Przeszczep z mitologii

Mitologia grecka jest pełna zjawisk genetycznych. W „Teogonii” Hezjoda można znaleźć sporo przykładów partenogenezy (dzieworództwa), czyli sytuacji, gdy samica wydaje na świat potomstwo bez udziału samca, a przez to identyczne genetycznie z nią samą. Choćby Gaja „już bez miłości, porodziła Morze / Puste, burzliwe; potem z Uranosem ona / Wydała Okeana; dalej Hyperjona”.

W liczbie przykładów nic jednak nie pobije chimeryzmu. W genetyce chimery to organizmy zbudowane z komórek o różnym zestawie genów (genotypie) – u typowych osobników wszystkie komórki posiadają identyczny materiał genetyczny.

Oczywiście wśród nich jest sama Chimera, której imieniem genetycy nazwali takie organizmy. Według „Iliady” Chimera „z przodu lwem była, od tyłu wężem, a kozą pośrodku”. Hezjod prócz tego opisuje trzy głowy – kozią, lwią i smoczą. Chimera to córka dwóch innych chimer. Jej ojciec, Tyfon, według Parandowskiego „od głowy do lędźwi miał ciało olbrzyma ludzkiej postaci, a zamiast nóg wiły się sploty wężów; całe ciało miał upierzone”. Zaś matka Echidna była w połowie kobietą, w połowie cętkowaną żmiją. To nie koniec mitologicznych chimer. Mamy jeszcze centaury, Minotaura, Pegaza, Satyrów, Trytona itd. Łączenie ze sobą różnych gatunków zwierząt oraz ludzi ze zwierzętami to dość popularny motyw także w innych mitologiach i wierzeniach.

Surogatka i czworo rodziców

Mitologię zdominował chimeryzm międzygatunkowy. W przyrodzie taki też jest możliwy, ale częstszy jest chimeryzm w obrębie tego samego gatunku. Może występować naturalnie albo być sztucznie wywoływany przez lekarzy i naukowców.

W 1967 r. w czasopiśmie „Science” pracę na temat chimer myszy opublikowała Beatrice Mintz. Badaczka pobrała dwa ośmiokomórkowe zarodki myszy czarnej i białej, a następnie w warunkach laboratoryjnych połączyła je in vitro. Taki podwójny embrion zaimplantowała w macicy myszy-surogatki. Okazało się, że ciężarna mysz rodzi zdrowego potomka, który posiada czterech rodziców genetycznych oraz jedną rodzoną matkę. Ponieważ kolor sierści zwierzęcia jest uwarunkowany genetycznie, mysz miała charakterystyczne różnokolorowe łatki, co stanowiło widoczny gołym okiem dowód na genetyczną różnorodność komórek budujących jedno ciało. Opisana metoda stała się podstawowym sposobem uzyskiwania takich organizmów. Od czasu opublikowania swojego artykułu Mintz została „matką” 25 tys. mysich chimer.

Ten model powstawania chimer pozwala także zrozumieć, jak to się dzieje, że niektóre organizmy zupełnie naturalnie rodzą się posiadając komórki o różnym genotypie. Biologiczna historia osobników-chimer rozpoczyna się tak, jak historia bliźniaków dwujajowych. Czasami zdarza się, że w wyniku owulacji uwolnione zostaną dwie (i więcej, ale dla przejrzystości zostańmy przy dwóch) komórki jajowe, które następnie są zapłodnione przez dwa różne plemniki. Powstałe zygoty rozpoczynają niezależny rozwój i gdyby wszystko poszło zgodnie z fizjologią, dwa zarodki skutkowałyby narodzinami dwójki dzieci. Kiedy jednak na wczesnym etapie zarodki połączą się i rozwiną jako jeden płód, narodzi się chimera.

