Včasih smo o sebi razmišljali kot o končnem izdelku. Mogoče cilj ni ravno takšen, kot bi si želeli, vendar ga ni mogoče obiti. Iz enega oplojenega jajčeca se razvijamo v postopku zaporednega tvorjenja celic in tkiv, dokler ne pridemo na ta svet, ki se v krikanju in slinjenju obremenjujemo. In od tega trenutka se začne dolga in običajna zgodba, ki se konča brez zob, "brez oči, brez okusa, brez vsega."
Toda ta starodavna Shakespearejeva zgodba o sušenju, opustošenosti, propadanju in posledično pozabi ni več natančen odraz realnosti. Zdaj imamo sredstva za popravilo in nadomestitev poškodovanega tkiva. Govorim iz osebnih izkušenj. V zadnjih nekaj mesecih sem opazoval, kako se je del mojega mesa, ki mi je bil odrezan iz roke, spremenil v strukturo, imenovano "organoid", miniaturni organ. V mojem primeru je to postala struktura, ki jo nekateri imenujejo mini možgani - približno je velikosti zmrznjenega graha in ima številne značilnosti resničnih možganov, ki rastejo v intrauterini plodki. Videl sem dokaze, da lahko nevroni v takšnem tkivu sprožijo bliskavice in drug drugemu pošiljajo signale. Bilo bi preveč poetično, če bi te signale imenovali misli,vendar so "snov misli".
Moje meso bi lahko bilo kaj drugega, če bi se znanstveniki tako odločili. Lahko postane organoid ledvic ali struktura, podobna delu srca ali trebušne slinavke. Lahko se spremeni v svetlobno občutljivo tkivo, kot je mrežnica. Na podlagi razpoložljivih dokazov je bilo ugotovljeno, da bi lahko postala jajčece, sperma ali kaj podobnega pravemu zarodku, začetek živega bitja. Lahko postane kateri koli del ali vsi deli "mene". Zato obstaja tehnologija, ki omogoča vznemirjanje fantazij in zasaditev mamljive ideje, da bi prevarali smrt z obnovo bolnega organizma ali celo z ustvarjanjem novega, ki ga gojijo v laboratoriju, "ki bi nadomestil" starega.
V letu 200. obletnice izida romana Mary Shelley Frankenstein bi si lahko predstavljali vse groteskno, če že ne apokaliptično. Recimo, da si predstavljamo ljudi, ki jih gojimo po naročilu v bučkah, kot je Centralna valilnica v distopičnem romanu Aldousa Huxleyja Pogumni novi svet. Toda moji mini možgani (teh je več) so bili vzgojeni z dobrim namenom. So del projekta Created Out of Mind, ki ga financira neodvisna mednarodna dobrodelna organizacija Wellcome Trust, katere namen je razširiti naše znanje o demenci in načelih skrbi za tiste, ki z njo trpijo. Raziskovalci, ki so ustvarili te organele, preučujejo genetske osnove nevrodegenerativnih motenj, ki povzročajo demenco. V tej študiji bodo uporabljeni moji mini možgani, kar pomeni, da bodo verjetnobo nekoč pomagalo upočasniti izklop možganov drugih ljudi.
* * *
Obstajajo živali, kot je salamander, ki lahko obnovijo celotno izgubljeno okončino, sestavljeno iz številnih vrst tkiv. Naše človeško telo je sposobno regenerirati kožo, ko se zacelijo majhne rane, sicer pa je v najboljšem primeru sposobno ustvariti le ločene majhne "lise" grobega brazgotinskega tkiva. Če pa organ odpove, ga ni mogoče obnoviti in umre. Preživimo lahko z darovalnim presadkom ali z mehansko protezo. Toda gojenje tkiva za pridobivanje različnih vrst celic in po možnosti celo miniaturnih organelov zdaj omogoča, da je sposobnost regeneracije, ki jo ima na primer salamander, na voljo ljudem. Te tehnike nimajo le izjemnega potenciala v medicini, temveč tudi zavračajo prepričanja, ki so se oblikovala v preteklih letih.
