Navikli smo razmišljati o sebi kao o gotovom proizvodu. Finiš možda nije baš onakav kakav bismo željeli, ali oko njega se ne može zaobići. Iz jednog oplođenog jajašca razvijamo se u procesu uzastopnog stvaranja stanica i tkiva dok ne dođemo na ovaj svijet, trgajući se vrišteći i slinimo. I od tog trenutka započinje duga i uobičajena priča, koja završava bez zuba, "bez očiju, bez okusa, bez svega".
Ali ova stara davna Shakespeareova priča o propadanju, oronulosti, propadanju i, kao rezultat toga, zaboravu više nije točan odraz stvarnosti. Sada imamo sredstva za popravak i zamjenu oštećenog tkiva. Govorim iz osobnog iskustva. Tijekom posljednjih nekoliko mjeseci promatrao sam kako se dio mojega tijela koji mi je izrezan iz ruke pretvara u strukturu koja se naziva "organoid", minijaturni organ. U mom slučaju, to je postala struktura koju neki nazivaju mini-mozak - otprilike je veličine smrznutog graška i pokazuje mnoga obilježja pravog mozga koji raste u intrauterinom fetusu. Vidio sam dokaze da neuroni u takvom tkivu mogu ispaliti bljeskove, međusobno slajući signale. Bilo bi previše poetično nazivati ove signale mislima,ali oni su "supstancija misli".
Moje bi tijelo moglo biti nešto drugo ako bi znanstvenici donijeli takvu odluku. Mogla bi postati organela bubrega ili struktura slična nekom dijelu srca ili gušterače. Mogao bi se pretvoriti u tkivo osjetljivo na svjetlost poput mrežnice. Na temelju dostupnih dokaza utvrđeno je da bi ona mogla postati jajašce, sperma ili nešto poput pravog embrija, početak živog bića. Mogla bi postati bilo koji dio ili svi dijelovi "mene". Slijedom toga, postoji tehnologija koja omogućuje uzburkivanje maštarija i postavljanje primamljive ideje za varanje smrti obnavljanjem bolesnog organizma ili čak stvaranjem novog, uzgojenog u laboratoriju, "koji će zamijeniti" stari.
U godini 200. obljetnice objavljivanja romana Mary Shelley Frankenstein, bilo bi lako sve predstaviti u grotesknom, ako ne i apokaliptičnom obliku. Recimo da zamišljamo ljude koji se uzgajaju po narudžbi u tikvicama poput Centralnog mrijestilišta u distopijskom romanu Aldousa Huxleyja Hrabri novi svijet. Ali moji mini mozgovi (ima ih nekoliko) uzgajani su iz dobrog razloga. Dio su projekta Created Out of Mind, koji financira Wellcome Trust, neovisna međunarodna dobrotvorna organizacija, čiji je cilj proširiti naše znanje o demenciji i principima brige o onima koji pate od nje. Istraživači koji su stvorili ove organele proučavaju genetske osnove neurodegenerativnih poremećaja koji uzrokuju demenciju. U ovom će se istraživanju koristiti moj mini mozak, što znači da će vjerojatno bitiće jednog dana pomoći usporiti proces isključivanja mozga kod drugih ljudi.
* * *
Postoje životinje, poput daždevnjaka, koje su sposobne obnoviti cijeli izgubljeni ud, koji se sastoji od tkiva mnogih vrsta. Naše je ljudsko tijelo sposobno regenerirati kožu kad zacjeljuju male rane, ali u suprotnom, u najboljem je slučaju u stanju stvoriti samo pojedinačne male "mrlje" od grubog ožiljnog tkiva. Ali ako organ otkaže, ne može se obnoviti i umire. Možemo preživjeti s donatorskim kalemom ili s mehaničkom protezom. Ali uzgoj tkiva za dobivanje različitih vrsta stanica i, možda, kao rezultat toga - cijelih minijaturnih organela sada omogućuje mogućnost regeneracije koju, na primjer, daždevnjak, ima na raspolaganju ljudima. Ove tehnike ne samo da imaju neodoljiv potencijal u medicini, već i pobijaju vjerovanja koja su se stvarala tijekom godina.
