Suntem obișnuiți să ne gândim la noi înșine ca la un produs finit. Este posibil ca finisajul să nu fie exact ceea ce ne-am dori, dar nu este posibil să ne ocolim. De la un ou fecundat, ne dezvoltăm în procesul de formare secvențială a celulelor și țesuturilor până când ajungem în această lume, rupându-ne în țipat și salivat. Și, din acel moment, începe o poveste lungă și obișnuită, care se termină fără dinți, „fără ochi, fără gust, fără totul”.
Dar această poveste shakespeariană de odinioară despre decădere, decrepitudine, decădere și, ca urmare, uitare nu mai este o reflectare exactă a realității. Acum avem mijloacele de a repara și înlocui țesutul deteriorat. Vorbesc din experiența personală. În ultimele luni, am urmărit cum o bucată din carnea mea tăiată din mână s-a transformat într-o structură numită „organoid”, un organ miniatural. În cazul meu, a devenit o structură pe care unii o numesc mini-creier - are dimensiunea unui bob de mazăre înghețat și prezintă multe dintre semnele distinctive ale unui creier real care crește într-un făt intrauterin. Am văzut dovezi că neuronii din astfel de țesuturi pot declanșa blițuri, trimitându-se semnale unul către celălalt. Ar fi prea poetic să numim aceste semnale gânduri,dar ele sunt „substanța gândirii”.
Carnea mea ar putea fi altceva dacă oamenii de știință ar lua această decizie. Ar putea deveni un organoid al rinichiului sau o structură similară cu o parte a inimii sau a pancreasului. S-ar putea transforma într-un țesut sensibil la lumină precum retina. Pe baza dovezilor disponibile, s-a stabilit că ea ar putea deveni un ovul, sau un spermă, sau ceva de genul unui embrion real, începutul unei ființe vii. Ar putea deveni orice parte sau toate părțile din „mine”. În consecință, există o tehnologie care vă permite să stârniți fanteziile și să plantați o idee tentantă de a înșela moartea restaurând un organism bolnav sau chiar creând unul nou, cultivat într-un laborator, „pentru a înlocui” cel vechi.
În anul celor 200 de ani de la lansarea romanului Frankenstein al lui Mary Shelley, ar fi ușor să prezentăm totul într-o formă grotescă, dacă nu apocaliptică. Să presupunem că ne imaginăm oameni crescuți la comandă în baloane, precum Central Hatchery din romanul distopic al lui Aldous Huxley Brave New World. Dar mini-creierele mele (există mai multe dintre ele) au fost crescute pentru o cauză bună. Acestea fac parte din proiectul Created Out of Mind, finanțat de Wellcome Trust, o organizație de caritate internațională independentă, care își propune să ne extindă cunoștințele despre demență și principiile de îngrijire a celor care suferă de aceasta. Cercetătorii care au creat aceste organite studiază baza genetică a tulburărilor neurodegenerative care cauzează demența. Mini-creierul meu va fi folosit în acest studiu, ceea ce înseamnă că probabil va fiva ajuta cândva să încetinească oprirea creierului altor persoane.
* * *
Există animale, cum ar fi salamandra, care sunt capabile să refacă un întreg membru pierdut, format din mai multe tipuri de țesuturi. Corpul nostru uman este capabil să regenereze pielea atunci când rănile mici se vindecă, dar în caz contrar, este în cel mai bun caz capabil să creeze doar „petice” mici individuale de țesut cicatricial dur. Dar dacă un organ eșuează, acesta nu poate fi restaurat și moare. Putem supraviețui cu o grefă de donator sau cu o proteză mecanică. Dar țesutul în creștere pentru a obține diferite tipuri de celule și, eventual, ca rezultat - organite întregi miniaturale face acum posibilă punerea la dispoziția oamenilor a capacității de regenerare, pe care, de exemplu, o salamandră o are. Aceste tehnici nu numai că au un potențial copleșitor în medicină, dar resping și credințele care s-au format de-a lungul anilor.