Če se sliši grozno in odvračajoče, je to, ker nismo ponotranjili resnice, v katero nas je prisilil Frankenstein. Ta resnica je, da smo narejeni iz materije in ta snov nekako preseže samo sebe in ustvari um, ki kuka iz njene lupine. Še vedno ne vemo, kje je v tem bitju, narejenem iz mesa, njegovo bistvo, njegov "jaz". Nove znanosti o "celičnem reprogramiranju" pretresejo ideje o tem kot še nikoli prej - v obliki, v kateri so se mi dobesedno intuitivno vtisnile v zavest.
Lani julija so mi znanstveniki z Inštituta za nevrologijo na University College London (UCL) izrezali majhen košček mehkega tkiva z desne rame. To je bilo narejeno v blagi lokalni anesteziji in nisem čutil ničesar. Pomemben element te biopsije so bile celice iz podkožne plasti. Imenujejo se fibroblasti in so glavni "viri" vezivnega tkiva v telesu. Oblikujejo kožo in so ključne celice, ki sodelujejo pri celjenju ran. Nevroznanstveniki UCL Selina Wray in Christopher Lovejoy sta mi vzela fibroblaste in jih položila v majhne Petrijeve posodice z rdečo raztopino, ki vsebuje hranila, potrebna za razmnoževanje celične rasti.
Promocijski video:
Dva meseca kasneje sem skozi mikroskop lahko pogledal kolonijo fibroblastov, ki je rasla iz temne mase kosa tkiva v roki. Te podolgovate celične strukture poženejo iz tkiva v enakomernih vrstah, kot da bi nekam usmerile.
Torej, kako resnično novo je bilo to, kar sem videl? Dandanes je osnovna sposobnost gojenja celic v kulturi dobro znana umetnost. Treba je priznati, da je nekoč veljalo za čudež posebne skrivnosti. Ko je leta 1912 francoski kirurg Alexis Carrel prvič sporočil, da je iz tkiva piščančjega srca vzgojil "nesmrtne" celice, so časopisi začeli tiskati senzacionalne članke, da smrt ni več neizogibna. Ti senzacionalni članki so se izkazali za močno pretirane. Toda vzgoja "mini možganov" iz celic, vzetih iz moje kože, je povsem drugačna naloga kot običajno gojenje nabranih celic.
Ray in Lovejoy bosta morala moja kožna fibroblasta spremeniti v nevrone - možganske celice. To naredijo v dveh korakih. Najprej jih spremenijo v celico, ki lahko med razvojem ustvari katero koli tkivo, nato pa jih usmerijo v celice zahtevane vrste. Da bi razumeli, kako se to zgodi, morate vedeti, da vse žive celice v človeškem telesu vsebujejo enak celoten sklop "navodil" - kodiranih v DNK, ki se nahajajo v 23 parih kromosomov in so razdeljeni na odseke, imenovane geni, od katerih vsak deluje v naših biokemijskih procesih posebne funkcije. V bistvu ima vsaka celica enako popolno kodo kot vse druge. Seveda v zrelem organizmu različne vrste celic dejansko opravljajo različne naloge. Za to so različni geni "vklopljeni" in "izklopljeni". S takšnim stikalom nastane celica ene vrste (možgani, koža, mišice, jetrne celice itd.) In ne druge.
Velik del te genske zamenjave (ali "regulacije") izvajajo beljakovinske molekule, imenovane transkripcijski faktorji. Sami so kodirani v genih: torej genom sam vsebuje navodila za ustvarjanje transkripcijskih faktorjev, ki ga uravnavajo. Za uravnavanje aktivnosti genov naše celice ves čas ustvarjajo različne transkripcijske faktorje. Zaradi tega se različne vrste celic obnašajo različno. Poleg tega se lahko s preklopom genov eno oplojeno jajčece spremeni v organizem, sestavljen iz številnih različnih tkiv.
Najzgodnejše celice v rastočem zarodku, imenovane zarodne izvorne celice, se lahko razvijejo v kakršno koli tkivo: pravijo, da so "pluripotentne", in lahko rečemo, da še vedno vsebujejo ves svoj genski potencial. Toda ko se zarodek spremeni v plod in nato v otroka, se celice začnejo organizirati in na pravem mestu diferencirati v vrste celic s posebno funkcijo - srce, jetra, možganske celice.
