Павел Макаревич: Регенерация — свойство организма, а не культуры клеток

Лектор рассказал о том, где и как искать новые возможности регенерации, а также о нынешнем направлении регенеративной медицины. Лекция прошла в необычном формате — Павел Макаревич не использовал презентацию, а писал на маркерной доске.

По мнению лектора, современная наука уделяет регенерации недостаточно внимания и времени. Живой объект отличается от неживого именно способностью к воспроизведению, ростом и развитием, а также внутренним стремлением к восстановлению утраченной части. Регенерация — производное от этого стремления. Если от кирпича отломить кусок, он не захочет восстановить его. Живое хочет сохранить себя в исходном состоянии, поэтому регенерация — одно из фундаментальных свойств живого. Согласно второму закону термодинамики, энтропия постоянно возрастает, и рано или поздно мы будем разобраны на элементарные частицы. Кирпич постоянно теряет свои части, так как подвергается эрозии ветром и водой. Одно из свойств живого — противостоять второму закону термодинамики за счет поглощения вещества и синтеза.

Регенерация может происходить двумя путями. Первый — это обновление (физиологическая регенерация) — процесс, который идет постоянно и обеспечивает организму возможность восстановить утраченные части. (Но, как подчеркнул лектор, неправильно сводить все к ногтям, волосам и частям тела.) Регенерация идет на всех уровнях от молекул до организма целиком. На молекулярном уровне это рециркуляция АТФ в митохондриях, восстановление глюкозы, жиров из пищевой цепи. Второй путь — заживление, когда структура теряет значимые части. Разница между обновлением и заживлением только в том, что заживление включается при быстрой и одномоментной потере частей, а обновление работает при медленной утрате элементов.

А как организм узнает о повреждении? Мы не чувствуем, как каждую минуту обновляем 2¹⁰ клеток крови, но чувствуем, когда повреждаемся. Помогает нам в этом раздражимость. Именно она говорит о том, что в организме есть повреждение и необходимо запускать регенерацию. Повреждение — масштабное и быстрое или медленное и почти незаметное — за счет раздражимости является ключевым стимулом регенерации. Как ни печально признавать, мы существуем в цикле постоянного повреждения, планомерного и медленного либо эпизодического и сильного.

Система состоит из элементов, которые подчинены правилам. Правила могут быть привнесены извне, а могут исходить из самой системы. Например, эмбрион на стадии нескольких бластомеров сильно зависит от внешних условий, но при очередном усложнении организма и возникновении новых связей между элементами уже сами элементы определяют свою организацию. Повреждение — потеря элементов в системе. Система это чувствует и пытается их восстановить. Важно подчеркнуть, что организм состоит из клеток, а значит, регенерация — процесс клеточный.

Чтобы слушатели смогли оценить масштаб обновления, Павел Макаревич сообщил, что, по литературным данным, красный костный мозг взрослого человека весит около двух килограммов, при этом за всю жизнь производит около 6 тонн клеточной массы, три четверти из которой вода.

В организме человека около 260 типов клеток. Клетки делятся, и Леонард Хейфлик установил, что предел деления — 40–50 раз. Павлу повезло: его коллеги однажды переписывались с профессором. Хейфлик с сожалением отмечал, что практически никто из знающих о пределе Хейфлика не читал оригинальную статью. 40–50 — это не число делений клеток, а число удвоений клеточной массы в популяции, если считать от определенной точки. Барьер Хейфлика — это рассчитанное значение из серии пассажей, когда, например, 200 тысяч эпителиоцитов могут удвоится 40–50 раз, то есть 2⁴⁰-2⁵⁰.

Клетка может делиться, дифференцировать, мутировать и умереть. Эти процессы активно изучают, чтобы понять их регуляцию и найти мишени для контроля. Однако какую бы отличную мишень мы ни нашли, живая система может адаптироваться к воздействию, и оно будет неэффективным, подчеркнул лектор.

Стволовая клетка — клетка, способная делиться сама и давать начало другим клеткам. При этом говорят о дифференцировке — возникновении разных фенотипов клеток, всео их многообразия. Есть нестволовые клетки, способные менять свой фенотип, но это не является их базовой программой и часто ведет к канцерогенезу.

Когда узнали о стволовых клетках, сразу же появилось желание их использовать. Первая стволовая клетка — гемопоэтическая стволовая клетка (ГСК), отметил докладчик. Только эти клетки после выделения из человека могут образовывать новый красный костный мозг. Стволовые клетки печени не могут сделать печень, а стволовые клетки сердца не сделают сердце. Почему так? Клетка может жить в культуре, потому что, с одной стороны, она автономна, а с другой, ей необходимо окружение из клеток или других структур. Программа клеток — внутренне автономное свойство, пределы, в которых она может функционировать. Ученые предполагали, что автономных свойств клеток будет достаточно для того, чтобы они могли выполнять нужные нам задачи по восстановлению органа. Так не вышло. Выделенные стволовые клетки со временем теряют свои качества. Регенерация в культуре клеток сильно изменяется или даже прекращается. Поэтому регенерация — свойство именно организма, а не той культуры клеток, которую из него выделили. Клетка, разумеется, — элемент, способный к регенерации, но если выдернуть ее из системы, то эта способность теряется. Регенерация — эмерджентное свойство: если изучить каждую часть системы, сумма их свойств не расскажет о том, как ведет себя система в целом. Для регенерации нет меры и шкалы, часто ее сводят к «получилось или не получилось», что ограничивает потенциальные возможности.

Регенеративная медицина сейчас переходит от изучения клеток в качестве элементов к изучению регуляции и механизмов, которые возникают при формировании системы. Живая система постоянно балансирует между двумя полюсами: регенерировать или умереть. Если бы все живое регенерировало, не было бы смерти.

В завершение лекции Павел Макаревич рассказал об удивительных регенеративных свойствах человека. Во взрослой жизни наиболее впечатляюще восстанавливается эндометрий матки — слой клеток толщиной 7 мм, который сходит целиком, кровоточит, а затем восстанавливается без рубца. Такое повторяется около 300-400 раз за жизнь женщины. Представьте, что будет, если снять с ладони 7 мм кожи, сжать ладонь и ходить так, повторяя процедуру каждые 28 дней, сказал лектор. Скорее всего, на восьмой раз мы уже не сможем разжать ладонь. Такой менструальный цикл есть только у человекообразных приматов, иглистой мыши, гигантской землеройки и некоторых летучих мышей. Очень хорошо идет регенерация в ротовой полости. А в 1970-х годах был описан случай отрастания дистальной фаланги пальца у ребенка. Сейчас известно, что если у ребенка примерно до 10 лет ампутировать дистальную фалангу до сустава, она может отрасти с костью, ногтем и кожей.

Исследование восстановления во взрослом организме может найти и связи, и те особенности клеток, которые необходимы для регенерации. По мнению Павла, регенеративной медицине нужно идти не к плоским червям и аксолотлям, а обратиться к человеку и изучать именно человеческие случаи восстановления структур, пусть возможности нашего вида и ограничены. Когда мы исследуем регенерацию человека, важно знать патогенез состояния, которые мы пытаемся лечить, понимать, какие элементы при этом критичны и какие связи формируются между ними. За счет этого мы можем найти новые возможности для регенерации.

Другие лекции «Метафазы»

Эволюция регенерации на «Метафазе»

«Метафаза» рассказала об индуцированных плюрипотентных стволовых клетках

В «Зарядье» состоялась первая лекция просветительского проекта «Метафаза»