Dacă acest lucru pare oribil și descurajant, Frankenstein ne-a forțat să privim în ochii lui doar pentru că nu am interiorizat adevărul. Acest adevăr este că suntem făcuți din materie, iar această materie într-un fel se transcende și creează o minte care se uită din coajă. Încă nu știm unde este în această creatură, făcută din carne, esența sa, „eu” său. Noile științe ale „reprogramării celulare” scutură idei despre asta ca niciodată - sub forma în care sunt înrădăcinate în conștiința mea, literalmente intuitiv.
În iulie anul trecut, oamenii de știință de la Institutul de neurologie de la University College London (UCL) au excizat o mică bucată de țesut moale de pe umărul meu drept. Acest lucru s-a făcut sub anestezie locală ușoară și nu am simțit nimic. Celulele din stratul subcutanat au fost un element important al acestei biopsii. Acestea se numesc fibroblaste și sunt principalele „surse” de țesut conjunctiv din corp. Ele formează pielea și sunt celule cheie implicate în vindecarea rănilor. Neurologii UCL, Selina Wray și Christopher Lovejoy, au luat fibroblaste de la mine și le-au așezat în cutii Petri mici, cu o soluție roșie care conține substanțe nutritive necesare pentru reproducerea creșterii celulare.
Video promotional:
Două luni mai târziu, am putut să privesc printr-un microscop o colonie de fibroblaste care crește din masa întunecată a unei bucăți de țesut din mâna mea. Aceste structuri celulare alungite încolțesc din țesut în rânduri uniforme, ca și când ar fi vizat undeva.
Deci, cât de nou a fost ceea ce am văzut? În timpul nostru, abilitatea de bază de a crește celule în cultură este o artă cunoscută de mult timp. Trebuie admis că odată ce a fost considerat un miracol, distins printr-un mister special. Când chirurgul francez Alexis Carrel a anunțat pentru prima oară în 1912 că a crescut celule „nemuritoare” din țesutul unei inimi de pui, ziarele au început să tipărească articole senzaționale că moartea nu mai era inevitabilă. Aceste articole senzaționale s-au dovedit a fi extrem de exagerate. Dar creșterea unui „mini-creier” din celule luate de pe pielea mea este o întreprindere complet diferită de cultivarea obișnuită a celulelor recoltate.
Ray și Lovejoy vor trebui să-mi transforme fibroblastele pielii în neuroni - celule cerebrale. Ei fac acest lucru în doi pași. În primul rând, le vor transforma într-o celulă care poate crea orice țesut în timpul dezvoltării și apoi le vor direcționa astfel încât să se transforme în celule de tipul necesar. Pentru a înțelege cum se întâmplă acest lucru, trebuie să știți că toate celulele vii din corpul uman conțin același set complet de „instrucțiuni” - codificate în ADN, care sunt situate în 23 de perechi de cromozomi și sunt împărțite în secțiuni numite gene, fiecare dintre acestea efectuând în procesele noastre biochimice. o funcție specifică. Practic, fiecare celulă are același cod complet ca toate celelalte. Desigur, într-un organism matur, diferite tipuri de celule îndeplinesc de fapt sarcini diferite. Pentru aceasta, diferite gene sunt „activate” și „dezactivate”. Cu un astfel de comutator se formează o celulă de un tip (creier, piele, mușchi, celule hepatice și așa mai departe) și nu alta.
O mare parte din această schimbare de genă (sau „reglare”) este realizată de molecule de proteine numite factori de transcripție. Ele sunt ele însele codificate în gene: adică, genomul în sine conține instrucțiuni pentru crearea factorilor de transcripție care îl reglementează. Pentru a regla activitatea genelor, celulele noastre creează tot timpul diferiți factori de transcripție. Datorită acestui fapt, diferite tipuri de celule se comportă diferit. În plus, prin schimbarea genelor, un ou fertilizat se poate transforma într-un organism compus din mai multe țesuturi diferite.
