Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Креативная биология

Последние разработки в лабораториях всего мира предвещают новую эру креативной биологии. Мы можем манипулировать идентичностью клеток на всем протяжении их развития, используя факторы, которые решают клеточную судьбу. Мы даже можем обратить ее вспять с помощью так называемых факторов Яманаки, названных в честь их первооткрывателя Синъи Яманаки, который разделил Нобелевскую премию с моим наставником Джоном Гёрдоном. Эти факторы, а также другие, открытые позже, могут превратить зрелые клетки обратно в эмбриональные, вернув им потенциальную способность развиваться во многие другие типы клеток, что сулит нам огромные возможности (об этом позже).

Еще одна влиятельная технология представлена новым поколением методов геномного редактирования, которые гораздо точнее прежних генетических манипуляций, придуманных еще в начале 1970-х [3]. Это чудесный нож[21] генетики, и сочетая его с секвенированием ДНК и РНК (которым я регулярно пользуюсь), можно проводить высокоточные генетические операции, будь то исправление мутаций, ведущих к развитию заболеваний, или перенаправление клеток на новый путь развития.

Можно манипулировать генами, совершенно их не трогая, а просто вызывая эпигенетические изменения, которые регулируют их использование (экспрессию) в клетках. И разумеется, я отношусь к тем ученым, которые занимаются культивированием человеческих эмбрионов (хотя большинство моих подопечных — мышиные эмбрионы), позволяя им расти и развиваться благодаря многочисленным, эволюционировавшим вслед за ЭКО, методам репродуктивной медицины.

Совместив все эти технологии, мы вступим в новую эру, где сможем манипулировать клетками так же искусно, как гончар — глиной. Сегодня ученые приступили к разработке модельных систем (органоидов), чтобы установить механизмы роста органов и тестировать лекарственные препараты. Уже есть клеточные модели талассемии, синдрома Марфана, мышечной дистрофии, болезни Хангтинтона и др. Можно также взять Т-клетки, рабочие лошадки иммунной системы, и вооружить их на борьбу с раком [4]. И, как я уже объясняла в предыдущей главе, мы разработали модель развития раннего постимплантационного мышиного эмбриона на основе стволовых клеток и теперь пытаемся расширить метод до применения стволовых клеток человека, чтобы разобраться в собственном раннем эмбриональном развитии, о котором до сих пор мало что известно.

Кроме того, ученые пробуют выращивать человеческие органы внутри животных, чтобы устранить нехватку трансплантационного материала. Существует реальная надежда на то, что с помощью стволовых клеток мы сможем восстанавливать или даже заменять поврежденные органы и ткани подобно тому, как механик заменяет неисправную деталь.

В один прекрасный день, если прогресс будет продолжаться в том же темпе, можно будет взять клетки кожи и перепрограммировать их на обратное превращение в эмбриональные клетки, которые затем можно культивировать в зародышевые клетки и помочь мужчинам, ставшим субфертильными после противораковой терапии, снова производить сперматозоиды [5]. Когда-нибудь это станет возможным и для женщин, утративших способность производить яйцеклетки [6]. Что, если в будущем каждый человек сможет иметь ребенка?

Уже сегодня наука бросает вызов фундаментальным законам природы, таким как однополое размножение млекопитающих; как показали недавние исследования, с помощью изощренных генетических манипуляций можно получить потомство от двух самок мышей [7]. Также получено потомство от двух мышей-самцов, и это говорит о том, что стволовые клетки и геномное редактирование преодолевают даже такой барьер [8].

Сочетание ЭКО с точным геномным редактированием, секвенированием, перепрограммированием и прочими методами создает что-то вроде клеточной алхимии. Если такое искусство станет привычным, оно обеспечит постоянное изменение генома человека. Это нетрудно представить, поскольку в одном только Китае с помощью ЭКО родились миллион человек. При значительном количестве людей, рожденных в результате слияния перечисленных технологий (от лечения заболеваний до придания ребенку желательных черт и устранения нежелательных), и без законодательного регулирования подобных процедур мы рискуем перевести эволюцию человека на другой путь.

Но даже если это возможно, то случится лишь в отдаленном будущем, а пока мы бы хотели представить обзор текущего состояния научных знаний, позволяющих разработать новые методы лечения. То, о чем далее пойдет речь, отчасти неминуемо, учитывая невероятный всплеск и размах активности ученых и инженеров по всему миру. Можно представить, до какой степени эволюционирует медицина, если новые технологии перенесут из научно-исследовательских лабораторий в больницы и клиники. Наука относительно быстро вышла на новый уровень, объединив прогресс в области стволовых клеток, молекулярной, клеточной биологии и биологии развития.

Регенеративная медицина

Моей основной мотивацией было желание понять базовые принципы самых ранних стадий нашего развития, его пластичность и то, как эмбрион строит самого себя из отдельных клеток. Большинство экспериментов я проводила на мышах, но с учетом многочисленных различий в развитии мыши и человека и появления подходящих технологий я изучала и человеческие эмбрионы. Поскольку предметом моих (и многих других) исследований было формирование клеток и превращение их в разные типы, практическое применение полученных данных подходит для регенеративной медицины и репродукции человека.

Одним из пионеров регенеративной научной революции является Джон Гёрдон. Он совершил прорыв, когда впервые продемонстрировал возможность клеточного перепрограммирования в своем исследовании 1962 года [9]. В те годы его коллеги полагали, что клеточная специализация — это улица с односторонним движением, процесс, который нельзя повернуть вспять, и потому клеткам кожи не суждено стать кем-то покруче, а клетки мозга никогда не превратятся в мускулы.

Несмотря на недоверие и критику, Джон опроверг существующую догму, вынув ядро из лягушачьей яйцеклетки и заменив его ядром кишечной клетки головастика. Хотя последняя уже прошла специализацию, из ее ядра, имплантированного в яйцеклетку, чудесным образом развился нормальный головастик [10]. Эти эксперименты показали, что стрелки клеточных часов можно перевести назад, а потому вполне реально взять зрелую клетку, например кожи, и снова сделать ее эмбриональной.

За это открытие Джон Гёрдон много лет спустя получил Нобелевскую премию 2012 года, разделив ее с Синъей Яманакой из Киотского университета (Япония). Шинья открыл гены, с помощью которых зрелую клетку можно перепрограммировать в эмбриональную. Рецепт удивительно прост — надо активировать всего четыре гена. Хотя эффективность его протокола была довольно низкой, он продемонстрировал фундаментальные принципы.

Роджер Хайфилд был одним из первых журналистов, сообщивших об этом достижении и подчеркнувших тот факт, что технология Синъи Яманаки предлагает (вместо разбирания на части клонированных эмбрионов) более этичный способ выращивания клеток и тканей для конкретного пациента [11].

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иСК) можно целенаправленно превратить в различные типы зрелых клеток, таких как клетки сердечной мышцы и мозга, что открывает колоссальные возможности для терапии стволовыми клетками.

Вопреки распространенному мнению, стволовые клетки используются в медицине довольно давно. Доналд Томас получил в 1990 году Нобелевскую премию за трансплантацию костного мозга — работу, которую начал выполнять еще в 1950-х [12]. Костный мозг содержит гематопоэтические стволовые клетки, которые могут превращаться во многие типы клеток крови. Подобные трансплантаты уже давно используются для лечения лейкемии — ракового заболевания крови и костного мозга. С их помощью восстанавливают организм после химиотерапии, но эффективность этого лечения зависит от совместимости клеток донора и реципиента. Если они плохо подходят друг другу, клетки реципиента воспринимают трансплантированные клетки как «чужие» и атакуют их, что может быть опасным для жизни.