Lahko se motimo pri programiranju vedenja celic. Na primer, v primeru genske terapije, katere cilj je popraviti "okvarjen" gen tako, da se celicam doda dodaten majhen košček DNA, ki kodira normalno delujočo obliko tega gena.
Toda vzgoja "mini-možganov" iz tkiva, ki mi je odrezano iz roke, zahteva nekaj bolj impresivnega kot le "popravljanje" dela genskih navodil celice. Ta postopek se začne s popolnim "ponovnim zagonom" programa celice - najverjetneje s ponastavitvijo vseh tistih stikal za vklop / izklop, ki določajo poseben namen celice. Izkazalo se je, da je to mogoče storiti le s pomočjo nekaj specifičnih transkripcijskih faktorjev. Ray in Lovejoy vstavijo gene, ki kodirajo in proizvajajo te dejavnike, majhne koščke DNK, v celice, odvzete iz moje roke, s pomočjo šibkih električnih polj. Pod njihovim vplivom se v celičnih membranah nekaj časa oblikujejo luknje, skozi katere lahko zdrsne dodatna DNA.
S pomočjo teh biokemičnih "sporočil", ki sta jih Lovejoy in Ray poslala mojim fibroblastom, so se te celice vrnile v stanje matičnih celic, podobno kot celice zgodnjega zarodka, ki so se lahko preoblikovale v kakršna koli tkiva. Imenujejo se inducirane pluripotentne matične celice. Znanstveniki jih pridobivajo iz človeških celic od leta 2007. Do takrat je večina strokovnjakov menila, da je to nemogoče.
* * *
Oseba, ki si je premislila o tej težavi, je bila japonska znanstvenica Shinya Yamanaka. Ni delal na področju celične biologije, ampak v klinični medicini in verjetno je zato lažje razmišljal o nečem neverjetnem in razmišljal, ali je mogoče že diferencirane celice reprogramirati v izvorne celice.
Že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so poskusi na žabah dali prve podatke, ki kažejo, da je fiksacijo celic mogoče preklicati. Britanski biolog John Gurdon je vzel žabja jajca, jim odstranil kromosome in vstavil kromosome, vzete iz celic odraslih žab. Izkazalo se je, da bi ta jajčeca lahko oplodili in iz njih gojili paglavce in žabe. Kromosomi, ki so bili v odraslih celicah regulirani (z vklopom in izklopom vseh teh kemikalij) za izvajanje določenih funkcij, so se očitno pomladili znotraj jajčec, da so lahko spet usmerjali rast vseh vrst novih živalskih tkiv. Ta metoda prenosa kromosomov iz odraslih celic je bila uporabljena leta 1996 za kloniranje ovc Dolly.
Glede na prej uspešne rezultate je Yamanaka začela analizirati transkripcijske faktorje, ki so nastali v zarodnih izvornih celicah. Mogoče je, namesto da bi ugotovili, kaj točno se je zgodilo s kromosomi diferenciranih celic, zajeli specifične vzorce njihove genske aktivnosti in nato poskušali vse to obrniti, dovolj je samo dodati nov odmerek teh dejavnikov, da celice "prepričajo", da so izvorne celice? Ta hipoteza se je zdela špekulativna, vendar je delovala. Yamanaka je odkril, da če se gene, ki kodirajo nekatere od teh dejavnikov, dodajo diferenciranim človeškim celicam (na koncu se je izkazalo, da zadostujejo le štiri), se te celice vrnejo v stanje, podobno matičnim celicam.
Zahvaljujoč temu odkritju je bilo mogoče v laboratoriju ustvariti tkiva in po možnosti celotne organe. Če gojite tkiva ali organe iz lastnih celic prejemnika (recimo iz fibroblastov v vzorcu tkiva, odvzetem iz moje roke), potem ne bo nobenih težav, ki bi nastale zaradi zavrnitve presaditve darovalca s strani imunskega sistema. Poleg tega bi lahko umetno pridelana človeška tkiva uporabili za testiranje toksičnosti zdravil - brez testiranja na živalih. Dejstvo je, da preskusi na živalih ne dajejo le dvoumnih rezultatov, ampak jih ni mogoče vedno uporabiti, saj drugi živi organizmi niso vedno primerni za testiranje človeškega odziva.
