Vi pleide å tenke på oss selv som et ferdig produkt. Finishen er kanskje ikke akkurat det vi ønsker, men det er ikke noe å komme rundt. Fra ett befruktet egg utvikler vi oss i prosessen med sekvensiell dannelse av celler og vev til vi kommer til denne verden, og rive oss opp i skriking og sikling. Og fra det øyeblikket begynner en lang og vanlig historie, som ender uten tenner, "uten øyne, uten smak, uten alt."
Men denne gammeldags Shakespeare-historien om visning, forfall, forfall og som et resultat glemsel er ikke lenger en nøyaktig gjenspeiling av virkeligheten. Vi har nå mulighetene til å reparere og erstatte skadet vev. Jeg snakker av personlig erfaring. I løpet av de siste månedene har jeg sett på hvordan et stykke av kjøttet mitt som ble kuttet fra hånden min ble til en struktur kalt en "organoid", et miniatyrorgan. I mitt tilfelle har det blitt en struktur som noen kaller en mini-hjerne - den er omtrent på størrelse med en frossen ert og viser mange av kjennetegnene til en ekte hjerne som vokser i et intrauterint foster. Jeg har sett bevis på at nevroner i slikt vev kan avgi blink, og sende signaler til hverandre. Det ville være for poetisk å kalle disse signalene tanker,men de er "tankens substans."
Kjøttet mitt kan være noe annet hvis forskere tok den avgjørelsen. Det kan bli en organell i nyrene, eller en struktur som ligner på en del av hjertet eller bukspyttkjertelen. Det kan bli til et lysfølsomt vev som netthinnen. Basert på tilgjengelige bevis, har det blitt fastslått at hun kunne ha blitt et egg, eller en sædceller, eller noe sånt som et ekte embryo, begynnelsen på et levende vesen. Hun kunne bli en hvilken som helst del eller alle deler av "meg". Følgelig er det en teknologi som lar deg vekke opp fantasier og plante en fristende idé om å jukse døden ved å gjenopprette en syk organisme eller til og med lage en ny, vokst i laboratoriet, "for å erstatte" den gamle.
I året for 200-årsjubileet for utgivelsen av Mary Shelleys roman Frankenstein, ville det være lett å forestille seg alt grotesk, om ikke apokalyptisk. La oss si at vi forestiller oss at folk vokste til ordre i kolber som Central Hatchery i Aldous Huxleys dystopiske roman Brave New World. Men minihjernen min (det er flere av dem) ble dyrket for en god sak. De er en del av Create Out of Mind-prosjektet, finansiert av Wellcome Trust, en uavhengig internasjonal veldedighet, som har som mål å utvide vår kunnskap om demens og prinsippene for å ta vare på dem som lider av det. Forskerne som skapte disse organellene studerer det genetiske grunnlaget for nevrodegenerative lidelser som forårsaker demens. Min hjerne vil bli brukt i denne studien, noe som betyr at den sannsynligvis vilvil en dag bidra til å bremse andres hjernestopp.
* * *
Det er dyr, som salamander, som er i stand til å gjenopprette et helt mistet lem, bestående av vev av mange typer. Menneskekroppen vår er i stand til å regenerere huden når små sår leges, men ellers er den i beste fall i stand til å lage bare separate små "flekker" med grovt arrvev. Men hvis et organ svikter, kan det ikke gjenopprettes og dør. Vi kan overleve med et donorgraft eller med en mekanisk protese. Men voksende vev for å oppnå forskjellige typer celler og muligens som et resultat av hele miniatyrorganeller gjør det nå mulig å gjøre regenereringsevnen, som for eksempel en salamander, tilgjengelig for mennesker. Disse teknikkene har ikke bare et overveldende potensiale i medisin, men de tilbakeviser også troen som har blitt dannet gjennom årene.
Hvis dette høres forferdelig og nedslående ut, er det bare fordi vi ikke har internalisert sannheten som Frankenstein tvang oss til å se inn i øynene på. Denne sannheten er at vi er laget av materie, og denne saken overskrider seg selv og skaper et sinn som titter ut av skallet. Vi vet fortsatt ikke hvor i denne skapningen, laget av kjøtt, er essensen hans, hans "jeg". De nye vitenskapene om "mobil omprogrammering" rister ideer om dette som aldri før - i den form de er inngrodd i min bevissthet, bokstavelig talt intuitivt.