Ako ovo zvuči užasno i obeshrabrujuće, to je samo zato što nismo usvojili istinu zbog koje nas je Frankenstein natjerao da pogledamo u oči. Ta je istina da smo sazdani od materije i da ona nekako nadilazi sebe i stvara um koji viri iz svoje ljuske. Još uvijek ne znamo gdje je u ovom stvorenju, sazdanom od mesa, njegova suština, njegovo "ja". Nove znanosti "staničnog reprogramiranja" drmaju ideju o tome kao nikada prije - u obliku u kojem su mi urezane u svijest, doslovno intuitivno.
Prošlog srpnja znanstvenici s Instituta za neurologiju Sveučilišnog koledža u Londonu (UCL) izrezali su mi mali komad mekog tkiva s desnog ramena. To je učinjeno u blagoj lokalnoj anesteziji i nisam osjećao ništa. Stanice potkožnog sloja bile su važan element ove biopsije. Zovu se fibroblasti i glavni su "izvori" vezivnog tkiva u tijelu. Oni tvore kožu i ključne su stanice uključene u zacjeljivanje rana. Neuroznanstvenici UCL-a Selina Wray i Christopher Lovejoy uzeli su mi fibroblaste i stavili ih u male Petrijeve zdjelice s crvenom otopinom koja je sadržavala hranjive sastojke neophodne za rast stanica.
Promotivni video:
Dva mjeseca kasnije, mogao sam kroz mikroskop pogledati koloniju fibroblasta koja je rasla iz tamne mase komada tkiva u mojoj ruci. Te izdužene stanične strukture niču iz tkiva ujednačenim redovima, kao da ciljaju nekamo.
Pa koliko je uistinu novo bilo ono što sam vidio? U naše je vrijeme osnovna sposobnost uzgoja stanica u kulturi već odavno poznata umjetnost. Treba priznati da se nekad smatralo čudom, koje se odlikovalo posebnom tajnom. Kada je 1912. francuski kirurg Alexis Carrel prvi put objavio da je uzgojio "besmrtne" stanice iz tkiva pilećeg srca, novine su počele tiskati senzacionalne članke da smrt više nije neizbježna. Pokazalo se da su ti senzacionalni članci pretjerano pretjerani. Ali uzgoj "mini-mozga" iz stanica uzetih s moje kože potpuno je drugačiji poduhvat od uobičajenog uzgoja ubranih stanica.
Ray i Lovejoy morat će transformirati moje fibroblaste kože u neurone - moždane stanice. To čine u dva koraka. Prvo će ih pretvoriti u stanicu koja može stvoriti bilo koje tkivo tijekom razvoja, a zatim ih usmjeriti tako da se pretvore u stanice potrebnog tipa. Da biste razumjeli kako se to događa, trebali biste znati da sve žive stanice u ljudskom tijelu sadrže isti cjeloviti set "uputa" - kodiranih u DNA, koje se nalaze u 23 para kromosoma i podijeljene su u dijelove koji se nazivaju geni, od kojih svaki djeluje u našim biokemijskim procesima određena funkcija. U osnovi, svaka stanica ima isti cjeloviti kod kao i sve ostale. Naravno, u zrelom organizmu različite vrste stanica zapravo obavljaju različite zadatke. Zbog toga se različiti geni "uključuju" i "isključuju". Upravo s takvom sklopkom nastaje stanica jedne vrste (mozak, koža, mišići, stanice jetre i tako dalje), a ne druga.
Veći dio ove promjene gena (ili "regulacije") provode molekule proteina zvane transkripcijski faktori. Oni su sami kodirani u genima: to jest, sam genom sadrži upute za stvaranje transkripcijskih čimbenika koji ga reguliraju. Da bi regulirale aktivnost gena, naše stanice cijelo vrijeme stvaraju različite faktore transkripcije. Zbog toga se različite vrste stanica ponašaju različito. Uz to, zamjenom gena, jedno oplođeno jaje može se pretvoriti u organizam sastavljen od mnogo različitih tkiva.