Cele mai vechi celule dintr-un embrion în creștere, numite celule stem embrionare, pot evolua în orice fel de țesut: se spune că sunt „pluripotente” și putem spune că încă își conțin tot potențialul genetic. Dar pe măsură ce embrionul se dezvoltă într-un făt și apoi într-un copil, celulele încep să se diferențieze în tipuri de celule cu o funcție specifică - inima, ficatul, celulele creierului - într-un mod organizat și la locul potrivit.
Putem interfera cu programarea comportamentului celulei. De exemplu, în cazul terapiei genetice, al cărei scop este de a remedia o genă „defectă” prin adăugarea la celule a unei bucăți suplimentare de ADN care codifică o formă funcțională normală a acelei gene.
Dar creșterea unui „mini-creier” din țesut tăiat din mâna mea necesită ceva mai impresionant decât simpla „remediere” a unor instrucțiuni genetice ale celulei. Acest proces începe cu o „repornire” completă a programului celulei - cel mai probabil, resetarea tuturor acelor comutatoare de pornire / oprire care definesc scopul specific al celulei. Se pare că acest lucru se poate face numai folosind câțiva factori specifici de transcripție. Ray și Lovejoy introduc gene care codifică și produc acești factori - bucăți mici de ADN - în celule luate din mâna mea, folosind câmpuri electrice slabe. Sub influența lor, se formează găuri în membranele celulare pentru o perioadă de timp prin care ADN-ul suplimentar poate aluneca.
Cu ajutorul acestor „mesaje” biochimice trimise de Lovejoy și Ray fibroblastelor mele, aceste celule au revenit la starea celulelor stem, similar cu celulele unui embrion timpuriu, capabile să se transforme în țesuturi de orice tip. Sunt numite celule stem pluripotente induse. Oamenii de știință le obțin din celule umane din 2007. Până atunci, majoritatea experților au considerat că este imposibil.
* * *
Persoana care s-a răzgândit asupra acestei probleme a fost savantul japonez Shinya Yamanaka. El nu a lucrat în domeniul biologiei celulare, ci în medicina clinică și, probabil, de aceea i-a fost mai ușor să se gândească la ceva incredibil și să se gândească dacă este posibil să reprogrameze celule deja diferențiate în celule stem.
Încă din anii 1960, experimentele pe broaște au furnizat primele date care indică faptul că fixarea celulelor ar putea fi anulată. Biologul britanic John Gurdon a luat ouă de broască, a îndepărtat cromozomii de pe ei și a introdus cromozomi preluați din celulele broaștelor adulte. După cum sa dovedit, aceste ouă ar putea fi apoi fertilizate și crescute din mormoloci și broaște. Cromozomii, care în celulele adulte au fost reglați (prin activarea și oprirea tuturor acestor substanțe chimice) pentru a îndeplini anumite funcții, întinerite aparent în interiorul ouălor, astfel încât să poată direcționa din nou creșterea tuturor tipurilor de țesuturi animale noi. Această metodă de transfer a cromozomilor din celulele adulte a fost utilizată în 1996 pentru clonarea oii Dolly.
Având în vedere rezultatele reușite anterior, Yamanaka a început să analizeze factorii de transcripție care au fost produși în celulele stem embrionare. Poate că, în loc să ne dăm seama ce s-a întâmplat exact cu cromozomii celulelor diferențiate, să surprindem modele specifice ale activității lor genetice și apoi să încercăm să inversăm toate acestea, este suficient doar să adăugăm o nouă doză de acești factori pentru a „convinge” celulele că sunt celule stem? Această ipoteză părea speculativă, dar a funcționat. Yamanaka a descoperit că, dacă genele care codifică unii dintre acești factori au fost adăugate la celulele umane diferențiate (în cele din urmă, s-a dovedit că doar patru au fost suficiente), aceste celule au revenit la o stare similară cu celulele stem.
