Лет тридцать назад к Харлампию Пантелеевичу, молодому исследователю-планаристу, пришли студенты и попросили дать какое-нибудь задание для практики. Он предложил им отрезать у планарий головы и следить в микроскоп как идет отрастание нового органа, измеряя рост линейкой. Через неделю студенты пришли уставшие, с красными глазами, но с готовым заданием. Выяснилось, что измерять на глаз процесс отрастания новых тканей у планарий сложно, а точность измерений низкая. Тогда Харлампий Тирас решил создать методику точного инструментального измерения, чтобы ей могли пользоваться все ученые, не портя зрение.
В 1984 году он опубликовал свою методику в статье, но тогда ее мало кто заметил. «Потому что там было три формулы», — шутит ученый. Он где-то вычитал, что наличие формул в биологической статье снижает ее читаемость на порядок. Но скорее всего, его методика появилась несколько раньше срока.
Как отрастить голову
Планарий изучают более двухсот лет и каких-то особых надежд с ними не связывали, хотя осознавали, что это прекрасные модели для обучения студентов. На них выросло не одно поколение исследователей, активно работающих в науке. С планарий начинал один из самых молодых наших академиков Сергей Лукьянов.
Со временем выяснилось, что организм планарий на четверть состоит из стволовых клеток. Это такие неопределившиеся клетки, которые при необходимости могут стать клетками любого типа в любом органе. Благодаря большому количеству стволовых клеток планарии хорошо регенерируют. Они могут делать то, что не может делать ни один другой организм — регенерировать центральную нервную систему. К примеру, если этому червяку отрезать голову, то его стволовые клетки начинают делиться и формировать новую голову. Через неделю планария, как ни в чем ни бывало, ползает с новой головой и вспоминает то, чему она научилась, еще будучи со старой головой.
Человек и другие позвоночные животные такими способностями к регенерации не обладают, потому что у них очень мало стволовых клеток, а у старого организма их совсем почти нет. Чтобы взять стволовые клетки человека, нужно собирать пуповинную кровь при рождении младенца, сохранять ее и в будущем, при необходимости, использовать для выращивания какого-то органа, к примеру, сердечного клапана или куска кожи. Таким образом отпадет проблема биосовместимости, потому что орган, выращенный из собственных стволовых клеток, не будет отторгаться, в отличие от донорского или искусственного. Кое-какие органы уже выращивают, хотя до массового производства еще далеко.
Проблема в том, что стволовые клетки человека могут делиться неограниченно, они не очень понимают, когда им нужно остановиться и преобразовываться в нужный тип клеток, отсюда их способность вызывать раковые опухоли. А стволовые клетки планарий делятся однократно и затем превращаются в нужный тип, к примеру, в клетки центральной нервной системы.
Остается найти тот элемент, который помогает стволовым клеткам планарий контролировать свое деление. Вполне возможно, что в клетках человека тоже есть такой элемент, но он почему-то не работает. Если его запустить, то человечество избавится от рака. Это конечно, всего лишь мечта, но она имеет под собой основание, поскольку способность к делению клеток в многоклеточных организмах — одна их самых консервативных, она есть у всех, и в ходе эволюции мало изменилась. Теперь, когда геномы планарий и человека полностью расшифрованы, ученые могут отыскать общие гены регенеративной системы и выяснить, какой участок генома отвечает за деление стволовых клеток. А дальше — самое интересное: почему гены планарий дают их клеткам команду к остановке деления, а у позвоночных и человека — не дают?
А может быть такой ген-переключатель не найдут, как полагает Харлампий Тирас. Он склоняется к идее, что процессом регенерации управляют не отдельные гены, а какая-то система более высокого порядка, например, центральная нервная система. Еще в конце XIX века наши выдающиеся ученые Сеченов, Бехтерев, Боткин и Павлов сформулировали принцип «нервизма», согласно которому физиологические процессы в организме управляются нервной системой. Но возможно, и какие-то другие процессы тоже подконтрольны ей. Иначе, как объяснить, что планарии регенерируют любой отрезанный кусок, если там есть хоть малейший отросток нерва. Как бы то ни было, планарии воплощают мечту человечества о регенерации целого организма из нескольких клеток. Мы пока это можем осуществить только в кино, как в знаменитом блокбастере «Пятый элемент», где ученые из обрубка кисти выращивают в биореакторе рыжеволосую красавицу в исполнении Милы Йовович.
Бессмертный организм
Еще десять лет назад в мире было не больше сотни ученых, изучавших планарий. Сейчас такие лаборатории создают по всему миру. В России планарий изучают в Санкт-Петербурге и Казани. Есть группа на Байкале, которая исследует глубоководных планарий. Но крупнейший центр по их изучению расположен в Пущино. Здесь биологи работают в тесном контакте с программистами, которые пишут программы для измерения регенерации планарий в живом виде, не умерщвляя их. Задача эта нетривиальная и требует использовать анализ изображений. Если в области молекулярной биологии и генетики наши биологи серьезно отстали от мирового уровня, то в области анализа изображений отечественная школа программистов и математиков задает темп. Недавно Харлампий Тирас стал работать с профессором ВМК МГУ Леонидом Местецким и частным Институтом физико-технической информатики, которым руководит доктор физмат. наук Станислав Клименко из Протвино.