I juli i fjor skar forskere ved Institute of Neurology ved University College London (UCL) et lite stykke mykt vev fra høyre skulder. Dette ble gjort under mild lokalbedøvelse, og jeg følte ingenting. Celler fra det subkutane laget var et viktig element i denne biopsien. De kalles fibroblaster og er de viktigste "kildene" til bindevev i kroppen. De danner huden og er nøkkelceller involvert i sårheling. UCL nevrologer Selina Wray og Christopher Lovejoy tok fibroblaster fra meg og plasserte dem i små petriskåler med en rød løsning som inneholder næringsstoffer som er nødvendige for at cellevekst skal reprodusere.
Kampanjevideo:
To måneder senere kunne jeg se gjennom et mikroskop på en fibroblastkoloni som vokste fra den mørke massen av et stykke vev i hånden min. Disse langstrakte mobilstrukturene spirer fra vevet i jevne rader, som om de strever et sted.
Så hvor virkelig nytt var det jeg så? I vår tid er den grunnleggende evnen til å dyrke celler i kultur en kjent kunst. Det skal innrømmes at det en gang ble ansett som et mirakel av særlig mystikk. Da den franske kirurgen Alexis Carrel for første gang kunngjorde i 1912 at han hadde dyrket "udødelige" celler fra vevet til et kyllinghjerte, begynte aviser å trykke sensasjonelle artikler om at døden ikke lenger var uunngåelig. Disse oppsiktsvekkende artiklene viste seg å være grovt overdrevne. Men å dyrke en "mini-hjerne" fra celler som er hentet fra huden min, er en helt annen oppgave enn vanlig dyrking av høstede celler.
Ray og Lovejoy må transformere hudfibroblastene mine til nevroner - hjerneceller. De gjør dette i to trinn. Først vil de gjøre dem om til en celle som kan skape noe vev under utvikling, og deretter lede dem slik at de blir til celler av ønsket type. For å forstå hvordan dette skjer, bør du vite at alle levende celler i menneskekroppen inneholder det samme komplette settet med "instruksjoner" - kodet i DNA, som ligger i 23 par kromosomer og er delt inn i seksjoner kalt gener, som hver fungerer i våre biokjemiske prosesser. en bestemt funksjon. I utgangspunktet har hver celle den samme komplette koden som alle de andre. Selvfølgelig utfører forskjellige typer celler i en moden organisme forskjellige oppgaver. For dette blir forskjellige gener “slått på” og “slått av”. Det er med en slik bryter at en celle av en type dannes (hjerne, hud, muskler, leverceller og så videre), og ikke en annen.
Mye av dette genskiftet (eller "regulering") utføres av proteinmolekyler kalt transkripsjonsfaktorer. De er selv kodet i gener: det vil si at selve genomet inneholder instruksjoner for å lage transkripsjonsfaktorene som regulerer det. For å regulere aktiviteten til gener skaper cellene våre forskjellige transkripsjonsfaktorer hele tiden. På grunn av dette oppfører forskjellige typer celler seg annerledes. I tillegg, ved å bytte gener, kan et befruktet egg bli til en organisme som består av mange forskjellige vev.
De tidligste cellene i et voksende embryo, kalt embryonale stamceller, kan utvikle seg til alle slags vev: de sies å være "pluripotente", og vi kan si at de fremdeles inneholder alt deres genetiske potensial. Men når embryoet blir til et foster, og deretter til et barn, begynner cellene å skille seg ut i celletyper med en bestemt funksjon - hjerte, lever, hjerneceller - på en organisert måte og på rett sted.
Vi kan forstyrre programmeringen av celleoppførsel. For eksempel, når det gjelder genterapi, hvis mål er å fikse et "defekt" gen ved å legge til cellene et ekstra, lite stykke DNA som koder for en normalt fungerende form for det genet.
Men å dyrke en "mini-hjerne" fra vev som er kuttet fra hånden min, krever noe mer imponerende enn å bare "fikse" noen av cellens genetiske instruksjoner. Denne prosessen begynner med en fullstendig "omstart" av cellens program - mest sannsynlig, tilbakestilling av alle av / på-brytere som definerer cellens spesifikke formål. Det viser seg at dette bare kan gjøres ved hjelp av noen få spesifikke transkripsjonsfaktorer. Ray og Lovejoy setter inn gener som koder og produserer disse faktorene - små biter av DNA - i celler hentet fra hånden min, ved hjelp av svake elektriske felt. Under deres innflytelse blir det dannet hull i cellemembranene i noen tid der ytterligere DNA kan gli.
Ved hjelp av disse biokjemiske "meldingene" sendt av Lovejoy og Ray til fibroblastene mine, kom disse cellene tilbake til tilstanden til stamceller, i likhet med celler fra et tidlig embryo, i stand til å transformere til vev av hvilken som helst type. De kalles induserte pluripotente stamceller. Forskere har fått dem fra menneskelige celler siden 2007. Før det anså de fleste eksperter det som umulig.