Praktični potencial tega odkritja je bil ogromen. Toda poleg tega je Yamanaka odkril še pomembnejšo resnico. Naša tkiva in telesa so prožnejša, kot smo mislili. Vaša mehka tkiva in kosti se lahko spremenijo v druge vrste tkiva. Kost lahko ustvarimo iz dojk, možgane iz krvnih celic. Nenadoma je postalo jasno, da je bila vprašljiva celotna nespremenljivost struktur človeškega telesa.
Vzemite si čas, vendar vas čaka še nekaj bolj tujega.
* * *
Tik pred božičem, šest mesecev po začetku eksperimenta, sta mi Ray in Lovejoy pokazala matične celice, pridobljene iz mojih fibroblastov. Tiste podolgovate tvorbe, ki sem jih videl prej, so izginile. V posodi s hranilno raztopino so bili zdaj strnjeni grozdi manjših celic. Z uporabo molekularnih markerjev, ki se vežejo na določene beljakovine in svetijo v različnih barvah, ko je svetloba usmerjena vanje, so znanstveniki lahko pokazali, da so geni matičnih celic zdaj vklopljeni. Prva faza je bila zaključena; naslednji korak je bil, da se celice spremenijo v nevrone.
Običajno je treba izvorne celice ciljno spremeniti v določeno vrsto tkiva s pomočjo kemičnih sprožilcev - na primer z dodajanjem več transkripcijskih faktorjev, specifičnih za ciljne celice. Toda ustvarjanje nevronov je razmeroma enostavno, saj se zdi, da so privzeti: če se izvorne celice v laboratoriju začnejo spontano razlikovati, je velika verjetnost, da se bodo spremenile v nevrone. Pravzaprav sem nekaj znakov tega videl tudi v lastnem vzorcu tkiva. Tu in tam bi lahko videli posamezne celice, ki so se ločile od kompaktne gruče. Opazil sem, da je ena od teh posameznih celic začela vzhajati - dolge, tanke veje, ki jih imajo živčne celice in se običajno končajo v sinapsah, kjer ti nevroni drug drugemu prenašajo električne signale.
Če bi se te inducirane matične celice preprosto spremenile v skupke enakih nevronov, bi bilo malo razloga, da bi nastala tkiva imenovali "mini možgani". Naši možgani sploh niso taki. So kompleksne strukture, ki vsebujejo več različnih vrst nevronov, ki proizvajajo električne signale. Druge možganske celice niso nevroni - na primer glijske celice, ki pomagajo strukturirati možgane in opravljajo podporne, zaščitne, trofične in druge funkcije. Obstajajo tudi živčne izvorne celice - delno diferencirane matične celice, osredotočene na ustvarjanje različnih vrst možganskih celic, ki možganom omogočajo, da se prilagodijo spreminjajočim se okoliščinam - in včasih delno obnovijo oslabljene funkcije.
Ob vprašanju raznolikosti celic v možganskem tkivu se postavlja vprašanje, kako vse delujejo. Možgani vsebujejo različne strukture in, izjemno, mini možgani ponavljajo nekatere od njih. Ta organizacija tkiv kaže, da nevroni in druge vrste možganskih celic "vedo", kako se organizirati, da oblikujejo možgane. Včasih ta poravnava celic vključuje dejansko gibanje celice: celice se premikajo druga okoli druge, da najdejo svoje pravo mesto - običajno ob drugih celicah te vrste. Toda takšno "samosestavljanje" zahteva mejnike in organi, ki se razvijajo v zarodku, uporabljajo okoliška tkiva kot sistem mejnikov. Možganske celice denimo potrebujejo takšne signale, da bi vedele, kje bi moralo možgansko deblo "rasti", ali razlikovale prednji možgan od hrbta.