Najstarije stanice u rastućem embriju, nazvane embrionalne matične stanice, mogu se razviti u tkiva bilo koje vrste: za njih se kaže da su "pluripotentne", a možemo reći da i dalje sadrže sav svoj genetski potencijal. No, kako se embrij pretvara u fetus, a zatim u dijete, stanice se počinju organizirati i na pravom mjestu diferencirati u tipove stanica sa specifičnom funkcijom - srce, jetra, moždane stanice.
Možemo se miješati u programiranje ponašanja stanica. Na primjer, u slučaju genske terapije, čiji je cilj popraviti "neispravan" gen dodavanjem stanicama dodatni, mali komad DNA koji kodira normalno funkcionirajući oblik tog gena.
Ali uzgoj "mini-mozga" iz tkiva izrezanog iz ruke zahtijeva nešto impresivnije od pukog "popravljanja" nekih genetskih uputa stanice. Ovaj postupak započinje potpunim "ponovnim pokretanjem" programa stanice - najvjerojatnije, resetiranjem svih onih prekidača za uključivanje / isključivanje koji definiraju specifičnu svrhu stanice. Ispada da se to može učiniti samo pomoću nekoliko specifičnih čimbenika transkripcije. Ray i Lovejoy ubacuju gene koji kodiraju i proizvode ove čimbenike - male dijelove DNA - u stanice uzete iz moje ruke, koristeći slaba električna polja. Pod njihovim utjecajem na staničnim se membranama neko vrijeme stvaraju rupe kroz koje se može provući dodatna DNA.
Uz pomoć ovih biokemijskih "poruka" koje su Lovejoy i Ray poslali mojim fibroblastima, te su se stanice vratile u stanje matičnih stanica, slično stanicama ranog embrija, sposobnim za transformaciju u tkiva bilo koje vrste. Zovu se inducirane pluripotentne matične stanice. Znanstvenici ih dobivaju iz ljudskih stanica od 2007. godine. Do tada je većina stručnjaka to smatrala nemogućim.
* * *
Osoba koja se predomislila u vezi s ovim problemom bio je japanski znanstvenik Shinya Yamanaka. Nije radio na polju stanične biologije, već u kliničkoj medicini, i, vjerojatno, zato mu je bilo lakše razmišljati o nečemu nevjerojatnom i razmišljati o tome je li moguće već diferencirane stanice reprogramirati u matične stanice.
Još 1960-ih eksperimenti na žabama pružili su prve podatke koji ukazuju na to da se fiksacija stanica može obrnuti. Britanski biolog John Gurdon uzeo je jaja žaba, uklonio im kromosome i umetnuo kromosome uzete iz stanica odraslih žaba. Ta se jajašca, kako se ispostavilo, tada mogla oploditi i iz njih uzgajati punoglavce i žabe. Kromosomi, koji su u stanicama odraslih bili regulirani (svim tim kemijskim uključivanjem i isključivanjem) da obavljaju određene funkcije, očito su se pomlađivali unutar jajašaca, tako da su mogli ponovno usmjeriti rast svih vrsta novih životinjskih tkiva. Ova metoda prijenosa kromosoma iz odraslih stanica korištena je 1996. godine za kloniranje ovce Dolly.
S obzirom na prethodno uspješne rezultate, Yamanaka je počeo analizirati transkripcijske čimbenike koji su proizvedeni u embrionalnim matičnim stanicama. Možda je, umjesto da shvatimo što se točno dogodilo s kromosomima diferenciranih stanica, uhvativši specifične obrasce njihove genske aktivnosti, a zatim sve to pokušati preokrenuti, dovoljno je samo dodati novu dozu tih čimbenika kako bi stanice "uvjerile" da su matične stanice? Ta se hipoteza činila spekulativnom, ali uspjela je. Yamanaka je otkrio da ako se geni koji kodiraju neke od ovih čimbenika dodaju diferenciranim ljudskim stanicama (na kraju se ispostavilo da su dovoljne samo četiri), te se stanice vraćaju u stanje slično matičnim stanicama.