Стволовые клетки, выращенные из собственных клеток пациента, могут обеспечить его совместимой тканью любого типа. Однажды наступит такой день, когда можно будет взять, например, клетки кожи и превратить их в клетки сердечной мышцы, чтобы восстановить повреждения после сердечного приступа. Потенциально из стволовых клеток можно получить инсулин-продуцирующие клетки для лечения диабета. В будущем из стволовых клеток можно выращивать нервные клетки для восстановления разорванного спинного мозга или по тому же принципу восстанавливать поврежденные сердце или печень. Кроме того, стволовые клетки дают надежду людям, теряющим разум из-за болезни Альцгеймера или тело из-за болезни Паркинсона.

Но перед тем как поставить выращивание замещающих клеток на поток, мы должны научиться наставлять стволовую клетку на правильный путь развития. Если не сделать это должным образом, ее развитие может пойти в неожиданном направлении, вплоть до превращения в раковую клетку [13]. Поэтому пройдут годы и даже десятилетия, прежде чем лабораторная наука станет надежным методом лечения.

Вот почему так важно инвестировать в самую творческую базовую науку. Когда Джон Гёрдон совершал свое открытие по перепрограммированию клеточного ядра, он не думал о том, что однажды оно будет использоваться для улучшения здоровья. Большинство ученых, занимающихся фундаментальными исследованиями, ощущают то же самое. Правильно усвоив основы и разобравшись в том, как работает биология, можно гораздо успешнее применять эти знания в терапии.

Первые эмбриональные стволовые клетки

В предыдущих главах я рассказывала об основном прорыве в науке, случившемся в 1981 году, когда Мартин Эванс и Мэтью Кауфман и параллельно с ними Гейл Мартин изолировали ЭС-клетки, обладающие потенциалом превращаться во все остальные клетки организма. А в 1998 году Джеймс Томсон со своей командой из Висконсинского университета города Мэдисона выделили человеческие стволовые клетки из пожертвованных лишних эмбрионов. Исследование стало крупным техническим достижением, а Томсон заявил: «Это больше не научная фантастика. Я очень надеюсь, что успею увидеть, как эта терапия исцеляет болезни» [14].

С тех пор как Томсон и его коллеги извлекли человеческие ЭС-клетки, многие ученые стремились раскрыть их потенциал. А также сделать созданные методы терапии более легкими в применении. Например, оказалось, что ингибирование сигнального пути ROCK (назван так потому, что туда входит фермент Rho/Rho-ассоциированная киназа, или ROCK) предотвращает гибель человеческих ЭС-клеток после извлечения из колонии, в которой они выросли. Благодаря этому открытию показатель создания новых колоний увеличился от одного из ста до одного из четырех [15].

Сегодня эти бесценные клетки можно надежно поддерживать в культуре.

Управляемая дифференциация

Чтобы превращать ЭС-клетки в другие типы, необходимые для лечения, надо разобраться в том, как они формируют и генерируют три разных эмбриональных слоя (эктодерму, мезодерму и энтодерму), а затем в том, как эктодерма образует нервы, кожу и волосяные фолликулы, как мезодерма создает сердце, кровь и мышцы, а энтодерма становится кишечником, печенью, поджелудочной железой и легкими. Звучит просто, хотя на самом деле это не так.

Чтобы направить ЭС-клетки на путь превращения в целевой тип клеток, ученые проявили огромную изобретательность, создавая специальные поверхности, составляя генетические регуляторные сети, ответственные за поддержание стволовых клеток, а также оптимизируя условия выращивания. Теперь можно создать клетки сетчатки, сердечной мышцы, нервные клетки, многочисленные типы клеток крови и многое другое. Но все это требует времени. Один из ученых, которым я особенно восхищаюсь, Дуг Мелтон из Гарвардского института стволовых клеток в Кембридже, штат Массачусетс, превратил стволовые клетки в бета-клетки поджелудочной железы, чувствительные к глюкозе и вырабатывающие инсулин [16]. Открытие способа создания зрелого типа клеток стало важной вехой в исследовании диабета, но на это ушли годы. Упорство Дуга было вызвано личными причинами: в 1993 году, когда он занимался исследованием развития лягушек, у его сына обнаружили диабет первого типа [17]. С тех пор Дуг сосредоточился на поиске новых методов лечения.

Даже для эмбриологов такая работа является источником новых идей и неожиданных открытий. Вплоть до недавнего момента мы думали, что новые кровеносные сосуды эмбриона образуются исключительно из тех эндотелиальных клеток (выстилающих все кровеносные сосуды), что дифференцируются из мезодермы. Однако использование флуоресцентных меток при отслеживании судьбы стволовых клеток кровотока позволило обнаружить второй источник эндотелиальных клеток [18].

Это всего один из множества примеров того, как практическая работа со стволовыми клетками приносит новую информацию в копилку фундаментальных знаний биологии развития. Я уверена, что в ближайшие годы будет раскрыто еще больше тайн.

Взгляд изнутри

Многие годы я и моя команда совершенствовали маркеры и условия культивирования, чтобы снимать фильмы о развивающихся эмбрионах, благодаря которым можно было проследить происхождение, перемещение и судьбу всех клеток с момента оплодотворения до четвертого дня развития мышиного эмбриона [19]. Совсем недавно нам удалось заснять и отследить клетки эмбриона с четвертого по шестой день развития [20]. Это гораздо сложнее, чем следить за клетками более «юных» эмбрионов, поскольку в этот период эмбрион начинает расти. Но потраченные усилия того стоили. Сделанные фильмы позволили нам изучить взаимодействия трех базовых типов тканей и механизмов, лежащих в основе ремоделирования эмбриона вплоть до гаструляции. В значительной мере получение этой новой информации стало возможным благодаря визуализации живых мышиных эмбрионов с помощью мультифотонного микроскопа, которому нужно поглотить два фотона света (отсюда и название), чтобы вызвать флуоресценцию, и который способен визуализировать слои живой ткани на глубине до одного миллиметра. Заслуга за эту работу принадлежит коллегам из моей лаборатории Неофитосу Христодулу, Кристосу Киприану и Антонии Веберлинг. Первая часть их исследования была опубликована в журнале Nature Cell Biology [21].

За последний год Кейт Макдолл и Филипп Келлер из Исследовательского центра Janelia Research Campus разработали новый микроскоп, позволяющий визуализировать развитие еще более «взрослых» мышиных эмбрионов, от шести до восьми дней после оплодотворения [22]. Принцип действия этого микроскопа в том, чтобы пропустить сквозь эмбрион два плоских пучка света, избежав освещения образца целиком в течение долгого времени, поскольку это может ему навредить. В итоге получаются сногсшибательные фильмы. Можно, например, увидеть, как нервная трубка, структура, которая позже сформирует спинной и головной мозг, срастается вдоль эмбриона, будто застежка-молния. Можно также понаблюдать формирование сердца, от предсердия до эндокарда и, наконец, сердцебиения.

Кто-то скажет, что это всего лишь фильмы. Однако по ним анализировать клеточную динамику легче, чем по статическим изображениям, что позволяет глубже понять механизмы эмбрионального развития. Хотя эти фильмы не о человеческих эмбрионах, но, с точки зрения регенеративной медицины, между людьми и мышами достаточно сходства, и, кроме того, по ним можно изучать дефекты развития, например расщепление позвоночника, когда нервная трубка человеческого плода, развивающегося в матке, не срастается должным образом.