Datorită acestei descoperiri, a devenit posibil să se creeze țesuturi și, eventual, organe întregi în laborator. Dacă creșteți țesuturi sau organe din propriile celule ale destinatarului (să zicem, din fibroblaste dintr-o probă de țesut prelevată din mâna mea), atunci nu vor apărea probleme care apar din cauza respingerii grefei donatoare de către sistemul imunitar. Mai mult, țesuturile umane cultivate artificial ar putea fi folosite pentru a testa toxicitatea medicamentelor - fără a le testa pe animale. Faptul este că testele pe animale nu numai că dau rezultate ambigue, dar nu pot fi aplicate întotdeauna, deoarece alte organisme vii nu sunt întotdeauna potrivite pentru testarea unui răspuns uman.
Potențialul practic al acestei descoperiri a fost enorm. Dar pe lângă aceasta, Yamanaka a descoperit un adevăr mai important. Țesuturile și corpurile noastre sunt mai flexibile decât am crezut. Țesuturile moi și oasele pot fi transformate în alte tipuri de țesuturi. Osul poate fi creat din celulele mamare, creierul din celulele sanguine. Brusc a devenit clar că întreaga imuabilitate a structurilor corpului uman a fost pusă la îndoială.
Luați-vă timp, totuși, vă așteaptă ceva și mai ciudat.
* * *
Chiar înainte de Crăciun, la șase luni de la începutul experimentului nostru, Ray și Lovejoy mi-au arătat celule stem obținute din fibroblastele mele. Acele formațiuni alungite pe care le-am văzut înainte au dispărut. Acum erau grupuri compacte de celule mai mici în vasul cu soluție nutritivă. Folosind markeri moleculari care se lipesc de proteine specifice și strălucesc în diferite culori atunci când lumina este direcționată către ei, oamenii de știință au putut arăta că genele specifice celulelor stem sunt acum activate. Prima fază a fost finalizată; următorul pas a fost de a face celulele să se transforme în neuroni.
De obicei, celulele stem ar trebui să fie vizate pentru a se transforma într-un anumit tip de țesut folosind declanșatori chimici - de exemplu, prin adăugarea mai multor factori de transcripție specifici celulelor țintă. Dar crearea neuronilor este relativ ușoară, deoarece acestea par a fi opțiunea implicită: dacă celulele stem din laborator încep să se diferențieze spontan, sunt mari șanse ca acestea să se transforme în neuroni. De fapt, am văzut câteva semne ale acestui lucru chiar și în eșantionul meu de țesut. Ici și colo, se puteau vedea celule individuale desprinse din clusterul compact. Am observat că una dintre aceste celule unice a început să încolțească - ramuri lungi și subțiri pe care le au celulele nervoase și care, de obicei, se termină în sinapse, unde acești neuroni transmit reciproc semnale electrice.
Dacă aceste celule stem induse pur și simplu s-ar transforma în grupuri de neuroni identici, ar fi puține motive să numim țesuturile rezultate „mini-creier”. Creierul nostru nu este deloc așa. Sunt structuri complexe care conțin mai multe tipuri diferite de neuroni care produc semnale electrice. Alte celule cerebrale nu sunt neuroni - de exemplu, celule gliale care ajută la structurarea creierului și îndeplinesc funcții de susținere, de protecție, trofice și alte funcții. Există, de asemenea, celule stem neuronale - celule stem parțial diferențiate care se concentrează pe crearea diferitelor tipuri de celule cerebrale care oferă creierului capacitatea de a se adapta la circumstanțele în schimbare - și uneori refac parțial funcțiile afectate.
Împreună cu problema diversității celulelor din țesutul cerebral, apare întrebarea despre modul în care funcționează toate. Creierul conține diverse structuri și, remarcabil, mini-creierul reproduce unele dintre ele. Această organizare a țesuturilor sugerează că neuronii și alte tipuri de celule ale creierului înșiși „știu” cum să se organizeze pentru a forma creierul. Uneori, această aliniere a celulelor implică mișcarea efectivă a celulei: celulele se deplasează una în jurul celeilalte pentru a-și găsi locul corect - de obicei lângă alte celule de tipul lor. Dar o astfel de „auto-asamblare” necesită repere, iar organele care se dezvoltă în embrion folosesc țesuturile din jur ca sistem de repere. Celulele creierului, de exemplu, au nevoie de astfel de semnale pentru a ști unde ar trebui să „crească” tulpina creierului sau pentru a distinge creierul anterior de spate.