Zahvaljujući ovom otkriću postalo je moguće stvoriti tkiva i, možda, cijele organe u laboratoriju. Ako uzgajate tkiva ili organe iz vlastitih stanica primatelja (recimo, iz fibroblasta u uzorku tkiva uzetom iz moje ruke), tada neće nastati nikakvi problemi koji nastaju uslijed odbacivanja donatorskog kalema od strane imunološkog sustava. Štoviše, umjetno uzgojena ljudska tkiva mogla bi se koristiti za ispitivanje toksičnosti lijekova - bez testiranja na životinjama. Činjenica je da testovi na životinjama ne samo da daju dvosmislene rezultate, već ih se također ne može uvijek primijeniti, jer drugi živi organizmi nisu uvijek prikladni za ispitivanje ljudskog odgovora.
Praktični potencijal ovog otkrića bio je ogroman. Ali osim toga, Yamanaka je otkrio i važniju istinu. Naša su tkiva i tijela fleksibilnija nego što smo mislili. Vaša meka tkiva i kosti mogu se transformirati u druge vrste tkiva. Kost se može stvoriti od stanica dojke, mozak od krvnih stanica. Iznenada je postalo jasno da je cijela nepromjenjivost struktura ljudskog tijela dovedena u pitanje.
Ne žurite se, čeka vas još čudnije.
* * *
Neposredno prije Božića, šest mjeseci nakon početka našeg eksperimenta, Ray i Lovejoy pokazali su mi matične stanice dobivene iz mojih fibroblasta. Nestale su one duguljaste formacije koje sam prije vidio. U posudi s hranjivom otopinom sada su bile kompaktne nakupine manjih stanica. Koristeći molekularne markere koji se vežu za određene proteine i svijetle u različitim bojama kad je svjetlost usmjerena na njih, znanstvenici su uspjeli pokazati da su geni matičnih stanica sada uključeni. Prva faza je završena; sljedeći je korak bio prisiliti stanice da se pretvore u neurone.
Tipično je da matične stanice trebaju biti ciljano transformirane u određenu vrstu tkiva pomoću kemijskih okidača - na primjer, dodavanjem više transkripcijskih faktora specifičnih za ciljne stanice. No stvaranje neurona relativno je jednostavno, jer se čini da su zadani: ako se matične stanice u laboratoriju počnu spontano razlikovati, velike su šanse da će se pretvoriti u neurone. Zapravo sam neke znakove toga vidio čak i u vlastitom uzorku tkiva. Tu i tamo mogle su se vidjeti pojedinačne stanice odvojene od kompaktne nakupine. Primijetio sam da je jedna od tih pojedinačnih stanica počela nicati - duge, tanke grane koje imaju živčane stanice i koje obično završavaju u sinapsama, gdje ti neuroni međusobno prenose električne signale.
Kad bi se ove inducirane matične stanice jednostavno pretvorile u nakupine identičnih neurona, malo bi bilo razloga da nastala tkiva nazovemo "mini-mozgovima". Naš mozak uopće nije takav. To su složene strukture koje sadrže nekoliko različitih vrsta neurona koji proizvode električne signale. Ostale moždane stanice nisu neuroni - na primjer, glija stanice, koje pomažu u strukturiranju mozga i obavljanju prateće, zaštitne, trofičke i druge funkcije. Postoje i neuronske matične stanice - djelomično diferencirane matične stanice usredotočene na stvaranje različitih vrsta moždanih stanica koje pružaju mozgu sposobnost prilagodbe promjenjivim okolnostima - a ponekad i djelomično obnavljaju oštećene funkcije.
Zajedno s pitanjem raznolikosti stanica u moždanom tkivu, postavlja se pitanje kako sve one djeluju. Mozak sadrži razne strukture i, što je nevjerojatno, mini mozak replicira neke od njih. Ova organizacija tkiva sugerira da sami neuroni i druge vrste moždanih stanica "znaju" kako se organizirati da formiraju mozak. Ponekad ovo poravnanje stanica uključuje stvarno kretanje stanice: stanice se kreću jedna oko druge kako bi pronašle svoje točno mjesto - obično pored drugih stanica svog tipa. Ali takvo „samosastavljanje“zahtijeva orijentire, a organi koji se razvijaju u embriju koriste okolna tkiva kao sustav orijentira. Na primjer, moždane stanice trebaju takve signale kako bi znale gdje bi moždana stabljika trebala "rasti" ili kako bi se razlikovao prednji mozak od leđa.