Skutkiem połączenia się zarodków na wczesnym etapie jest wymieszanie komórek o różnym pochodzeniu genetycznym. Choć komórki jajowe i plemniki pochodziły od tych samych rodziców, to jednak każda komórka i każdy plemnik posiadają różną informację genetyczną. Dlatego dwójka tych samych rodziców na przestrzeni lat płodzi potomstwo, które nie jest za każdym razem identyczne. Wymieszane w okresie zarodkowym komórki zaczynają tworzyć różne narządy, część narządów budują komórki z jednego zarodka, a część z drugiego.

Tego typu chimeryzm, czyli chimeryzm tetragametyczny (w powstaniu jednego organizmu biorą udział dwa plemniki i dwie komórki jajowe, czyli cztery gamety), jest znacznie rzadziej spotykany niż np. mikrochimeryzm, który może się pojawiać, gdy część komórek płodu poprzez łożysko dostanie się do krwiobiegu matki i zagnieździ w narządach (o czym pisał w marcu Mariusz Gogól, zob. „TP” 12/2019). Może jednak implikować znacznie poważniejsze skutki.

Z chimerą u Temidy

Jako przykład może posłużyć opis przypadku opublikowany w maju 2002 r. w „New England Journal of Medicine”. U cierpiącej na niewydolność nerek 52-letniej pacjentki i jej rodziny wykonano testy układu zgodności tkankowej, mające na celu znalezienie dawcy do przeszczepu. Testy przyniosły nieoczekiwaną informację. Wyglądało na to, że kobieta nie jest matką dwojga z jej trojga dzieci. Cała trójka posiadała jeden antygen ojcowski, ale tylko jeden z synów kobiety posiadał także antygen matczyny. Pozostali posiadali taki, który w układzie rodzice–dzieci w ogóle nie występował. Badania rozszerzono o braci chorej kobiety, z których jeden posiadał „brakujący” antygen. Brat pacjentki nie mógł być oczywiście matką jej dzieci. Rozwiązaniem medycznej zagadki był chimeryzm. Komórki krwi chorej i część komórek budujących organy pochodziły z innego zarodka, który na bardzo wczesnym etapie ciąży połączył się z „jej” zarodkiem.

Podobna historia przydarzyła się 26-letniej Lydii Fairchild, która starając się o alimenty musiała wykonać testy genetyczne. I w tym przypadku okazało się, że rodzona matka nie jest spokrewniona genetycznie ze swoimi dziećmi. W związku z urzędowym przeznaczeniem testów Fairchild została oskarżona o oszustwo i surogactwo, a nawet zagrożono jej utratą dzieci. Prawnik kobiety dowiedział się jednak o historii opisanej w 2002 r. w „NEJM”. Powtórzone i dokładniejsze testy dowiodły, że Lydia jest chimerą. Komórki budujące jej narządy płciowe są genetycznie różne od komórek zbadanych wcześniej.

Te historie przekonują, że chimeryzm, choć spektakularny, nie powoduje wielu niedogodności i odkrywany jest często przypadkiem. Chimeryzm wrodzony objawia się najczęściej podwójną grupą krwi, podwójnymi narządami płciowymi (hermafrodytyzm, inaczej obojnactwo), a czasem uwidacznia się różną pigmentacją skóry. Tak jak u myszy Mintz oraz… piosenkarki Taylor Muhl, której tułów podzielony jest wyraźną granicą.

W Polsce głośnym przypadkiem chimeryzmu był Grzegorz G., którego Sąd Okręgowy w Gdańsku skazał w 2015 r. na dożywocie za zamordowanie Kamili B. W toku śledztwa na miejscu zbrodni znaleziono ślady krwi trzech osób – ofiary, oskarżonego oraz trzeciej, niezidentyfikowanej osoby. Okazało się, że dwie z trzech próbek DNA należą do oskarżonego, który jest genetyczną chimerą. Chory na białaczkę Grzegorz G. w ramach terapii otrzymał przeszczep szpiku od dawcy niespokrewnionego. Aby wykonać przeszczep, wcześniej pacjent poddawany jest chemio- i/lub radioterapii w celu zlikwidowania jego chorego szpiku. Część własnych komórek może jednak pozostać i osoba taka ma we krwi dwa różne materiały genetyczne – własny i przeszczepiony. U pacjentów po transplantacji szpiku mamy do czynienia z chimeryzmem nabytym.