* * *
Personen som ombestemte seg om dette problemet var den japanske forskeren Shinya Yamanaka. Han jobbet ikke innen cellebiologi, men i klinisk medisin og sannsynligvis derfor var det lettere for ham å tenke på noe utrolig og tenke på om det er mulig å omprogrammere allerede differensierte celler til stamceller.
Allerede på 1960-tallet ga eksperimenter med frosker de første dataene som indikerer at cellefiksering kan bli kansellert. Britisk biolog John Gurdon tok froskeegg, fjernet kromosomer fra dem og satte inn kromosomer hentet fra celler fra voksne frosker. Disse eggene, som det viste seg, kunne deretter befruktes og dyrkes av grovdyr og frosker. Kromosomer, som i voksne celler ble regulert (ved at alle disse kjemikaliene slo seg av og på) for å utføre visse funksjoner, tilsynelatende forynget inne i eggene, slik at de igjen kunne lede veksten av alle slags nye dyrevev. Denne metoden for overføring av kromosomer fra voksne celler ble brukt i 1996 for å klone sauene Dolly.
Med tanke på de tidligere vellykkede resultatene begynte Yamanaka å analysere transkripsjonsfaktorene som produseres i embryonale stamceller. Kanskje, i stedet for å finne ut hva som akkurat skjedde med kromosomene til differensierte celler, fange spesifikke mønstre for deres genaktivitet, og deretter prøve å reversere alt dette, er det bare å legge til en ny dose av disse faktorene for å "overbevise" cellene om at de er stamceller? Denne hypotesen virket spekulativ, men den virket. Yamanaka fant ut at hvis gener som koder for noen av disse faktorene ble lagt til differensierte humane celler (til slutt viste det seg at bare fire var nok), returnerte disse cellene til en tilstand som ligner på stamceller.
Takket være denne oppdagelsen ble det mulig å lage vev og muligens hele organer i laboratoriet. Hvis du dyrker vev eller organer fra mottakerens egne celler (for eksempel fra fibroblaster i en vevsprøve som er tatt fra hånden min), vil det ikke oppstå problemer som oppstår på grunn av avvisning av donorgraft fra immunsystemet. Videre kan kunstig dyrkede humane vev brukes til å teste legemidler for toksisitet - uten å teste dem på dyr. Faktum er at dyreforsøk ikke bare gir tvetydige resultater, de kan heller ikke alltid brukes, siden andre levende organismer ikke alltid er egnet for å teste en persons respons.
Det praktiske potensialet med denne oppdagelsen var enorm. Men i tillegg til dette oppdaget Yamanaka en viktigere sannhet. Våre vev og kropper er mer fleksible enn vi trodde. Bløtvev og bein kan forvandles til andre typer vev. Ben kan opprettes fra brystceller, og hjerne fra blodceller. Det ble plutselig klart at hele uforanderligheten til menneskekroppens strukturer ble satt i tvil.
Ta deg god tid skjønt, noe enda fremmed venter på deg videre.
* * *
Rett før jul, seks måneder etter starten av eksperimentet vårt, viste Ray og Lovejoy meg stamceller hentet fra fibroblastene mine. De avlange formasjonene som jeg så før, har forsvunnet. Næringsløsningen inneholdt nå kompakte klynger av mindre celler. Ved å bruke molekylære markører som binder seg til spesifikke proteiner og lyser i forskjellige farger når lys er rettet mot dem, var forskere i stand til å vise at stamcellegener nå er slått på. Den første etappen ble fullført; neste trinn var å få cellene til å bli neuroner.
Vanligvis bør stamceller målrettes for å transformere til en bestemt type vev ved hjelp av kjemiske utløsere - for eksempel ved å legge til flere transkripsjonsfaktorer som er spesifikke for målcellene. Men å lage nevroner er relativt enkelt, da de ser ut til å være standard: Hvis stamceller i laboratoriet begynner å skille seg spontant, er sjansen stor for at de vil bli neuroner. Faktisk så jeg noen tegn på dette selv i min egen vevsprøve. Her og der kunne man se enkeltceller løsrevet fra den kompakte klyngen. Jeg la merke til at en av disse enkeltcellene begynte å spire - lange, tynne grener som nervecellene har, og som vanligvis ender i synapser, der disse nevronene overfører elektriske signaler til hverandre.