Mini-creierul are o anumită structură, dar nu preia forma corectă. De exemplu, formează tuburi medulare - dar dacă apare doar unul dintre ele și se mișcă pe coloana vertebrală într-un creier embrionar real pentru a crea sistemul nervos central, mini-creierul formează mai multe tuburi la întâmplare - este ca și cum ar căuta o coloană vertebrală care nu există.
Din acest motiv, unii oameni de știință obiecționează pe bună dreptate să numească un organoid neuronal „mini-creier”. Dar dacă organele nu sunt creiere în sensul cel mai adevărat al cuvântului, ele „fac” tot ce pot pentru a deveni ele. Și oamenii de știință implicați în crearea lor sunt susceptibile de a crea structuri care sunt cu adevărat mai asemănătoare creierului odată ce găsesc modalități de a imita unele direcții de „orientare” într-o cutie Petri.
Mini-creierul meu nu are un astfel de avantaj - va fi doar o schiță brută a creierului. Dar, într-un fel sau altul, el este viu. Și neuronii pot comunica între ei prin trimiterea de semnale electrice. Ray intenționează să demonstreze acest lucru folosind metode speciale pentru a detecta explozii de ioni de calciu eliberați la joncțiunile sinapselor, similare cu cele observate în țesutul creierului real. Personal nu-mi pasă că acestea sunt „gânduri”. Ceea ce mă îngrijorează mai mult este că tot ce se întâmplă în prezent în creierul meu (real) este rezultatul (din câte știm) a unui astfel de proces.
Organite în creștere, cum ar fi mini-creierul în afara corpului, este potențial doar primul pas în regenerarea corpului. Capacitatea de a crește țesut în laborator pare utilă și chiar vitală - imaginați-vă un pancreas crescut într-un laborator din celule diabetice, dar „editat” genetic și capabil să producă insulină. Dar organele complet formate au nevoie de aport de sânge și nu știm cum să le furnizăm în cultura celulară în laborator. Și unele țesuturi cultivate în cultura celulară, cum ar fi țesutul cerebral sau mușchiul inimii, nu pot fi pur și simplu puse în funcțiune - acestea trebuie să fie pe deplin integrate în sistemele celulare existente. Și, de asemenea, nu știm cum să facem acest lucru.
Este adevărat, oamenii de știință studiază acum posibilitatea creșterii de țesuturi noi direct în interiorul corpului. Pentru a face acest lucru, s-ar putea folosi aceleași metode care sunt folosite pentru reprogramarea celulelor pentru a reveni la o stare similară stării celulelor stem, și apoi a le direcționa să dobândească noi caracteristici. O astfel de „reprogramare in vivo” este deja efectuată în experimente pe șoareci - celulele hepatice sunt convertite, de exemplu, în celule ale pancreasului sau celule ale fibroblastelor cardiace - în celule stimulatoare cardiace.
Dar procesul în doi pași de conversie a unei celule obișnuite într-o celulă stem și apoi într-un alt tip de celulă, propus de Ray și Lovejoy, este plin de riscuri dacă o faceți direct în corp. Celulele stem, care sunt capabile să se transforme în diferite țesuturi, pot fi predispuse la convertirea în celule canceroase. Dar, remarcabil, oamenii de știință au descoperit că, datorită combinației corecte de factori de transcripție și semnale moleculare, ar putea „sări” stadiul celulelor stem, adică stadiul pluripotenței și să schimbe un tip de celulă matură direct pe altul. Să presupunem că creăm neuroni direct din celulele sanguine. În loc să întârzieți dezvoltarea celulelor și apoi să reporniți dezvoltarea lor într-o altă direcție, pur și simplu săriți în lateral și treceți la un alt tip de țesut. Testarea pe animale este încurajatoareiar acum se rezolvă problema efectuării de studii clinice pe oameni cu privire la regenerarea mușchiului cardiac deteriorat.