Mini-mozak ima određenu strukturu, ali ne poprima sasvim ispravan oblik. Primjerice, tvori medularne cijevi - ali ako se samo jedna od njih pojavi i kreće se niz kralježnicu u pravom embrionalnom mozgu kako bi stvorila središnji živčani sustav, mini-mozak nasumce stvara nekoliko cijevi - to je kao da traži kralježnicu koja ne postoji.
Iz tog razloga, neki znanstvenici s pravom prigovaraju nazivanju neuronskog organoida "mini mozgom". Ali ako organele nisu mozak u pravom smislu riječi, oni "čine" sve što mogu da postanu one. A znanstvenici koji su uključeni u njihovu izradu vjerojatno će stvoriti strukture koje će doista biti sličnije mozgu kad pronađu načine za oponašanje nekih "orijentacijskih" pravaca u petrijevoj zdjelici.
Moj mini-mozak nema takvih prednosti - to će biti samo okvirna skica mozga. Ali, na ovaj ili onaj način, živ je. A neuroni mogu međusobno komunicirati slanjem električnih signala. Ray to planira demonstrirati pomoću posebnih metoda za otkrivanje rafala kalcijevih iona koji se oslobađaju na spojevima sinapsi, sličnih onima viđenim u tkivu pravog mozga. Mene osobno nije briga što su to "misli". Mene više brine to što je sve što se trenutno događa u mom (stvarnom) mozgu rezultat (koliko znamo) upravo takvog procesa.
Uzgoj organela poput mini-mozga izvan tijela potencijalno je samo prvi korak u regeneraciji tijela. Sposobnost uzgoja tkiva u laboratoriju čini se korisnom, pa čak i vitalnom - zamislite gušteraču uzgojenu u laboratoriju iz dijabetičkih stanica, ali genetski "uređenu" i sposobnu za proizvodnju inzulina. Ali potpuno oblikovani organi trebaju opskrbu krvlju, a mi ne znamo kako je osigurati u kulturi stanica u laboratoriju. A neka tkiva uzgojena u staničnoj kulturi, poput moždanog tkiva ili srčanog mišića, ne mogu se jednostavno postaviti - ona moraju biti potpuno integrirana u postojeće stanične sustave. A također ne znamo kako to učiniti.
Istina, sada znanstvenici proučavaju mogućnost uzgoja novih tkiva izravno u tijelu. Da bi to učinili, mogli bi se koristiti istim metodama koje se koriste za reprogramiranje stanica kako bi se vratile u stanje slično stanju matičnih stanica, a zatim ih usmjeravali na stjecanje novih karakteristika. Takvo se "reprogramiranje in vivo" već provodi u pokusima na miševima - stanice jetre pretvaraju se, na primjer, u stanice gušterače ili stanice srčanih fibroblasta - u stanice pejsmejkera.
No, postupak u dva koraka pretvaranja normalne stanice u matičnu, a zatim u drugu vrstu stanice, koji su predložili Ray i Lovejoy, pun je rizika ako to učinite izravno u tijelu. Matične stanice, koje se mogu pretvoriti u različita tkiva, mogu biti sklone pretvaranju u stanice raka. Ali, izvanredno, znanstvenici su otkrili da bi pravilnom kombinacijom transkripcijskih faktora i molekularnih signala mogli "preskočiti" stadij matičnih stanica, odnosno stupanj pluripotencije, i prebaciti jednu vrstu zrelih stanica izravno na drugu. Recimo, stvorimo neurone izravno iz krvnih stanica. Umjesto da odgodite razvoj stanica, a zatim ponovno pokrenete njihov razvoj u drugom smjeru, jednostavno skočite u stranu i prebacite se na drugu vrstu tkiva. Ohrabrujuća su ispitivanja na životinjamaa sada se rješava pitanje provođenja kliničkih ispitivanja na ljudima u regeneraciji oštećenog srčanog mišića.