Болезнь в пробирке

Отслеживая дифференцировку клеток раннего эмбриона, мы получили новые сведения о том, как факторы из окружающей клетку среды, гены и др. влияют на процесс развития. Но ту же информацию можно получить, не выращивая целый организм, а взяв у него стволовые клетки. Например, чтобы понять, как создаются клетки, позволяющие людям видеть разноцветный мир, можно вырастить сетчатку в чашке Петри [23]. Аналогичным образом, можно взять стволовые клетки и посмотреть, что происходит, когда при генетических и наследственных заболеваниях процесс развития идет наперекосяк.

Например, клетки кожи мыши и человека можно превратить в нейроны болевой чувствительности и сделать модель наследственной невропатии и гиперчувствительности, развивающейся у пациентов после химиотерапии, позаимствовав клетки кожи у пациентов с наследственными неврологическими заболеваниями [24]. Клетки кожи пациентов с ранним началом Альцгеймера можно превратить в те типы нейронов, которые страдают при данном заболевании, и изучать аспекты этой формы деменции на клетках человека [25]. То же верно для пациентов с шизофренией или синдромом Дауна [26]. Вдобавок ученые могут воспользоваться банком стволовых клеток, выделенных из эмбрионов со специфическими генетическими заболеваниями [27]. Если мы убедимся, что нервные клетки, взятые у животного или культивированные в лаборатории, напоминают по сложности таковые в человеческом мозге, то однажды метод создания мозговой ткани со специфическим заболеванием поможет в исследовании неврологических расстройств.

На «болезни в пробирке» можно тестировать методы лечения. Например, клетки кожи пациентов с потенциально смертельным заболеванием сердца можно превратить в иСК, а потом сделать из них клетки сердечной мышцы конкретного пациента. Но есть одна загвоздка: хотя такие клетки и несут генетические мутации пациента, они остаются эмбриональными и не показывают признаки заболевания, развивающегося у взрослых. Ученые смогли воссоздать болезнь, заставив мышечные клетки использовать в качестве основного источника энергии не глюкозу, как это происходит у плода, а жирные кислоты, как делают клетки сердечной мышцы взрослого организма. С помощью полученных таким путем зрелых клеток удалось обнаружить метаболическое нарушение, лежащее в основе данного заболевания [28]. Разумеется, еще предстоит потрудиться, чтобы выяснить, всегда ли это заболевание развивается из-за тех же метаболических дефектов, и, если болезнь в пробирке действительно отражает реальность, разработать новый метод лечения.

Можно также побудить стволовые клетки превратиться в мини-орган, так называемый органоид, который с функциональной точки зрения напоминает настоящий, включающий все свои главные типы тканей. Одним из пионеров в этой области является Ганс Клевере из Института Хюбрехта в Утрехте, Нидерланды, чьи исследования способствовали созданию органоидов желудка, поджелудочной железы, мозга, печени и многого другого, например ядовитых желез змеи [29]. С помощью «биобанка органоидов», содержащего широкий диапазон подтипов колоректального рака, можно проводить скрининг лекарственных препаратов [30]. Моя подруга по Кембриджскому университету Мери Хуч, когда-то работавшая с Клеверсом, создала органоидные культуры на основе рака печени, чтобы смоделировать рост опухоли и протестировать препараты [31]. Можно также выращивать органоиды печени из стволовых клеток пациентов и заменять поврежденную циррозом печень [32].

Органоиды могут рассказать нам о том, как болезни и расстройства воздействуют на развитие органа, например, как связаны вирус Зика и микроцефалия, при которой ребенок рождается с аномально маленькой головой [33]. Лаборатории Го-Ли Мина и Хунцзюнь Сона в Школе медицины Университета Джона Хопкинса продемонстрировали на органоидах человеческого мозга, что вирус Зика затрагивает прогениторные клетки коры головного мозга, которые в норме дифференцируются в нейроны, и этот факт позволяет связать развитие микроцефалии с инфекцией.

Эти примеры объясняют, почему ученые испытывают оптимизм по поводу потенциала технологий на основе стволовых клеток.

Восстанавливая поврежденное тело

Когда журналисты просят меня порассуждать о том, куда могут завести человечество мои исследования раннего развития и стволовых клеток, я всегда отвечаю, что понимание базовых принципов развития увлекательно само по себе и закладывает основу для поиска новых способов предотвращения или исправления ошибок.

Хотя мечта о том, что ЭС-клетки когда-нибудь станут источником замещающих тканей, очень жива, прогресс идет гораздо медленнее, чем можно судить по газетным заголовкам.

Одним из направлений исследований стала макулярная дегенерация — самая распространенная причина слепоты после шестидесяти лет, поражающая, по некоторым данным, примерно 30% населения в семидесятипятилетнем возрасте. Заболевание характеризуется прогрессирующей потерей центрального зрения из-за дегенерации макулы — желтого пятна на задней поверхности сетчатки, отвечающего за центральное зрение. Чтобы исправить это нарушение, многие группы ученых пытались разработать терапию стволовыми клетками. Их целью был не полупрозрачный слой реагирующих на свет нейронов, которые поначалу не дегенерируют, а нижележащий слой клеток, называемый ретинальным пигментным эпителием, или РПЭ.

В 2012 году компания Advanced Cell Technology и сотрудничающие с ними специалисты по зрению из Глазного института Жюля Стайна в Лос-Анджелесе провели многообещающий эксперимент, пересадив выращенные в лаборатории РПЭ-клетки в глаза пациентов с макулярной дегенерацией и болезнью Штаргардта [34]. Хотя их основной целью было получение доказательств безопасности таких клеток (и они их получили), они обнаружили некоторое улучшение зрения. Как показало другое исследование, проведенное Питом Коффи из Института офтальмологии Университетского колледжа Лондона (Лондонский проект по лечению слепоты) в сотрудничестве с командой из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, у двух пациентов с макулярной дегенерацией улучшилось зрение после имплантации РПЭ [35].

Эти примеры дают надежду на то, что однажды мы сможем лечить некоторые формы слепоты, хотя многие детали остались неизученными; это и профилактика отторжения со стороны иммунной системы, и обеспечение долговременной выживаемости имплантированных клеток, ну и, конечно, имплантированные клетки могут быть эффективны для восстановления зрения [36].

Превратить стволовые клетки в функционирующие ткани тяжело, но еще тяжелее превратить их в органы, пригодные для трансплантации. Некоторые органы и сами могут восстановиться после повреждения. Если часть печени потеряется в результате травмы или болезни, она может отрасти обратно до изначального размера, хотя форма будет иной, а кожа постоянно сама себя восстанавливает [37]. Но некоторые человеческие ткани не регенерируют.

В сравнении с такими животными, как планария, гидра, лягушка и саламандра, мы более продвинутые существа, однако не во всех смыслах. Когда речь идет о регенерации, они нас превосходят. Лягушки могут отрастить глаза, тритоны могут полностью вырастить новые конечности, а если вы продольно разрежете планарию, она регенерирует в двух новых индивидуумов [38]. Такие подвиги тесно связаны с эмбриональным развитием.