Hodowla narządów

Omówione do tej pory przypadki to chimery w obrębie jednego gatunku. Niezwykle interesująca perspektywa rysuje się, jeśli pomyślimy o chimerach międzygatunkowych. Idea połączenia organizmu ludzkiego i zwierzęcego, choć wydaje się przerażająca, staje się powoli coraz bardziej realna i ma swój głęboko uzasadniony sens. Naukowcom pracującym w tym obszarze przyświeca cel stworzenia hodowli ludzkich organów wewnątrz zwierzęcych ciał.

W samych USA w 2017 r. każdego dnia umierało 18 pacjentów oczekujących na przeszczep narządu. W tym momencie na przeszczep czeka ponad 110 tysięcy osób. Według danych na lipiec 2019 r. w Polsce na przeszczep oczekuje 2 tysiące osób. Natomiast od początku tego roku od zmarłych dawców przeszczepiono 832 narządy. Problem dostępności jest więc poważny. Jedną ze strategii zwiększenia liczby organów do transplantacji mogą być ludzko-zwierzęce chimery.

Koncepcja jest dość prosta w swoich założeniach. Idealną sytuacją byłoby hodowanie narządów ludzkich w organizmach dużych zwierząt, takich jak świnia, owca czy małpa. Zarodek zwierzęcia z usuniętym genem odpowiedzialnym za rozwój danego narządu łączyłoby się z ludzkimi indukowanymi komórkami macierzystymi (uzyskiwanymi od biorcy). Komórki te miałyby zająć niszę po organie, który w związku z usuniętym genem nie powstaje z komórek zwierzęcia. Ostatecznie rodziłoby się zwierzę z gotowym (gdy osobnik podrośnie) narządem do przeszczepu.

Teoretycznie taka metoda rozwiązuje wiele problemów, które zgłaszają dziś naukowcy. Obecne sposoby hodowli narządu z komórek macierzystych in vitro, w laboratorium, nie bardzo sprawdzają się w przypadku narządów o skomplikowanej strukturze trójwymiarowej. Jednak w nowej metodzie hodowli organogeneza miałaby nie odbiegać od tej zachodzącej w trakcie rozwoju ludzkiego płodu. Z kolei użyte komórki macierzyste byłyby genetycznie identyczne z całą resztą komórek biorcy, co pozwoliłoby wyeliminować ryzyko odrzutu narządu. Taki pacjent nie musiałby również stosować leków immunosupresyjnych, które zmniejszają ryzyko odrzucenia przeszczepu pochodzącego od obcego dawcy.

Przełomowe badanie w tym zakresie opisał w 2010 r. zespół Hiromitsu Nakauchiego. To jemu po raz pierwszy udało się z komórek macierzystych osobnika jednego gatunku wyhodować organ w ciele osobnika innego gatunku. Naukowcy pobrali komórki macierzyste myszy i połączyli ze szczurzym embrionem z usuniętym genem Pdx-1, który odpowiada za powstanie trzustki. Urodzony szczur pomimo braku genu miał w pełni wykształcony narząd. Na tym samym modelu siedem lat później naukowcy poszli o krok dalej i mysią trzustkę wyhodowaną w szczurze przeszczepili myszy chorującej na cukrzycę. Mysz-biorca przez kolejne 370 dni miała unormowany poziom glukozy. W dodatku przeżyła ten rok bez immunosupresji, mającej chronić przed odrzutem.