Mogućnosti za ovu vrstu reprogramiranja stanica u tijelu su zapanjujuće. Naše će tijelo jednog dana steći sposobnost regeneracije - poput onih daždevnjaka koji obnavljaju izgubljene udove. Područja mozga oštećena ozljedama ili bolestima, poput Alzheimerove bolesti, mogu se popraviti odabirom ne-neuronskih moždanih stanica (poput glija stanica) i pretvaranjem u funkcionalne neurone. A budući da su ove stanice stvorene na mjestu njihove izvorne lokalizacije, barem je moguće da će se bolje integrirati u okolni stanični sustav. U svakom se slučaju to događa kada se srčani mišić reprogramira - on se sinkronizira sinkronizirano s ostatkom srca.
* * *
Pored potencijalnih primjena u medicini, ova otkrića ukazuju na potrebu preispitivanja vašeg razumijevanja živog organizma. Ako jetra može postati mišić, krv može postati mozak, a koža se može pretvoriti u koštano tkivo, kako bismo onda trebali razmišljati o svom smrtnom životu i odlasku u drugi svijet? Naravno, rane mogu zacijeliti, kosa može ponovno narasti - ali već smo vjerovali da imamo samo jedno tijelo. No kad stanice postanu potpuno svestrane i sposobne za prilagodbu, više nije potpuno jasno je li to zapravo slučaj.
Što je onda ljudska bit - biološko "ja"? To očito nije ono na što tvrtke za genetsko testiranje poput 23andMe inzistiraju da vas "čine onim što jeste", već vaš jedinstveni genetski slijed. Postali ste ono što jeste samo zbog načina na koji je ovaj genetski slijed u različitim stanicama bio ograničen i selektivno aktiviran: postupak otkrivanja, tumačenja i modificiranja genetskih informacija. Imajte na umu da vašem genom nedostaju informacije koje u potpunosti definiraju "vas", sa svim vašim kvadrilionima jedinstvenih neuronskih veza, nastalih nepredviđenim okolnostima i iskustvima dok se razvijate i rastete.
Imam li stvarno višestruki "mozak" ili barem "strukture slične mozgu"? Još uvijek ne znam kako se s tim povezati. Vjerujem da bih u principu mogao imati „rezervno“srce ili jetru stvorenu na ovaj način. Ali, po mom mišljenju, mozak je previše povezan s iskustvom, pamćenjem, osjećajima i karakterom da bi bilo koji drugi organ osim mog smatrao spremnikom svog "ja". Ideja "drugog mozga" (čak i ako ne uzmete u obzir krajnje "nenormalnu" prirodu mog mini-mozga) nije previše jasna i nema puno smisla.
Mislim da je ovo olakšanje. Napokon, kad ove organele ispune svoju ulogu u Rayovom istraživanju, bit će bačene. I mislim da neću osjećati da će bilo koji dio mog "ja" nestati s njima. Međutim, i dalje je neobično i uznemirujuće vidjeti u što se dio mene, odabran sasvim slučajno, može pretvoriti u laboratorijima u središnjem Londonu. Teško mi je ne doći do zaključka da postoji svojevrsni "meta-ja", odnosno sva tkiva koja bi se mogla stvoriti iz ovog prvog oplođenog jajašca, koje je u maternici oživjelo u listopadu 1962. (u mom slučaju) … Ja sam samo jedna od inkarnacija ovog "meta-mene". Čini mi se da su moje granice osobnosti malo zamagljenije nego što su bile tada.
Ali što ako proces uzgoja mini-mozga postane još savršeniji prije nego što mu možemo pružiti opskrbu krvlju i koordinate kako bismo ga pravilno organizirali u koherentnu cjelinu - prije nego što možemo stvoriti nešto vrlo slično punopravnom mozgu? Trenutno je ovo čisto (oprostite mi) misaoni eksperiment: mi jednostavno nemamo priliku, a kamoli motivaciju ili moralno opravdanje. Ali to je sigurno moguće. Kakav bi moralni i ontološki status mozak imao u Petrijevoj zdjelici? Ako bi osoba čije su stanice korištene za njezinu smrt umrla nakon toga, bi li "živjela" u Petrijevoj zdjelici? Trebamo li si u jednom trenutku postaviti pitanje: tko je tamo?
Philip Ball