Mini-možgani imajo določeno strukturo, vendar nimajo povsem pravilne oblike. Tako na primer tvori medularne cevke - če pa se pojavi le ena od njih in se v pravih embrionalnih možganih premakne po hrbtenici, da ustvari centralni živčni sistem, mini-možgani naključno tvorijo več cevk - kot da išče hrbtenico, ki ne obstaja.
Iz tega razloga nekateri znanstveniki upravičeno nasprotujejo temu, da nevronski organoid imenujejo "mini možgani". A če organele niso možgani v pravem pomenu besede, "naredijo" vse, da postanejo. Znanstveniki, ki jih sodelujejo pri njihovem ustvarjanju, bodo verjetno ustvarili strukture, ki so resnično bolj podobne možganom, ko bodo našli načine za posnemanje nekaterih "orientacijskih" smeri v petrijevki.
Moji mini-možgani nimajo takih prednosti - to bo le groba skica možganov. Toda tako ali drugače je živ. In nevroni lahko komunicirajo med seboj s pošiljanjem električnih signalov. Ray to načrtuje dokazati s posebnimi metodami za odkrivanje izbruhov kalcijevih ionov, ki se sproščajo na stičiščih sinaps, podobnih tistim, ki jih vidimo v tkivu resničnih možganov. Osebno me ne zanima, da so to "misli". Bolj me skrbi, da je vse, kar se trenutno dogaja v mojih (resničnih) možganih, rezultat (kolikor vemo) ravno takšnega procesa.
Gojenje organelov, kot so mini možgani zunaj telesa, je potencialno le prvi korak v regeneraciji telesa. Sposobnost rasti tkiva v laboratoriju se zdi koristna in celo življenjska - predstavljajte si trebušno slinavko, ki je v laboratoriju gojena iz diabetičnih celic, a genetsko "urejena" in sposobna proizvajati inzulin. Toda popolnoma oblikovani organi potrebujejo oskrbo s krvjo in ne vemo, kako jo zagotoviti v celični kulturi v laboratoriju. Nekaterih tkiv, ki jih gojijo v celični kulturi, na primer možgansko tkivo ali srčna mišica, ni mogoče preprosto namestiti - treba jih je popolnoma vključiti v obstoječe celične sisteme. In tudi tega ne vemo.
Res je, znanstveniki zdaj preučujejo možnost gojenja novih tkiv neposredno v telesu. Za to bi lahko uporabili enake metode, ki se uporabljajo za reprogramiranje celic, da se vrnejo v stanje, podobno stanju matičnih celic, in jih nato usmerijo v pridobivanje novih značilnosti. Takšno "reprogramiranje in vivo" že izvajajo v poskusih na miših - jetrne celice se na primer pretvorijo v celice trebušne slinavke ali celice srčnih fibroblastov - v spodbujevalne celice.
Toda dvostopenjski postopek pretvorbe običajne celice v izvorno celico in nato v drugo vrsto celice, ki sta jo predlagala Ray in Lovejoy, je preobremenjen s tveganji, če to storite neposredno v telesu. Matične celice, ki se lahko pretvorijo v različna tkiva, so lahko nagnjene k pretvorbi v rakave celice. Zanimivo pa je, da so znanstveniki ugotovili, da lahko s pravilno kombinacijo transkripcijskih faktorjev in molekularnih signalov "preskočijo" stopnjo izvornih celic, to je fazo pluripotencije, in eno vrsto zrelih celic preusmerijo neposredno na drugo. Recimo, ustvarjamo nevrone neposredno iz krvnih celic. Namesto da zakasnite razvoj celic in nato znova zaženete njihov razvoj v drugo smer, preprosto skočite na stran in preklopite na drugo vrsto tkiva. Preskusi na živalih so spodbudniin zdaj se rešuje vprašanje izvedbe kliničnih preskušanj na ljudeh pri regeneraciji poškodovane srčne mišice.
