Адам Пиорей - Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма

Когда в 1993 г. Вуньяк-Новакович начала полноценную работу в МТИ, ее первой задачей стало создание хрящей — гибкой соединительной ткани, из которой сделан нос и уши (кроме того, она заполняет пустоты во многих суставных сочленениях). Кость жестче и не столь гибка. Мышцы мягче и сильнее растягиваются. В сравнении с этими тканями хрящи казались более доступным объектом для исследования процессов регенерации. Их гелеобразная ткань состоит из клеток всего одного типа. К тому же хрящевая ткань гораздо проще устроена с точки зрения структуры и лишена кровеносных сосудов, тогда как для выживания костей и мышц такие сосуды необходимы. Совместно с Лизой Фрид, еще одной молодой исследовательницей, Вуньяк-Новакович принялась искать способ искусственно вырастить эту «простую» ткань.

В то время специалисты по биоинженерии тканей, экспериментировавшие с выращиванием стволовых клеток вне тела, полагали, что основной метод такой культивации сводится к тому, чтобы снабжать эти клетки определенной смесью белков, минеральных солей и других питательных веществ по мере того, как они растут и созревают. Исследователи осознали: малейшее изменение состава этого питательного супа, который они вводят в подложку, оказывает очень существенное воздействие на клеточную культуру. Скажем, если чуть-чуть увеличить содержание кальция в смеси, это станет для стволовых клеток сигналом: превращайтесь в кость.

Однако Вуньяк-Новакович предполагала, что здесь действуют и другие факторы. Тогда она читала много работ по механобиологии [науке, изучающей биологическую реакцию клеток на изменение их «механического» окружения], и ее поразило, что многие физиологические системы (генетические, молекулярные, электрические, механические) взаимосвязаны самым неожиданным образом. Так, она отметила, что у пациентов, долгое время находящихся без движения на больничной койке, часто происходит ослабление костей и хрящей. Казалось, физическое движение необходимо для того, чтобы поддерживать эти ткани в нормальном состоянии. Исследовательница задумалась: может быть, развивающиеся клетки тоже чувствительны к движению? Но как это механическое явление, связанное с силами перемещения объектов (или отсутствием таких сил), влияет, скажем, на костную ткань на молекулярном уровне? Чтобы проверить гипотезу, Вуньяк-Новакович вместе с Фрид и несколькими студентами начали медленно вращать сосуды, где на подложках из биоматериалов росли колонии клеток. Вскоре они получили весьма вдохновляющие результаты. Движение и в самом деле, казалось, способствует росту этих клеток, причем довольно неожиданными путями.

«Мы обнаружили, что, если физический фактор [т. е. фактор движения] действует по отдельности, это помогает клеткам расти, и если действует фактор роста — тоже, — говорит Вуньяк-Новакович. — Но если правильно использовать их одновременно, возникает своего рода синергия: иными словами, два плюс два уже равняется не четырем, а девяти. При правильно подобранном взаимовлиянии этих двух факторов можно добиться колоссальных улучшений».

«Улучшения в структурной целостности намного превзошли наши ожидания», — добавляет она.

Но лишь через несколько лет Вуньяк-Новакович и ее коллеги сумеют полностью разобраться в динамике этих взаимодействий. Они обнаружат это явление в необычной среде — в космосе.

В 1996 г. ученые НАСА решили провести первые космические эксперименты с биоинженерией тканей — на борту Международной космической станции. Очевидными кандидатами на роль орбитальных экспериментаторов стали специалисты из МТИ — учреждения, с давних пор сотрудничающего с космическим агентством. Пионерские работы Вуньяк-Новакович и Фрид, проводимые в тщательно контролируемых и легко изолируемых биореакторах, казались идеальными для проведения в таких условиях.

Поскольку в НАСА точно не знали, когда стартует очередная экспедиция на МКС и когда образцы доставят обратно на Землю, Вуньяк-Новакович и Фрид разработали самую надежную схему эксперимента, какую только смогли придумать. Когда их предложение одобрили, они загрузили в биореактор фрагменты хрящевой ткани, прошедшей биоинженерию, и снабдили эту систему запасом раствора питательных веществ, который должен был смешиваться с кислородом и ежедневно разбрызгиваться над клеточной культурой. Всё это помещалось в ящике размером с небольшую микроволновку. И потом они отправили свою установку на орбиту.

Спустя четыре с половиной месяца ящик вернулся на Землю. Вуньяк-Новакович и ее коллеги были вполне уверены, что в итоге получилась необычно мощно выросшая клеточная культура — благодаря отсутствию гравитации (которая стала бы добавочной «силой сопротивления» в придачу к плавному и неспешному вращению, которому обычно подвергают биореактор при таких опытах). В конце концов, исследователям казалось, что эти условия отлично имитируют условия, в которых пребывает эмбрион, чьи клетки свободно плавают в подобии невесомости,

Однако Вуньяк-Новакович и Фрид с изумлением обнаружили совершенно противоположный результат. Клетки вовсе не процветали: они чувствовали себя гораздо хуже, чем обычно. Тогда-то исследователи и осознали: атрофию у пациентов, которые долго лежат на больничной койке (например, восстанавливаясь после операции), вызывает не недостаток движения, а нехватка «силы» — механической нагрузки, которая возникает как комбинация мышечного движения и гравитации, оказывая на клетки давление, направленное вниз.

«В те времена принято было считать, что в космосе всё лучше — мол, там нет гравитации, поэтому там всё работает эффективнее, — отмечает Вуньяк-Новакович. — А мы обнаружили совершенно противоположное. Результат очень интересный: помимо всего прочего, он объясняет, почему у астронавтов возникает целый ряд физиологических проблем — в частности, серьезная потеря костной массы и массы хрящей».

По итогам этих наблюдений Вуньяк-Новакович и ее коллеги опубликовали статью в весьма уважаемом академическом издании. Но главное — их эксперименты внесли существенные новации в технологию биоинженерии тканей, позволившие чрезвычайно повысить качество костей и хрящей, которые выращивала исследовательница. Она сконструировала поршень-плунжер, который плавно надавливал на ткань и на суп из химикатов, омывающий ее. Дальнейшие опыты показали, что лучше всего использовать метод переменного давления.

«Мы не бегаем весь день без перерыва, — объясняет Вуньяк-Новакович. — То же самое касается ходьбы. Время от времени мы садимся, а потом опять идем».

Подобно многим другим биоинженерам, начинавшим свои опыты до нее (в том числе и Хью Герру, который позже будет работать на другом конце того же кампуса и в конце концов откроет институт биоинженерии вместе с Робертом Лэнджером, с которым она когда-то проводила совместные исследования), Вуньяк-Новакович начала осознавать, что наиболее эффективный подход — «биомиметический», т. е. воспроизводящий природные условия.