Подробности процесса регенерации, способные объяснить, каким образом стволовые клетки формируют замещающие структуры, недавно были раскрыты Питером Реддиеном из Института биомедицинских исследований Уайтхеда в Кембридже, штат Массачусетс. Питер обнаружил, что планария и акоэль (морской регенерирующий червь) для управления регенерацией в качестве источника информации используют сигнал, поступающий из поврежденных мышц [39].

Его команда выяснила, что для регенерации глаза нужны три согласованных действия, активирующих прогениторные клетки: сигналы о местоположении для создания масштабируемой карты, самоорганизация для привлечения прогениторных клеток и сами прогениторные клетки, которые расположены не в конкретном месте, а диффузно [40]. Разобравшись в том, как эти животные используют перечисленные механизмы и молекулы для регенерации взрослых тканей без побочных эффектов вроде рака, мы можем применить это на практике для регенерации или конструирования человеческих тканей.

Точно так же, как естественный органогенез происходит у плода, он может происходить и в организме животного, если имплантировать в него ткани или клетки из первичных органов. В 2018 году стало известно об эксперименте, в котором ЭС-клетки человека ввели в эмбрионы свиней, получив в результате химер, в основном являющихся свиньями, но с определенным количеством человеческих клеток в пропорции одна из десяти тысяч. Химерным свиночеловеческим эмбрионам позволили развиваться до двадцати восьми дней (первый триместр беременности свиньи). Можно ли будет таким способом инкубировать человеческие органы, генетически совместимые с организмом пациента, чтобы использовать их для трансплантации?

Ясно, что для начала надо решить ряд практических и этических проблем. Например, у свиньи беременность длится около ста двенадцать дней, а у человека — двести семьдесят четыре дня (девять месяцев), поэтому скорость развития эмбриональных клеток этих биологических видов разная. Ведущий исследователь в этой области, Хуан Карлос Исписуа Бельмонте из Института Солка в Ла-Хойе, сравнил это с автомагистралью, по которой машины передвигаются в три раза быстрее, чем вы. Надо правильно рассчитать время, чтобы не спровоцировать аварию [41]. Другими словами, до выращивания человеческих органов внутри животных нам еще далеко.

Одно из средств усовершенствования стволовых клеток для целей регенеративной медицины — генетическая модификация. Может даже возникнуть синергичная область, как показал пример Мишеля де Лука из Университета Модены и его команды, совместивших технологии стволовых клеток с генной терапией, чтобы справиться с буллезным эпидермолизом, редким генетическим заболеванием. Заболевание развивается из-за мутаций в любом из нескольких генов, кодирующих белки, которые прикрепляют внешний слой кожи (эпидермис) к нижележащей ткани, и в результате он просто отваливается [42]. Де Лука разработал метод получения стволовых клеток из человеческой кожи, заменил в них болезнетворные гены и вырастил в лаборатории слои здоровой кожи на скаффолдах.

Хирурги из Германии отправили в Модену лоскут кожи размером с большой палец, принадлежащий семилетнему мальчику с буллезным эпидермолизом, и сделали впоследствии пересадку кожи [43]. Через полгода после исходной биопсии мальчик вернулся в школу, ознаменовав триумф данного метода лечения вместе с новыми сведениями о биологии человеческой кожи. Однако вряд ли такой подход на основе комбинирования генной терапии и науки о стволовых клетках станет распространенным, поскольку он персонализированный и дорогостоящий.

Будущее репродукции: преимплантационное тестирование

Хотя мы фокусировались на применении исследований эмбрионального развития в регенеративной медицине, они гораздо больше подойдут для репродукции как таковой. Показательным примером служит тестирование эмбрионов.

Благодаря распространению ЭКО Алан Хэндисайд, Элени Контоджанни, Кейт Харди и Роберт Уинстон из Хаммерсмитского госпиталя в Лондоне применили в 1990 году метод проверки эмбрионов на наличие серьезных генетических расстройств, чтобы не допустить их передачи следующему поколению [44]. Этот тип генетического тестирования выполняется на ДНК, взятой из одной или двух клеток эмбриона, который сам состоит всего из нескольких клеток. Изначально этим методом определяли пол будущего ребенка, что было нужно родителям с наследственными заболеваниями, проявляющимися только у мальчиков, такими как мышечная дистрофия Дюшенна — смертельное заболевание, сопровождающееся потерей мышц и, быть может, самое известное благодаря Лоренцо Одону, чья жизненная история легла в основу фильма «Lorenzo’s Oil» («Масло Лоренцо») 1993 года. Отсеивая эмбрионы мужского пола, то есть несущие L-хромосому, врачи могли гарантировать, что в результате ЭКО у матери родится только девочка, а значит, здоровый ребенок.

Этические аспекты тестирования эмбрионов никогда не были однозначными. Например, они затрагивают вопрос о равенстве. Должна ли пара слепых, глухих или низкорослых из-за ахондроплазии родителей использовать преимплантационную генетическую диагностику (ПГД) для отбора эмбрионов с соответствующей инвалидностью [45]? Но в первую очередь выбор, предлагаемый ПГД, порождает опасную идею о том, что можно контролировать репродукцию для усиления желательных черт личности. На протяжении многих лет возникали вполне понятные сомнения, стоит ли использовать ПГД для отсеивания предрасположенности к заболеваниям и правильно ли отбирать желательные черты, хотя важно подчеркнуть, что генетическая природа многих качеств, таких как интеллект, настолько сложна, что данный метод здесь бесполезен.

Как показали первые случаи применения, ПГД является одним из многих способов выбрать пол ребенка. И сегодня степень искажения пропорции полов в культурах, где сыновья в приоритете, вызывает беспокойство. Пренатальная диагностика и инфантицид привели к тому, что на сто рождений девочек приходится сто десять — сто двадцать рождений мальчиков, хотя в норме должно быть сто четыре — сто шесть [46]. По данным фонда ООН в области народонаселения, в некоторых провинциях Китая на сто девочек рождаются сто тридцать мальчиков.

Репродуктология уже меняет мир, и статистика, собранная Европейским обществом репродукции и эмбриологии человека, свидетельствует о том, что примерно в 2% случаев ПГД используется для «социального установления пола» (social sexing), поскольку в патриархальном обществе предпочтение отдается сыновьям [47]. Хотя ПГД, которая проводится в случае ЭКО, является дорогостоящей процедурой, она, скорее всего, станет более дешевой и распространенной. Если в некоторых культурах отношение к женщинам не изменится, одним из последствий применения репродуктивной технологии может быть то, что этот мир, арифметически говоря, будет становиться все более мужским.

«Дизайнерские дети»

Техника преимплантационного тестирования использовалась также для создания того, что пролайферы[22] презрительно (и ошибочно) называют «дизайнерские дети». По-видимому, этот уничижительный термин был присвоен с целью создать впечатление (разумеется, абсолютно неверное), что родители подбирают себе эмбрионы, как дизайнерские шмотки.

Но селекция — это не то же самое, что дизайн. И в принципе не отличается от отбора здоровых эмбрионов во время рутинной процедуры ЭКО. Создать «дизайнерского ребенка» не также просто, как выбрать в бутике пару туфель, потому что нет единичного гена, который отвечал бы за блондинистость, рост или что там считается чертой идеального ребенка. Безусловно, есть генетические факторы, но они зачастую сложные, и есть много факторов окружающей среды, которые тоже нельзя сбрасывать со счетов.

