează ficatul în lobi individuali, împreună cu semnale din sistemul circulator și nervos, cu factori de creștere și hormoni. Potrivit prof. Jürgen Niessing de la Universitatea din Marburg, experimentele pe animale au reușit deja să transplanteze celule hepatice individuale în această structură a țesutului conjunctiv, care apoi a crescut înapoi într-un ficat complet.
Profesorul Melton de la Harvard încearcă în prezent să găsească celule stem în pancreas. Ce se întâmplă dacă acest lucru reușește? În vecinătatea laboratorului în care Yas crește ochii la șoareci, găsesc un biolog care studiază formarea pancreasului: britanicul Chris Wright. Evident, are atât de multă treabă cu el încât stă la birou pentru o vreme, așa cum arată o saltea înfășurată.
"Dacă ați avea celulele stem, ați putea încerca moleculele de semnalizare din dezvoltarea embrionară pe ele", explică el. S-ar putea vedea în ce tipuri de celule se diferențiază și astfel, de exemplu, se obțin celule pancreatice pentru producerea de insulină. Dar dacă într-o zi părți tridimensionale ale organelor vor putea crește și în laborator - cu forma potrivită, cu furnizarea vaselor de sânge - nimeni nu știe astăzi. Dezvoltarea organelor din embrion nu a fost încă suficient de cercetată pentru aceasta. „Abia începem să înțelegem ce fac moleculele de semnalizare individuale. Dar nu le înțelegem încă interacțiunea ”.
Dar Wright este optimist. „În ultimii 15 ani a existat o revoluție în biologia dezvoltării. Pe atunci, nimeni nu avea idee despre genele și moleculele care declanșează astfel de procese. Poate că o revoluție similară în cunoaștere va avea loc în următorii 15 ani și regenerarea organelor va fi posibilă. "
Există deja abordări în acest sens, din nou cu ficatul. Capacitatea lor naturală de regenerare a eșuat până acum în organele care au fost otrăvite din când în când, de exemplu prin abuzul cronic de alcool. La astfel de ficati cirotici, țesutul conjunctiv este, de asemenea, întărit și micșorat. Un transplant de celule hepatice singur nu are niciun efect într-un astfel de mediu și mor. Dar dacă le adăugați moleculele de semnalizare potrivite, atunci puteți - cel puțin în experimente pe animale - lăsați celulele să crească într-un fel de al doilea ficat.
Alți oameni de știință merg pe căi complet diferite. Ei nu caută molecule de semnalizare în embrioni de șoarece sau celule stem din țesuturile umane. „Pentru a înțelege regenerarea, ar trebui să cercetăm animalele care se pot regenera: tritonii, de exemplu”, spune Jeremy Brockes, profesor la University College London. El nu crede că în curând va fi posibilă regenerarea brațelor sau picioarelor umane. „Pentru a face acest lucru, celulele trebuie să formeze o formă complexă din diferite tipuri de celule - mușchi, oase, vene, nervi. Este îndoielnic dacă asta va funcționa vreodată ".
Brockes caută moleculele care controlează regenerarea celulelor musculare cardiace la tritoni. "Dacă se dovedește că capacitatea celulelor amfibiene de a se divide se bazează pe o singură cale de semnalizare moleculară care este blocată la ființele vii superioare, atunci s-ar putea încerca să reactivăm această cale de semnalizare la oameni și astfel să regenerăm poate un mușchi cardiac bolnav".
Între timp, Yas nu are prea mult succes cu lentilele oculare ale șoarecilor săi. Experimentele sale au arătat că, deși BMP4 este implicat în formarea lentilelor, probabil că nu este molecula crucială. Căutarea continuă.
Ceară de coadă
„Când vine vorba de regresarea părților pierdute ale corpului, animalele sunt bunglers în comparație cu plantele”, spune prof. Dieter Hess, directorul Institutului de fiziologie a plantelor de la Universitatea din Hohenheim. Plantele au țesut divizibil aproape peste tot. Dacă o furtună sparge vârful unui molid, o mugură laterală crește din mugurul axilar al ramurii de mai jos pentru a forma un nou vârf. Funcționează și invers: părți individuale formează din nou restul corpului. De exemplu, grădinarii cultivă plante ornamentale întregi din bucăți de tulpini sau frunze și flori noi din celule de orhidee individuale.
Există, de asemenea, tineri specialiști printre animale: dacă separați o bucată de viermi sau de unele stele de mare, ambele părți creează restul lipsă - un vierme devine doi. La animalele superioare regenerarea funcționează doar într-o singură direcție. Un gândac reapădește un picior pierdut, iar o șopârlă își poate vărsa coada și se poate re-forma dacă este în pericol. Cu toate acestea, piciorul și coada nu se mai completează reciproc pentru a forma un gândac sau o șopârlă nouă.
„Salamandrele, tritonii și axolotelii sunt campionii regenerării printre animalele superioare”, spune Jeremy Brockes, profesor la University College London. De exemplu, tritonii pot regenera coada, picioarele, lentilele, retina, maxilarul și chiar părți ale inimii. Celulele „știu” unde sunt corpul și ce ar trebui să devină. Un picior amputat la gleznă regenerează doar piciorul, nu genunchiul.
Dar de ce mamiferele au pierdut această capacitate miraculoasă? David Stocum, profesor în Indianapolis, SUA, caută un răspuns de 30 de ani. „Poate fi dimensiunea simplă a unui braț sau picior și varietatea de țesuturi din acesta care face regenerarea naturală prea dificilă.” Biologii de dezvoltare nu mai vor să accepte această slăbiciune în natură.