Posibilitățile pentru acest tip de reprogramare a celulelor din corp sunt uluitoare. Corpul nostru va dobândi cândva abilitatea de a se regenera - ca acele salamandre care le restaurează membrele pierdute. Zonele creierului deteriorate de leziuni sau boli, cum ar fi Alzheimer, pot fi reparate selectând celule cerebrale non-neuronale (cum ar fi celule gliale) și transformându-le în neuroni funcționali. Și întrucât aceste celule sunt create în locul localizării lor originale, cel puțin este posibil ca acestea să se integreze mai bine în sistemul celular înconjurător. În orice caz, acest lucru se întâmplă atunci când mușchiul inimii este reprogramat - acesta se contractă sincronizat cu restul inimii.
* * *
Pe lângă potențialele aplicații în medicină, aceste descoperiri sugerează necesitatea de a vă reconsidera înțelegerea unui organism viu. Dacă ficatul poate deveni un mușchi, sângele poate deveni un creier, iar pielea poate fi transformată în țesut osos, cum ar trebui să ne gândim atunci la viața noastră muritoare și să plecăm în altă lume? Desigur, rănile se pot vindeca, părul poate crește din nou - dar am ajuns deja să credem că avem un singur corp. Dar atunci când celulele devin complet versatile și capabile să se adapteze, nu mai este pe deplin clar dacă acesta este de fapt cazul.
Care este, deci, esența umană - „eu” biologic? În mod clar, aceasta nu este ceea ce insistă companiile de testare genetică precum 23andMe, care „te face să fii cine ești tu”, ci secvența ta genetică unică. Ați devenit cine sunteți doar datorită modului în care această secvență genetică din diferite celule a fost limitată și activată selectiv: procesul de divulgare, interpretare și modificare a informațiilor genetice. Rețineți că genomului dvs. îi lipsește informațiile care vă definesc complet „voi”, cu toate cvadrilioane de conexiuni neuronale unice, formate din circumstanțe și experiențe neprevăzute pe măsură ce vă dezvoltați și creșteți.
Chiar am mai multe „creiere” sau cel puțin „structuri asemănătoare creierului” acum? Încă nu știu cum să mă raportez la asta. Cred că aș putea, în principiu, să am o inimă sau un ficat „de rezervă” create în acest fel. Dar, în opinia mea, creierul este prea legat de experiență, memorie, emoții și caracter pentru a considera orice alt organ, altul decât al meu, ca container al „euului” meu. Ideea unui „al doilea creier” (chiar dacă nu țineți cont de natura extrem de „anormală” a mini-creierului meu) nu este foarte clară și nu are prea mult sens.
Cred că aceasta este o ușurare. La urma urmei, odată ce aceste organite și-au îndeplinit rolul în cercetarea lui Ray, vor fi aruncate. Și nu cred că voi simți că orice parte din „eu” -ul meu va dispărea odată cu ei. Cu toate acestea, este încă ciudat și deranjant să vedem în ce se poate transforma o parte din mine, aleasă la întâmplare, în laboratoarele din centrul Londrei. Mi-e greu să nu ajung la concluzia că există un fel de „meta-eu”, adică toate țesuturile care ar putea fi create din acest prim ovul fertilizat, care a reînviat în uter în octombrie 1962 (în cazul meu) … Sunt doar una dintre întrupările acestui „meta-eu”. Limitele mele de personalitate par puțin mai neclare decât erau atunci.
Dar dacă procesul de creștere a unui mini-creier devine și mai perfect înainte de a-i putea furniza aportul de sânge și coordonatele pentru a-l organiza în mod corespunzător într-un întreg coerent - înainte de a putea crea ceva foarte similar cu un creier cu drepturi depline? În acest moment, acesta este pur (mă scuzați) experiment de gândire: pur și simplu nu avem ocazia, darămite motivație sau justificare morală. Dar este cu siguranță posibil. Ce statut moral și ontologic ar avea un creier într-o cutie Petri? Dacă persoana ale cărei celule au fost folosite pentru a o crea ar muri după aceea, ar mai trăi în vasul Petri? Ar trebui să ne punem la un moment dat întrebarea: cine este acolo?
Philip Ball