Преимплантационное тестирование даже по одному дефектному гену — не такая простая процедура, как может показаться. Количество яйцеклеток, которое женщина может произвести зараз, ограниченно. Не все они будут оплодотворены. Не все оплодотворенные яйцеклетки будут развиваться нормально. И даже если из них получатся эмбрионы, преимплантационная диагностика не работает как часы. Далее, лишь крохотная часть эмбрионов, успешно прошедших тестирование, имеет «правильные» характеристики для переноса в матку, поскольку имплантация эмбриона часто заканчивается неудачей. К сожалению, в большинстве случаев ЭКО не работает. Другими словами, идея о том, что ПГД предлагает легкий путь для создания «дизайнерских детей», — это иллюзия. Для пары, решившейся на ЭКО, этот процесс является тяжелым и крайне неэффективным.

Но, по крайней мере, мы можем дать этим парам выбор, которого у них раньше не было. Селекция эмбрионов, безусловно, лучше, чем ситуация, когда женщина беременеет, проходит тест CVS и/или амниоцентез и при обнаружении серьезного заболевания делает аборт.

Преимплантационное тестирование можно расширить до анализа полярных телец, о которых мы говорили ранее, и проверки наличия всех возможных наследственных заболеваний. Важно, что этот метод позволяет проверить у эмбриона количество хромосом. Если эмбрион окажется мозаичным, сможет ли он сам себя починить? Из экспериментов на мышах мы знаем, что это возможно, но у нас по-прежнему нет точных сведений, способны ли на самовосстановление человеческие эмбрионы.

Редактирование эмбриона

У преимплантанионной генетической диагностики есть более радикальная альтернатива — редактирование эмбриона. Чем пытаться отобрать эмбрион без генетических дефектов, не лучше ли откорректировать этот дефект на стадии половой клетки или эмбриона? Десятилетиями генная терапия зародышевой линии, то есть изменение ДНК яйцеклеток и сперматозоидов, вызывала тревогу из-за возможной передачи генетических изменений следующему поколению.

На одной стороне баррикад — те, кто хотел бы запретить подобную процедуру, потому что взаимодействие генов — это сложный процесс, и изъятие определенного так называемого болезнетворного гена может вызвать непредсказуемые побочные эффекты, которые испортят человеческий генофонд. Причина такого беспокойства в том, что, хотя некоторые расстройства, вызываемые единственным геном, хорошо изучены, большинство заболеваний вызваны взаимодействием множества генов с окружающей средой. Более того, многие черты, варьирующие от человека к человеку, такие как интеллект, настолько сложные, что мысль о предсказуемом воздействии на них через геномное редактирование кажется неправдоподобной [48]. На противоположной стороне баррикад находятся прагматики, которые считают, что все это — теоретические риски, которые не должны сдерживать реальный потенциал зародышевой генной терапии, способной уменьшить человеческие страдания.

В последнее время отношение к зародышевой генной терапии поменялось, отчасти благодаря тому, что методы генетических изменений стали более точными, а отчасти (как в случае ЭКО) потому, что недоверие к этой технологии сменилось признанием ее потенциальной пользы. Недавно Наффилдский совет по биоэтике пришел к выводу, что редактирование ДНК человеческого эмбриона с целью воздействия на черты будущего человека («наследуемое геномное редактирование») может быть морально допустимо [49].

В Великобритании Управление по оплодотворению и эмбриологии человека уже одобрило один из таких методов, который позволяет передавать через женщин генетические изменения следующим поколениям. Замена митохондрий была одобрена для того, чтобы избавить некоторые семьи от груза генетических заболеваний. Мы поговорим об этом методе подробнее, поскольку он отражает невероятный уровень тщательности (а так и должно быть), с которой репродуктология подходит к исследованиям.

Замена митохондрий

Митохондриальные болезни обусловлены группой генетических расстройств, которые в худшем случае вызывают слепоту, сердечную недостаточность и смерть. Для облегчения жизни пациентов созданы разнообразные методы терапии, однако для семей, страдающих самыми тяжелыми формами заболевания, важна именно профилактика.

Эмбриолог Мери Герберт и невролог Дуг Тернбулл из Ньюкасла, Англия, занимались продвижением нового метода генной терапии, дающего надежду на исцеление от этих метаболических расстройств. В Ньюкаслском предложении речь шла о детях с расстройствами, которые вызваны ошибками в генах, влияющих на работу митохондрий в качестве клеточных аккумуляторов.

Чтобы предотвратить заболевание, Герберт и Тернбулл хотели заменить дефектные митохондрии на здоровые, убрав из оплодотворенной яйцеклетки пронуклеус (содержащий ДНК матери и отца) и пересадив его в донорскую яйцеклетку женщины с нормально функционирующими митохондриями.

Из донорской яйцеклетки удаляется ДНК, но оставляются донорские митохондрии. Когда пронуклеус помещается в такую энуклеированную яйцеклетку, получается эмбрион с ядерной ДНК из родительских половых клеток, но с митохондриями (и митохондриальной ДНК) донорской яйцеклетки. Таким способом можно остановить наследование митохондриальных болезней, поскольку митохондрии передаются следующему поколению в основном через мать [50].

Закон Великобритании об оплодотворении и эмбриологии человека 1990 года запрещал проводить генетические модификации человеческих эмбрионов. Поэтому Тернбулл и Герберт вместе с политиками и пациентами добивались смягчения этого закона в отношении донорства митохондрий. Во время пересмотра закона в 2008 году было сделано исключение, разрешающее вносить изменение в митохондрии, но только в случае тяжелого заболевания и при условии безопасности процедуры. В 2015 году парламент проголосовал за то, чтобы в принципе разрешить этот вид терапии, а в 2017 году Управление по оплодотворению и эмбриологии человека одобрило донорство митохондрий для лечения пациентов.

За те годы, пока рассматривался вопрос о разрешении данной терапии, был разработан альтернативный метод, протестированный только на мышах, суть которого в том, чтобы изменить митохондриальную ДНК с помощью инструментов геномного редактирования [51]. Здесь имеются в виду ферменты митохондриально-адресованная цинк-пальцевая нуклеаза или митохондриально-адресованная система TALEN (transcription activator-like effector nucleases), которые можно сконструировать для вырезания специфических последовательностей ДНК и использовать для распознавания и удаления мутантной митохондриальной ДНК [52]. Когда ученые ввели эти ферменты с помощью модифицированного вируса в клетки сердечной мышцы, ее метаболизм улучшился. Эта методика может стать еще одним способом лечения митохондриальных болезней — способом, не требующим введения здоровых митохондрий из донорских яйцеклеток.

Геномное редактирование CR1SPR

Улучшение методов геномного редактирования важно не только для моей области, но и для всех биологических наук. Разумеется, генетическая модификация проводилась тысячелетиями с помощью искусственного отбора, но непосредственное манипулирование ДНК стало возможным примерно пятьдесят лет назад и обычно являлось неэффективным.

Серьезный прогресс наступил в 2012 году, когда был придуман высокоэффективный и более точный способ коррекции генетических дефектов. Метод был создан на основе природного механизма, имеющегося у бактерии Streptococcus pyogenes для защиты от вирусных атак. Он известен как CRISPR - аббревиатура от Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats, или короткие палиндромные повторы ДНК, регулярно расположенные группами. Это повторяющиеся последовательности ДНК, формирующие иммунную систему бактерии с набором ферментов Cas (от CRISPR-associated, или ассоциированные с CRISPR), которые под руководством молекул РНК, скопированных у вторгшихся вирусов, разрезают ДНК вируса, чтобы остановить его размножение.

Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли и Эммануэль Шарпантье из Университета Умео в Швеции умудрились трансформировать бактериальную систему CRISPR-Cas9 в простой программируемый инструмент для редактирования генома. Это было выдающееся открытие.

Здесь тоже не обошлось без опасений. Одно из них касается «эффектов мимо цели», когда ДНК разрезается в ненужном месте [53]. Чтобы не допустить подобное и улучшить попадание в цель, были разработаны новые варианты Cas9 [54]. Однако и в нужном месте редактирование может быть неточным. И даже попав в цель и аккуратно отредактировав, можно спровоцировать у некоторых людей иммунный ответ [55].

В США национальные академии наук, инженерии и медицины призывают к осторожности, но подчеркивают, что «предостережение не означает запрещение» [56]. В случае зародышевых линий они рекомендуют редактировать только те гены, которые приводят к тяжелым заболеваниям, и только при отсутствии других подходящих методов лечения.

В ноябре 2018 года Хэ Цзянькуй из Южного университета науки и техники в Шэньчжэне, Китай, нагнал на всех ужас, когда выяснилось, что он предположительно создал первых генномодифицированных детей. Он описал, как с помощью CRISPR/Cas9-технологии изменил гены, кодирующие рецептор, необходимый для проникновения ВИЧ (вирус, который вызывает СПИД) в белые кровяные клетки. Однако этот случай является примером плохой науки и плохой этики, поскольку существуют противоречивые предположения о вероятных молекулярных процессах и последствиях геномного редактирования [57]. Бен Хёрблут отмечает, что данная ситуация «создает возможность и насущную потребность внесения изменений в глобальное управление наукой» [58].

Что касается моей области, геномное редактирование способно улучшить наши представления о работе генов. С его помощью мы изучаем влияние генов на развитие мышиных эмбрионов. Этот метод используется и для человеческих эмбрионов, и первая лицензия на проведение таких экспериментов выдана Управлением по оплодотворению и эмбриологии человека моей коллеге Кэти Ниакан из Института Фрэнсиса Крика в Лондоне.

Чтобы проверить принцип действия, Кэти устранила с помощью геномного редактирования экспрессию гена ОСТ4, о котором мы говорили ранее и который важен для развития плюрипотентности клеток. В результате выяснилось, что ОСТ4 нужен человеческому эмбриону для того, чтобы правильно сформировать бластоцисту, а мышиному — для создания эпибластной линии плюрипотентных клеток в бластоцисте. Это подчеркивает ценность мышиных эмбрионов как модельных систем и одновременно демонстрирует, почему для понимания развития человека надо исследовать именно человеческие эмбрионы.

Это исследование, опубликованное в Nature, является важной вехой; впервые геномное редактирование было использовано для изучения функции генов человеческих эмбрионов [59]. Разобравшись в том, какие гены критически важны для успешного эмбрионального развития, мы сможем установить причины выкидышей. Кроме эмбрионального развития человека, ген ОСТ4 важен для изучения биологии стволовых клеток, поскольку участвует в самообновлении недифференцированных ЭС-клеток.

Вторая половина инноваций

Сегодня мы можем делать в лаборатории невероятные вещи: микрохирургию эмбрионов, проверку наличия болезнетворных генов, замену митохондрий и даже можем попытаться превратить клетки кожи в сперматозоиды и яйцеклетки или в эмбрион. Как я рассказывала в предыдущей главе, мы даже можем создать искусственные эмбрионоподобные структуры из стволовых клеток, чтобы разобраться в том, как эмбрион строит самого себя.

Но важно понимать, что у науки есть пределы. Хотя в последние десятилетия был достигнут значительный успех в снижении материнской смертности, ежегодно сотни женщин умирают от осложнений беременности или родов, таких как кровотечение и инфекция [60]. В основном это происходит в развивающихся странах, где осложнения беременности и родов остаются ведущей причиной смертности девушек подросткового возраста. Большинство таких смертей можно было предотвратить, но науке не справиться с подобной проблемой в одиночку. Требуются деньги и участие политиков.

Однако и в более богатых странах то, что на сегодняшний день может предложить женщинам репродуктология, вызывает, мягко говоря, разочарование. Даже сорок лет спустя ЭКО остается удивительно неэффективной процедурой. Для рождения Луизы Эдвардсу и Стептоу понадобилось десять лет и четыреста шестьдесят семь попыток ЭКО у двухсот пятидесяти пациентов, и сегодня средний уровень успешности этой процедуры у женщин до тридцати пяти лет по-прежнему лишь 29% на каждый цикл [61]. И несмотря на шумиху вокруг скрининга ЭКО-эмбрионов для создания «дизайнерских детей», у этой процедуры есть множество серьезных ограничений, упомянутых ранее, которые замалчиваются и сильно ограничивают ее успех.

Тем временем все больше женщин откладывают беременность, рожая детей под сорок лет и позже. Замораживание яйцеклеток — это один из способов сохранить фертильность и создать семью в будущем. Процедура включает сбор яйцеклеток, их заморозку и последующее размораживание для ЭКО. Хорошая новость в том, что яйцеклетки, замороженные путем витрификации (быстрой заморозки), похоже, имеют такие же шансы на успешное оплодотворение, как и свежие [62]. Так как после тридцати лет фертильность снижается, оптимальное время для сбора яйцеклеток до тридцати пяти лет, однако, согласно статистике, к этой процедуре в основном прибегают тридцативосьмилетние женщины, а многие делают это после сорока лет, когда шансов на будущую беременность еще меньше [63].

Разумеется, появляются новые прогрессивные возможности, такие как замена митохондрий и геномное редактирование. Но важно не терять из виду менее захватывающую работу, такую как повышение эффективности и надежности ЭКО, решение проблемы выкидышей и создание более точных методов тестирования нерожденных детей в первые недели беременности.

Повышение эффективности ЭКО

Хотя успех клиник ЭКО зависит от многих факторов, эта процедура до сих пор остается не столь эффективной. Она приводит к рождению ребенка у четырех из десяти женщин до тридцати пяти лет, но после этого возраста соотношение падает вплоть до одной успешной беременности на десять попыток для женщин старше сорока лет, а среди женщин старше сорока пяти лет лишь 2% становятся матерями в результате этой процедуры [64]. Несмотря на то, что вспомогательная репродукция существует больше сорока лет, более двух третей потенциальных родителей, прошедших цикл ЭКО, в итоге не получают ребенка, и этот факт просто шокирует [65]. ЭКО — это по-прежнему малоэффективная, дорогостоящая и стрессовая процедура. Многим женщинам мучительно осознавать, что очередная попытка ЭКО закончилась ничем.

Если оставить в стороне тот факт, что одни клиники ЭКО более квалифицированны, чем другие, в настоящее время предпринимаются усилия по улучшению технологии. Кое-что женщины делают сами, делясь на форумах секретами увеличения шансов на успех. Многое из этого — не более чем суеверия вроде употребления бразильских орехов, гранатового сока, жареной картошки, ананасовых огрызков и даже ношения носков. Не думаю, что доктора мешают пациенткам делать то, что помогает им успокоиться, если оно безвредно. Некоторые женщины пробуют акупунктуру, но, несмотря на иллюзию успеха, исследования показывают, что нет, акупунктура не работает [66]. Но есть исследования, согласно которым женщины, употребляющие в пищу больше свежих овощей, фруктов, цельных злаков, рыбы, оливкового масла и меньше красного мяса, имеют на две трети больше шансов забеременеть и родить, чем женщины, которые не придерживаются такой средиземноморской диеты [67].