Od szczura do człowieka

Okazuje się jednak, że mysi narząd nie był zbudowany wyłącznie z mysich komórek. W wyhodowanej trzustce znajdowały się także szczurze komórki, które tworzyły naczynia i nerwy. Stanowi to ogromny problem przy potencjalnym przeszczepieniu takiej trzustki człowiekowi. Reakcja immunologiczna na obce gatunkowo komórki byłaby bardzo gwałtowna i prowadziła do odrzutu. Poza tym wciąż nie uzyskano odpowiednich ludzkich komórek macierzystych do takiej hodowli. Próby łączenia ludzkich komórek z embrionami gryzoni podejmowano od 2013 r., ale nie dawały satysfakcjonujących wyników. Przyczyną są zbyt duże różnice w rozwoju zarodkowym i odległość ewolucyjna między ludźmi i gryzoniami.

W styczniu 2017 r. w czasopiśmie „Cell” pojawiło się doniesienie o stworzeniu pierwszej chimery ludzko-świńskiej. Świński embrion posiadał 0,001 proc. ludzkich komórek i rozwijał się przez 28 dni. Rok później ogłoszono powstanie zarodka owcy z ludzkimi komórkami. Ten również przeżył 28 dni, ale tym razem zawierał 0,01 proc. ludzkich komórek macierzystych. W sierpniu tego roku hiszpański „El País” doniósł o pracach nad chimerą ludzko-małpią. Wyników z tego ostatniego badania jeszcze nie opublikowano.

Czas trwania tych eksperymentów nie jest przypadkowy. Naukowcy nie chcą dopuścić do pełnej organogenezy, zwłaszcza do wykształcenia układu nerwowego. Do tej pory interesowały ich jedynie zdolności ludzkich komórek macierzystych do przeżycia w organizmie zwierzęcym. W dodatku dłużej trwający eksperyment budzi poważne wątpliwości etyczne.

Ludzkie komórki macierzyste mają zdolność do przekształcania się w dowolną tkankę, jaka występuje w organizmie człowieka. O tym decydują jednak wydzielane przez pozostałe komórki zarodka czynniki biochemiczne, które regulują i ukierunkowują rozwój komórek. W opisanych eksperymentach chodziło przede wszystkim o uzyskanie konkretnego narządu, takiego jak trzustka czy serce. Pełna kontrola nad komórkami macierzystymi wprowadzonymi do zarodka zwierzęcego nie jest jednak jeszcze opanowana. Nie będzie problemu, gdy ludzkie komórki będą migrować i zaczną budować kości lub skórę, ale część badaczy obawia się, że komórki macierzyste mogą zawędrować do mózgu zwierzęcia i budować korę mózgu, a przez to jego procesy myślowe mogłyby nabrać ludzkich cech. Podobne problemy natury etycznej pojawiają się w przypadku tzw. organoidów (więcej o nich poniżej). Jak jednak rozróżnić, czy ból lub strach odczuwany przez chimerę zbudowaną z dwóch typów komórek jest ludzki czy zwierzęcy?

Chimery i hybrydy

Wszystkie te pytania i wątpliwości wciąż czekają na dodatkowe dane naukowe. Nie ma pewności, że komórki za każdym razem wędrują do mózgu, przeżywają tam i budują organ, a nawet jeśli, to czy nadaje mu to ludzkich cech. Tego problemu nie da się rozwiązać kategorycznie na obecnym etapie.

W lipcu 2019 r. pojawiła się informacja, że wspomniany wcześniej Hiromitsu Nakauchi uzyskał zgodę na prowadzenie w Japonii badań nad ludzko-mysimi chimerami do czasu ich narodzin, a nawet dłużej. Pozwoliłoby to na pełny rozwój zarodków i ich organów, jednak Nakauchi już teraz podkreśla, że nie ma zamiaru dopuścić do tego, by chimery się urodziły. Ale nawet zapewnienia badaczy nie ostudziły emocji, jakie wiadomość wywołała. Niektóre media informowały m.in. o ­„japońskich hodowlach hybryd ludzi i zwierząt”, pojawiały się także pytania, czy tego typu zabiegi nie doprowadzą do stworzenia nowego gatunku istot.