Možnosti za tovrstno reprogramiranje celic v telesu so osupljive. Naše telo bo nekoč pridobilo sposobnost regeneracije - kot tisti salamandri, ki obnovijo svoje izgubljene okončine. Območja možganov, poškodovana zaradi travme ali bolezni, kot je Alzheimerjeva bolezen, je mogoče popraviti z izbiro nenevronskih možganskih celic (na primer glialnih celic) in njihovo pretvorbo v delujoče nevrone. In ker so te celice ustvarjene na mestu njihove prvotne lokalizacije, je vsaj mogoče, da se bodo bolje integrirale v okoliški celični sistem. V vsakem primeru se to zgodi, ko je srčna mišica reprogramirana - skrči se sinhronizirano s preostalim delom srca.
* * *
Poleg možnih aplikacij v medicini ta odkritja kažejo na potrebo po ponovnem premisleku o vašem razumevanju živega organizma. Če lahko jetra postanejo mišica, kri lahko možgani in koža postane kostno tkivo, kako naj potem razmišljamo o svojem smrtnem življenju in odhodu v drug svet? Seveda se lahko rane zacelijo, lasje lahko zrastejo nazaj - vendar smo že verjeli, da imamo samo eno telo. Ko pa celice postanejo popolnoma univerzalne in se lahko prilagodijo, ni več povsem jasno, ali je to dejansko tako.
Kaj je torej človeško bistvo - biološki "jaz"? To očitno ni tisto, kar podjetja za genetsko testiranje, kot je 23andMe, vztrajajo pri tem, da vas »naredijo takega, kot ste«, temveč vaše edinstveno gensko zaporedje. Postali ste takšni, kot ste samo zaradi načina, na katerega je bilo to gensko zaporedje v različnih celicah omejeno in selektivno aktivirano: postopek razkrivanja, razlage in spreminjanja genskih informacij. Upoštevajte, da vašemu genomu manjkajo informacije, ki vas popolnoma opredeljujejo, z vsemi vašimi kvadriljoni edinstvenih nevronskih povezav, ki jih tvorijo nepredvidene okoliščine in izkušnje, ko se razvijate in rastete.
Ali imam zdaj res več "možganov" ali vsaj "možganom podobnih struktur"? Še vedno ne vem, kako se s tem povezati. Verjamem, da bi si načeloma lahko ustvaril tako "rezervno" srce ali jetra. Toda po mojem mnenju so možgani preveč povezani z izkušnjami, spominom, čustvi in značajem, da bi kateri koli drug organ, razen mojega, bil posoda za moj "jaz". Ideja o "drugih možganih" (tudi če ne upoštevate izredno "nenormalne" narave mojih mini možganov) ni preveč jasna in nima veliko smisla.
Mislim, da je to olajšanje. Konec koncev, ko bodo te organele izpolnile svojo vlogo v Rayovem raziskovanju, bodo zavržene. In mislim, da ne bom čutil, da bo kateri koli del mojega "jaz" z njimi izginil. Še vedno pa je nenavadno in moteče videti, v kaj se lahko del mene, izbran povsem naključno, spremeni v laboratorijih v osrednjem Londonu. Težko ne bi prišel do zaključka, da obstaja nekakšen "meta-jaz", torej vsa tkiva, ki bi lahko nastala iz tega prvega oplojenega jajčeca, ki je v maternici oživelo oktobra 1962 (v mojem primeru) … Sem samo ena od utelešenj tega "meta-mene". Zdi se, da so moje osebnostne meje nekoliko bolj nejasne kot takrat.
Kaj pa, če postane proces rasti mini možganov še bolj popoln, preden mu lahko zagotovimo oskrbo s krvjo in koordinate, da ga pravilno organiziramo v koherentno celoto - preden lahko ustvarimo nekaj zelo podobnega polnopravnim možganom? Trenutno je to zgolj (oprostite) miselni eksperiment: preprosto nimamo priložnosti, kaj šele motivacije ali moralne utemeljitve. Zagotovo pa je mogoče. Kakšen moralni in ontološki status bi imeli možgani v petrijevki? Če bi oseba, katere celice so bile uporabljene za njeno ustvarjanje, po tem umrla, ali bi v petrijevki "živela naprej"? Bi si morali v nekem trenutku zastaviti vprašanje: kdo je tam?
Philip Ball