Врачи — всего лишь люди, и у них тоже бывают свои ритуалы. Будучи ярым приверженцем научных доказательств, я рада, что хотя бы некоторые из них разоблачаются как суеверия. Например, существует техника «царапания эндометрия», когда перед проведением ЭКО на выстилающую оболочку матки наносится царапина или делается биопсия ткани. Есть и другое дополнительное и не бесплатное лечение, которое назначается пациентам для повышения успешности ЭКО. Однако крупное рандомизированное исследование показало, что все это не имеет никакой ценности и не связано с увеличением вероятности беременности и рождения детей [68].

Уже давно известно, что главный фактор успешности ЭКО — возраст женщины. Врачи советуют парам, планирующим одного ребенка, начинать попытки ЭКО, когда женщине меньше тридцати пяти лет, планирующим двух детей — когда женщине максимум тридцать один год, и трех детей — когда женщине двадцать восемь лет [69]. Поскольку мужчинам не свойственно такое строгое снижение фертильности, возраст женщины традиционно был в фокусе внимания, а период от двадцати до тридцати пяти лет остается самым безопасным для деторождения [70].

Но теперь появились доказательства, что возраст мужчины тоже имеет значение. Анализ девятнадцати тысяч циклов (количество пар: семь тысяч семьсот пятьдесят три), проведенных в центре ЭКО в Бостонском регионе в 2000—2014 годах, показал, что кумулятивный показатель рождаемости падает с увеличением возраста мужчин. Например, среди пар, где женщине меньше тридцати лет, а мужчине сорок — сорок два года, показатель рождаемости был ниже (46%), чем среди пар, где женщине меньше тридцати лет, а мужчине тридцать — тридцать пять лет (73%) [71]. Оказывается, у мужчин своя версия биологических часов.

Некоторые женщины бесплодны, поскольку их яйцеклетки не созревают должным образом, и в этом случае ЭКО бессильно. Но с каждым годом мы получаем все больше сведений о механизмах созревания яйцеклетки, в основном из исследований мышиных ооцитов, которые позволяют понять причины анеуплоидии яйцеклеток и потери беременности, и мы все чаще исследуем человеческие яйцеклетки тоже [72].

Как только яйцеклетка оплодотворяется, критическое значение приобретает питательная среда, в которой будет расти эмбрион. Среда может повлиять на правильность его развития. Разумеется, здесь очень важны методы оценки здоровья эмбриона, и приятно осознавать, что методика таймлапсов, разработанная нами для съемки эмбрионального развития мышей, используется сегодня для визуализации развития человеческих эмбрионов. Более мощное оборудование, эмбриоскоп (EmbryоScope), используемый нами в лаборатории, взят на вооружение некоторыми клиниками ЭКО для мониторинга развития эмбрионов — мониторинга, при котором их не нужно извлекать из инкубаторов. В то время как нездоровый эмбрион легко узнать по фрагментированным или слишком малочисленным клеткам, труднее определить, какой из нормально выглядящих эмбрионов имеет больше всего шансов на успешное развитие после переноса в матку. Съемка развития позволяет без извлечения из инкубатора установить, в какой момент эмбрионы достигают каждого критического периода в процессе шестидневного развития in vitro, и выбрать для переноса в организм матери самый перспективный экземпляр.

Но даже в этом случае методика является субъективной. Поэтому, на мой взгляд, нам нужен объективный, быстрый и простой способ оценки потенциала развития эмбриона. Что-то подобное используется в наших исследованиях и вскоре может стать полноценной методикой.

Как многое в науке, все началось со случайного наблюдения за движениями цитоплазмы яйцеклетки вскоре после оплодотворения. Это привело нас к сотрудничеству с Крисом Грэхемом, который был моим наставником во время проведения диссертационных исследований в Оксфорде, а также с командой математиков из Оксфордского отделения зоологии.

Чтобы проанализировать это движение, Крис представил нам новую технологию под названием «велосиметрия по изображениям частиц», разработанную для того, чтобы, например, отслеживать потоки воздуха, когда по небу проносятся облака. Эта технология позволила отследить движение частиц в яйцеклетке, и оказалось, что потоки цитоплазмы начинаются в виде струйки в месте проникновения сперматозоида, а затем продолжаются несколько часов в колеблющейся манере [73]. Мы выяснили, что эти потоки рождаются в ответ на колебания уровня ионов кальция, высвобождаемых в цитоплазму яйцеклетки после оплодотворения.

Хорошо известно, что для развития яйцеклетки необходим нормальный уровень кальция, но до появления этой новой технологии невозможно было оценить его уровень неинвазивным путем, то есть так, чтобы это не повлияло на развивающуюся яйцеклетку. Выяснилось, что по паттернам потоков цитоплазмы (их частоте и размеру) можно предсказать, получится ли из данной яйцеклетки здоровая мышь [74]. Карлу Свану из Кардиффского университета стало любопытно, есть ли такие же потоки в человеческой яйцеклетке, — и оказалось, что есть. Это потрясающе, ведь измерение потоков — полностью неинвазивный и объективный (количественный) способ предсказать жизнеспособность яйцеклеток, оплодотворенных in vitro, и тем самым значительно улучшить перспективы ЭКО.

Следующая проблема — внедрение данного подхода в клиники ЭКО, ведь для этого нужна более совершенная микроскопия, чем та, что применяется в них сегодня. В сочетании с другими технологиями для определения здоровья эмбриона (например, изучением его метаболизма и химического состава) этот подход может оказаться бесценным в ситуации, когда понадобится решить, какой из эмбрионов лучше подсадить матери [75].

Конечно, здоровье эмбриона не гарантирует беременность. Еще одна причина низкой успешности ЭКО — проблема с имплантацией, когда эмбрион для продолжения развития должен прикрепиться к выстилке матки. Наш метод помогает оценить здоровье эмбриона, что важно, но бесполезен, когда особенности организма матери затрудняют принятие эмбриона.

Есть разногласия по поводу того, одинаковы ли шансы на развитие у эмбрионов, достигших стадии бластоцисты на шестой день культивирования in vitro, и у эмбрионов, достигших этой стадии на пятый день. Сегодня это можно проверить. Моя коллега по лаборатории Марта Шахбази в сотрудничестве с Эмре Салли, Ричардом Скоттом и его командой из IVIRMA[23] , штат Нью-Джерси, показали, что человеческие эмбрионы, достигающие стадии бластоцисты in vitro за пять дней, развиваются лучше тех, которые достигают ее за шесть. С помощью этого метода можно улучшить условия культивирования при ЭКО, если установить пока неизвестные химические сигналы, которыми в разное время пользуется эмбрион.

Для повышения успешности процедуры ЭКО определенно нужно больше новых технологий, но даже при том, что многие из них уже разработаны, надо провести больше правильно организованных клинических испытаний, чтобы выбрать наиболее эффективные [76].

Хромосомные аномалии

Следующая причина провала ЭКО — ситуация, когда используются аномальные эмбрионы, зачастую те, что содержат клетки с неправильным количеством хромосом из-за ошибок митоза или мейоза [77]. После рождения Саймона, когда моя лаборатория выяснила, что существует механизм, который может компенсировать хромосомные аномалии, если в эмбрионе присутствует достаточное количество нормальных клеток, я задумалась о значении этого механизма самовосстановления для клиник.