Hvis disse induserte stamcellene ganske enkelt ble til klynger av identiske nevroner, ville det være liten grunn til å kalle det resulterende vevet "mini-hjerner". Hjernen vår er ikke sånn i det hele tatt. De er komplekse strukturer som inneholder flere forskjellige typer nevroner som produserer elektriske signaler. Andre hjerneceller er ikke nevroner - for eksempel gliaceller som hjelper med å strukturere hjernen og utfører støttende, beskyttende, trofiske og andre funksjoner. Det er også nevrale stamceller - delvis differensierte stamceller med fokus på å skape forskjellige typer hjerneceller som gir hjernen muligheten til å tilpasse seg endrede omstendigheter - og noen ganger delvis gjenopprette nedsatte funksjoner.
Sammen med spørsmålet om mangfoldet av celler i hjernevevet, oppstår spørsmålet om hvordan de alle fungerer. Hjernen inneholder forskjellige strukturer, og bemerkelsesverdig replikerer mini-hjernen noen av dem. Denne organiseringen av vev antyder at nevroner og andre typer hjerneceller selv "vet" hvordan de skal organisere seg for å danne hjernen. Noen ganger innebærer denne justeringen av celler selve bevegelsen til cellen: celler beveger seg rundt hverandre for å finne riktig sted - vanligvis ved siden av andre celler av sin type. Men slik "selvmontering" krever landemerker, og organene som utvikler seg i embryoet bruker de omkringliggende vevene som et system av landemerker. Hjerneceller trenger for eksempel slike signaler for å vite hvor hjernestammen skal "vokse", eller for å skille forhjernen fra baksiden.
Mini-hjernen har en viss struktur, men den får ikke helt riktig form. For eksempel danner det medullære rør - men hvis bare en av dem dukker opp og beveger seg nedover ryggraden i en ekte embryonale hjerne for å skape sentralnervesystemet, danner mini-hjernen flere rør tilfeldig - det er som om den leter etter en ryggrad som ikke eksisterer.
Av denne grunn motsetter noen forskere med rette å kalle en nevral organoid for en "mini-hjerne." Men hvis organeller ikke er hjerner i ordets rette forstand, "gjør" de alt de kan for å bli dem. Og forskerne som er involvert i å skape dem, vil sannsynligvis lage strukturer som virkelig er hjernelignende når de finner måter å etterligne noen av "orienteringsretningene" i en petriskål.
Min hjerne har ingen slike fordeler - det vil bare være en grov skisse av hjernen. Men på en eller annen måte lever han. Og nevroner kan kommunisere med hverandre ved å sende elektriske signaler. Ray planlegger å demonstrere dette ved hjelp av spesielle metoder for å oppdage utbrudd av kalsiumioner som frigjøres i kryssene av synapser, i likhet med de som er sett i vevet i den virkelige hjernen. Jeg personlig bryr meg ikke om at dette er "tanker". Det som bekymrer meg mer er at alt som for tiden skjer i min (ekte) hjerne er resultatet (så vidt vi vet) av akkurat en slik prosess.
Voksende organeller som mini-hjerner utenfor kroppen er potensielt bare det første trinnet i kroppens regenerering. Evnen til å dyrke vev i laboratoriet virker nyttig og til og med viktig - forestill deg en bukspyttkjertel dyrket i et laboratorium fra diabetiske celler, men genetisk "redigert" og i stand til å produsere insulin. Men fullformede organer trenger blodtilførsel, og vi vet ikke hvordan vi skal gi det i cellekultur i laboratoriet. Og noen vev dyrket i cellekultur, som hjernevev eller hjertemuskulatur, kan ikke bare settes på plass - de må være fullstendig integrert i eksisterende cellesystemer. Og vi vet heller ikke hvordan vi skal gjøre dette.
Det er sant at forskere nå studerer muligheten for å dyrke nye vev direkte i kroppen. For å gjøre dette kan man bruke de samme metodene som brukes til å omprogrammere celler for å gå tilbake til en tilstand som ligner på tilstanden til stamceller, og deretter lede dem til å tilegne seg nye egenskaper. Slike "omprogrammering in vivo" utføres allerede i eksperimenter på mus - leverceller omdannes for eksempel til celler i bukspyttkjertelen, eller celler i hjertefibroblaster - til pacemakerceller.