Trzeba jednak pamiętać, że chimera nie jest tym samym co hybryda – choć oba te terminy w mediach bywają używane wymiennie. Ściśle mówiąc, hybrydy to organizmy, których materiały genetyczne, a nie komórki, zostały wymieszane. W przypadku hybrydy plemnik i komórka jajowa pochodzące od innych gatunków tworzą zarodek, który staje się czymś pomiędzy gatunkiem matki i gatunkiem ojca, ale wszystkie jego komórki posiadają ten sam zestaw genów. U chimer zaś mieszają się wyłącznie komórki, dlatego jeden osobnik może posiadać dwa odmienne materiały genetyczne. Przykładami hybryd mogą być tyglew (ojciec tygrys, matka lwica), jaglew (ojciec jaguar, matka lwica) albo pumpart (połączenie pumy i lamparta). W dodatku nikt nie planuje rozmnażać chimer ludzko-zwierzęcych, gdyż ich głównym przeznaczeniem ma być transplantologia.

Problemy etyczne związane z chimerami znacznie wyprzedzają rzeczywistość i naukę, która utrzymuje swoje eksperymentalne zarodki na bezpiecznym, także z etycznego punktu widzenia, etapie rozwoju.

Zapowiedziane badania Nakauchiego mają być kolejnym krokiem ku lepszemu zrozumieniu rozwoju takich zarodków i rozwiązaniu trudności, których wciąż jest sporo. Trzeba znaleźć optymalne komórki macierzyste, ograniczyć wnikanie komórek zwierzęcia do hodowanego narządu; upewnić się, że migrujące komórki nie docierają do mózgu zwierzęcia itd. Do zapowiadanych „japońskich hodowli” jeszcze długa droga.

Człowiek nie posiada zdolności mitycznych bogów, którzy potrafili bez przeszkód łączyć ze sobą różne gatunki, a nawet różne gromady zwierząt w jedno przerażające monstrum. A jeśli tego typu boskie zdolności by miał, któż wtedy potrzebowałby przeszczepów. ©

ORGANOIDY

Osobną dziedziną nauki jest hodowla organoidów, czyli uproszczonych modeli narządów powstałych z komórek macierzystych na laboratoryjnej szalce, poza organizmem człowieka lub zwierzęcym.

Ludzkimi komórkami macierzystymi, za pomocą odpowiednich sygnałów chemicznych, można pokierować tak, by utworzyły np. struktury mózgowia. Uzyskane „minimózgi” służą obecnie jako modele do badania genezy chorób, w tym alzheimera i parkinsona. Pomimo uproszczenia i struktury nieco odmiennej od dojrzałego mózgowia taki organoid pozwala bezpiecznie przeprowadzać eksperymenty naukowe niemożliwe do wykonania na mózgu żyjącego zwierzęcia, a tym bardziej żyjącej osoby. Problem pojawi się jednak wtedy, gdy organoidy staną się na tyle duże i rozwinięte, że zaczną upodabniać się do w pełni rozwiniętego ludzkiego mózgu.

W 2017 r. w „Nature” ukazał się artykuł opisujący organoid, którego aktywność neuronalną można było kontrolować za pomocą światła. Powstały więc światłoczułe komórki, które odbierały zewnętrzne sygnały, a inne komórki na te sygnały reagowały. Pojawia się pytanie, czy organoid odbiera także inne bodźce ze świata zewnętrznego, czy potrafi odczuwać ból. Istotne jest również wykluczenie istnienia w rozwiniętym organoidzie ludzkiej świadomości. Jak zauważają autorzy tekstu opublikowanego w „Journal of Medical Ethics” – Andrea Lavazza i Marcello Massimini – nawet jeśli powstaną obiektywne metody mierzenia świadomości, nie rozwieje to etycznych wątpliwości. Problemem stanie się to, jakie miejsce zajmie organoid w stratyfikacji życia. Czy czujący ból organoid, będący bardzo prostą formą życia, stanie się równie istotny co pacjenci z demencją? ©