Неспособность производить полностью нормальные эмбрионы (что определяется генетическим тестированием) для огромного количества женщин, проходящих ЭКО, означает конец репродуктивного периода. Считается, что в одних только США десятки тысяч эмбрионов могли быть отнесены к аномальным, имея лишь несколько аномальных клеток, и уничтожены, и это всего за один год [78].

По результатам многих исследований неожиданно большое количество человеческих эмбрионов содержат аномальные клетки. Такие мозаики из нормальных и аномальных клеток имеются у 30% ЭКО-эмбрионов [79]. Более того, оказалось, что женщины, проходящие ЭКО, рискуют меньше, чем принято считать, когда совершают немыслимое и имплантируют себе эмбрион, который, по результатам генетического тестирования, является мозаичным [80].

Если открытое нами самовосстановление мышиных эмбрионов верно и для человеческих, то часть (возможно, небольшая, но все же значительная, когда речь идет о родительских парах) из многих тысяч человеческих эмбрионов, отбраковываемых ежегодно, вполне могла вырасти в здоровых детей. Больно представить, сколько было таких пар, которые производили только частично аномальные эмбрионы и в итоге сдались.

Генетическое тестирование анеуплоидии подразумевает извлечение из эмбриона одной или нескольких клеток. Но если не все клетки человеческого эмбриона идентичны друг другу (как выяснилось в случае мышей), и одни клетки могут иметь больший потенциал развития, чем другие, важно, какие именно клетки берутся для тестирования. Действительно, было доказано, что биопсия эмбриона на ранней стадии снижает вероятность успешного ЭКО у женщин старшего возраста [81].

Но есть и другие проблемы, связанные с биопсией на поздней стадии бластоцисты, когда берутся клетки из трофэктодермы. Все потому, что клетки трофэктодермы не всегда отражают хромосомный состав внутренней клеточной массы, из которой развивается эмбрион [82]. Наши исследования мышиных эмбрионов показали, что, хотя во внутренней клеточной массе аномальные клетки подвергаются уничтожению путем апоптоза, в трофэктодерме подобная «зачистка» не происходит, и аномальные клетки не умирают, а просто замедляют свое деление.

Ситуация еще больше осложняется тем, что результаты тестов могут не совпадать. В исследовании описывается, как в одной лаборатории обнаружили анеуплоидию у одиннадцати эмбрионов, зато в другой такие же хромосомные аномалии были найдены только у одной пятой из этих эмбрионов, и лишь половина эмбрионов имели идентичные хромосомные профили [83]. Другими словами, многие эмбрионы, считающиеся аномальными, в действительности были мозаичными.

Благодаря этим сведениям по крайней мере некоторые клиники ЭКО меняют свою практику. Появились клиники, которые подсаживают мозаичные эмбрионы, если те выглядят нормальными, утверждая, что у эмбрионов есть шанс самостоятельно откорректироваться и развиваться как обычно. В 2017 году команда итальянских ученых сообщила о том, что перенос «аномальных» в плане набора хромосом эмбрионов может привести к здоровой беременности в зависимости от степени мозаичности и анеуплоидии [84].

Обычно мозаичные эмбрионы обнаруживаются в процессе эмбрионального скрининга, и когда в отсутствие другого выбора их решают использовать, больше родителей выигрывают от ЭКО [85]. Отрадно осознавать, что эксперименты моей команды с мышиными эмбрионами, вдохновленные историей моего Саймона, помогли разобраться в том, почему мозаичные эмбрионы могут развиваться нормально.

Диагностика беременности

Биопсия ворсинок хориона, CVS и амниоцентез являются инвазивными тестами и проводятся во второй триместр беременности (например, по нормам британской Национальной службы здравоохранения, диагностика аномалий проводится на восемнадцатой — двадцать первой неделе). Если обнаруживается проблема, перед матерью встает тяжкий выбор [86]. Разрабатываются альтернативные методы диагностики, позволяющие проводить скрининг в первом триместре, когда процедура прерывания беременности более безопасна.

Впервые красные кровяные клетки плода в материнском кровотоке были обнаружены в 1959 году, но только через десятки лет, в 1990 году, их удалось выделить, тем самым обеспечив потенциал их использования в неинвазивной пренатальной диагностике [87]. И лишь недавно, когда мы научились читать весь генетический код отдельной клетки, открылись возможности для пренатального скрининга по образцу материнской крови, что потенциально могло бы покончить с инвазивными методами вроде CVS и амниоцентеза.

Информационная РНК, циркулирующая в крови беременной женщины, уже используется для отслеживания развития тканей плода в третьем триместре [88]. К счастью, дородовый анализ крови, который можно проводить раньше, становится все более надежным и распространенным. В один прекрасный день генетический материал эмбриона, циркулирующий в материнской крови, станет использоваться для выявления проблем на ранних стадиях беременности.

Баланс репродуктологии

Мы все отягощены мнением и точкой зрения, которые могут влиять на то, что мы делаем. Здоровые люди веками проектировали здания, в которых людям с ограниченными возможностями нелегко жить и работать. Мужья веками считали, что если у них не получается иметь детей, то в этом виновата жена, и таких женщин клеймили позором.

Пока с одними членами общества поступали несправедливо из-за количества имеющихся у них X-хромосом, других наказывали за цвет кожи. В 1932 году, отражая расовые предрассудки того времени, Американская служба здравоохранения на базе Института Таскиги приступила к «Исследованию нелеченого сифилиса у чернокожих мужчин города Таскиги»; выяснилось, что триста девяносто девять больных сифилисом не получали никакого лечения — и даже когда в 1947 году стал доступен пенициллин, исследователи не предложили его своим испытуемым [89]. Мне до сих пор трудно в это поверить.

Проблема не в науке, а в культуре. Человеческое общество разнообразно, и мы должны радоваться этому и ценить силу этого качества. Когда в творческом процессе нет разнообразия, все неизбежно заканчивается формированием единственного, ограниченного и искаженного взгляда, тормозящего прогресс. В создании ребенка принимают участие и мужчина, и женщина (по крайней мере, какое-то время), и если мы хотим вывести репродуктологию на новый уровень, обогатить ее большим числом людей и более разнообразным и широким мышлением, нам нужно сбалансировать программу исследований. Когда речь идет об исследователях, необходимо равноправие.

Кто знает, каким бы был наш мир, если бы такие пионеры, как Хильда Мангольд и Розалинд Франклин[24] не умерли трагически в столь молодом возрасте. Заманчиво думать, что репродуктология была бы больше сосредоточена на том, как сделать воспроизводство более легким и комфортным для женщин.

Но все прекрасно понимают, что доживи Мангольд, Франклин и подобные им выдающиеся женщины до старости, вряд ли чаша весов сдвинулась бы от мужского контроля в сторону расширения женских прав и возможностей. Правда в том, что героическое повествование о гениальном ученом, трагически погибшем в молодом возрасте, может пересказываться бесконечно, как в случае Алана Тьюринга, Шринивасы Рамануджана и Блеза Паскаля. Многие талантливые женщины, погибшие прежде, чем реализовать весь свой потенциал, только в последние годы начали выходить из тьмы истории. С Ранней Античности шла борьба за признание вклада женщин в развитие общества. Борьба за то, чтобы женщины пользовались заслуженным уважением и руководили своей репродуктивной судьбой, началась с рождения эмбриологии две тысячи лет назад.