Сейчас Харлампий Тирас готовится к защите докторской диссертации, где обобщит свою многолетнюю работу с планариями. Недавно ему с коллегами удалось доказать, что стволовые клетки движутся в теле планарии к месту регенерации. Биологи видели движение клеток еще в 1980-х годах, но проблема была зафиксировать этот процесс в живых планариях, которые отращивают органы. Это стало возможным именно благодаря развиваемым в Пущино компьютерным технологиям регистрации регенерации планарий.
От Парижа до Оки
Планарии — довольно любопытные животные. Они водятся всюду, где есть влага. А в тропиках даже есть наземные гигантские планарии, длиной до полуметра, но они не могут регенерироваться, также как и планарии, обитающие в океанах. Только пресноводные планарии способны выращивать себе органы, да и то не все. В Пущино первых планарий завезли еще в 1970-е годы из Ленинграда, куда те попали в свою очередь из Парижа. В Пущино планарии расплодились, и теперь там образовалась самая большая коллекция этих организмов в Европе. Все они бесполые, то есть у них нет разделения на мужские и женские особи.
Планария размножается отшнуровкой. Она просто прикрепляется хвостиком к стенке аквариума, потом отрывается, оставляя кусок хвоста, и отползает. Через неделю из куска уже вырастает маленький червяк. А через три недели его не отличишь от родителя. Чтобы узнать, сколько живет отдельная планария, нужно за ней специально следить, но пока этого никто не сделал. Иногда планарии умирали в процессе эксперимента, они просто распадались на отдельные клетки в виде облачка. Ведь планария — это клетки в мышечном мешке, скрепленные слизью. Если на червя положить несколько кристалликов соли, то он отбрасывает свою слизь — такая у него защитная реакция. Если через несколько секунд соль удалить, то планарии способны восстановить свою слизевую защиту и выжить, но если соль будет действовать чуть более минуты, то животное рассыпется на клетки из-за осмотического шока и погибнет.
Лечение от рака
Другая сильная сторона биологии в Пущино — изучение внешних факторов, физических и химических, на организм. В начале 1990-х пущинский биофизик Валерий Васильевич Леднев вместе с американским ученым Эйбом Либофом доказали, что слабые магнитные поля могут ускорять регенерацию планарий. В этой работе участвовал и Харлампий Тирас. Ученые обнаружили, что с помощью физических полей и химических веществ можно влиять на процесс регенерации и регулировать его. Так вот, если отработать эту модель на планариях, а затем перенести на высшие организмы и человека, то и с этой стороны можно улучшить лечение рака. «Когда работаешь с регенерацией, то думаешь в первую очередь не о планариях, а о человеке», — поясняет Тирас.
Сейчас в онкологии используют химиотерапию, давая больным сильные ядовитые препараты — цитостатики, которые убивают не только раковые, но и здоровые клетки. Лечение не все выдерживают, какой-то процент пациентов погибает не столько от рака, сколько от отравления химией. Адресная доставка лекарств, над которой бьются ученые всего мира, пока не стала реальностью, поэтому нужно искать лечение по другим направлениям. Так вот, идея пущинских ученых состоит в том, чтобы воздействовать на опухоль магнитным полем, уменьшая ее рост. Тогда можно снизить дозу цитостатиков. На планариях магнитными полями удается сдерживать или усиливать регенерацию на 30%. Не факт, что такой же эффект будет у человека, но попробовать стоит. Если дозу цитостатиков удастся снизить хотя бы на 10%, это станет огромным достижением.
Планария неисчерпаема
В общем, с какой стороны ни возьми, планарии прекрасно подходят как модели для изучения процессов регенерации и разных других процессов. Благодаря этим животным, у нас есть шанс понять особенности биологии стволовых клеток человека. Проблема, однако, в том, что эта модель не входит к круг стандартных биологических объектов. А в современной науке все стараются стандартизировать, чтобы можно было не только сравнивать данные, полученные разными группами, но и воспроизводить результаты, сокращая время на опыты. Сейчас 95% результатов в биологии получают на мышах и крысах, есть еще несколько видов микробов. С одной стороны, это хорошо, а с другой — сужается число биологических моделей, из которых биологи узнают, что могут или не могут делать живые организмы.
Харлампий Тирас убежден, что планарии пригодятся и для фармацевтической промышленности. Когда-то его метод измерения регенерации использовали на московской фирме «Диод» для предварительного отбора новых лекарственных средств, контролирующих деление клеток. Теперь он готовит новую версию своей методики и вместе с другими ноу-хау планирует предложить их фармацевтической компании «Герофарм», расположенной в Оболенске.