Men totrinnsprosessen med å konvertere en vanlig celle til en stamcelle, og deretter til en annen type celle, foreslått av Ray og Lovejoy, er fylt med risiko hvis du gjør det direkte i kroppen. Stamceller, som er i stand til å konvertere til forskjellige vev, kan være utsatt for å konvertere til kreftceller. Men bemerkelsesverdig, fant forskere at med den rette kombinasjonen av transkripsjonsfaktorer og molekylære signaler, kunne de "hoppe over" stamcellestadiet, det vil si pluripotens-stadiet, og bytte en type moden celle direkte til en annen. La oss si skape neuroner direkte fra blodceller. I stedet for å forsinke utviklingen av celler og deretter starte utviklingen i en annen retning, hopper du bare til siden og bytter til en annen type vev. Dyretesting er oppmuntrendeog nå vurderes spørsmålet om å gjennomføre kliniske studier på mennesker i regenerering av skadet hjertemuskulatur.
Mulighetene for denne typen omprogrammering av celler i kroppen er svimlende. Kroppen vår vil en dag tilegne seg evnen til å regenerere - som de salamandere som gjenoppretter de tapte lemmer. Områder i hjernen som er skadet av skade eller sykdom, for eksempel Alzheimers, kan repareres ved å velge ikke-neuronale hjerneceller (for eksempel gliaceller) og konvertere dem til fungerende nevroner. Og siden disse cellene er opprettet i stedet for deres opprinnelige lokalisering, er det i det minste mulig at de vil integreres bedre i det omkringliggende mobilsystemet. I alle fall skjer dette når hjertemuskelen omprogrammeres - den trekker seg sammen med resten av hjertet.
* * *
I tillegg til potensielle anvendelser innen medisin, antyder disse funnene behovet for å revurdere din forståelse av en levende organisme. Hvis leveren kan bli en muskel, blod kan bli en hjerne, og huden kan gjøres om til beinvev, hvordan skal vi da tenke på vårt dødelige liv og avgang til en annen verden? Selvfølgelig kan sår gro, hår kan vokse tilbake - men vi har allerede trodd at vi bare har en kropp. Men når celler blir helt universelle og i stand til å tilpasse seg, er det ikke lenger helt klart om dette faktisk er tilfelle.
Hva er da den menneskelige essensen - det biologiske "jeg"? Dette er tydeligvis ikke hva gentestingselskaper som 23andMe insisterer på at "gjør deg til den du er", men din unike genetiske sekvens. Du har bare blitt den du er på grunn av måten denne genetiske sekvensen i forskjellige celler ble begrenset og selektivt aktivert på: prosessen med å avsløre, tolke og modifisere genetisk informasjon. Husk at genomet ditt mangler informasjonen som definerer "deg" fullstendig med alle kvadrillionene av unike nevrale forbindelser, dannet av uforutsette omstendigheter og opplevelser når du utvikler deg og vokser.
Har jeg virkelig flere "hjerner" eller i det minste "hjernelignende strukturer" nå? Jeg vet fortsatt ikke hvordan jeg skal forholde meg til dette. Jeg tror at jeg i prinsippet kunne få et "ekstra" hjerte eller lever opprettet på denne måten. Men etter min mening er hjernen for bundet av erfaring, hukommelse, følelser og karakter til å betrakte noe annet organ enn mitt eget som depotet for mitt "jeg". Ideen om en "andre hjerne" (selv om man ikke tar høyde for den ekstreme "unormale" naturen til min hjerne) er ikke veldig klar og gir ikke mye mening.
Jeg tror dette er en lettelse. Når alt dette organellene har oppfylt sin rolle i Rays forskning, vil de tross alt bli kastet. Og jeg tror ikke jeg vil føle at noen del av mitt "jeg" vil forsvinne med dem. Imidlertid er det fortsatt rart og urovekkende å se hva en del av meg, valgt ut tilfeldig, kan bli til i laboratorier i sentrum av London. Det er vanskelig for meg å ikke komme til den konklusjonen at det er en slags "meta-me", det vil si alt vev som kan opprettes fra dette aller første befruktede egget, som gjenopplivet i livmoren i oktober 1962 (i mitt tilfelle) … Jeg er bare en av inkarnasjonene til denne "meta-me". Mine personlighetsgrenser virker litt mer uskarpe enn de var da.
Hva om prosessen med å dyrke en mini-hjerne blir enda mer perfekt selv før vi kan gi den blodtilførselen og koordinater for å ordne den riktig i en sammenhengende helhet - før vi kan skape noe som ligner på en fullverdig hjerne? På dette punktet er dette rent (tilgi meg) tankeeksperiment: vi har rett og slett ingen mulighet, enn si motivasjon eller moralsk begrunnelse. Men det er absolutt mulig. Hvilken moralsk og ontologisk status ville en hjerne ha i en petriskål? Hvis personen hvis celler ble brukt til å lage den døde etter det, ville de "leve videre" i petriskålen? Bør vi på et eller annet tidspunkt stille oss selv spørsmålet: hvem er der?
Philip Ball
