Олександр Щегловітов: як зі шкіри зробити клітини мозку

Ще одна стаття з нашої нової рубріки «знай наших!»  — тепер вже про нашого сучасника та співвітчизника, що працює за кордоном.

Для багатьох українських студентів, що прагнуть досягти вершин наукової творчості, відомі американські університети є майже фантастичною мрією та недосяжним ідеалом. Єльський, Гарвардський, Масачусетський технологічний інститут, Принстонський, Джонса Гопкінса… Тим не менш, є багато наших співвітчизників, що успішно працюють і в цих гігантах наукового пошуку. Одним з них є Олександр Щегловітов, який вже майже 3 роки є співробітником лабораторії Стенфордського університету – одного із світових лідерів освіти і науки. З ним ми вирішили поговорити про останні досягнення молекулярної та клітинної біології.

Олександр родом з невеликого містечка Шостка, що на Сумщині. Його життєвий шлях склався дуже нетипово, як для хлопця з провінції. Після закінчення фізико-технічного факультету НТУУ «Київський політехнічний інститут» він поступив до аспірантури в Інститут фізіології імені О.О. Богомольця, найвідомішу школу, що готує спеціалістів з біофізики та фізіології, на пострадянському просторі.


Олександре, розкажіть нашим читачам, як молодому науковцю з України потрапити у передову лабораторію, що працює на вістрі біологічної науки? Поділіться власним досвідом.

Впродовж аспірантури я займався вивченням біофізичних властивостей потенціалкерованих кальцієвих каналів у лабораторії професора Ярослава Шуби. За результатами своїх досліджень опублікував декілька статей у вітчизняних і міжнародних журналах, а також мав можливість презентувати свою роботу на конференціях. Так, на одній з конференцій я познайомився з американським вченим, Едвардом Пересом-Рейесом. Др. Перес-Рейес запропонував мені після захисту дисертації продовжити дослідження кальцієвих каналів у його лабораторії в Університеті Вірджинії. Вже під час роботи у США, знову ж таки на одній з коференцій, я зустрівся з професором Стенфордського університету, Рикардо Долмечем, який запропонував мені продовжити навчання в його лабораторії і займатися дослідженням властивостей індукованих стовбурових клітин та клітин, що з них походять. Я прийняв запрошення, і з 2009 року навчаюсь та працюю «постдоком» (посада науковця в США після захисту дисертації) у відділі нейробіології в Стенфорді.

Отже, я раджу нашим студентам і аспірантам бути більш активними, брати участь у міжнародних конференціях, подавати заявки на іноземні гранти, спілкуватися із закордонними колегами. Не соромтесь, розкривайте свої таланти та налагоджуйте співробітництво з однодумцями зі всього світу. На щастя, в науці немає кордонів!

Ваша лабораторія займається вивченням причин захворювань нервової системи. Що це за хвороби та чому важливо їх вивчати?

Наша лабораторія досліджує порушення центральної нервової системи, такі як хвороба Паркінсона, шизофренія і аутизм. Статистика виникнення цих хвороб вражає (хвороба Паркінсона ~ 3% після 65 років, шизофренія – 1%, аутизм — 1 зі 110 дітей в США), але про їх перебіг на клітинному рівні нам мало що поки відомо. Відповідно на сьогодні не існує ліків, за допомогою яких ці хвороби можна було б лікувати. Зараз основні зусилля нашої лабораторії сконцентровано на дослідженні клітинних і молекулярних механізмів аутизму. Проблема аутизму наразі дуже гостро стоїть в США, де суспільство дуже занепокоєне його стрімким поширенням. В Україні ця проблема теж існує, але менш досліджена через відсутність спеціалістів та адекватної діагностики: з 10 000 дітей діагностується від 4 до 26 аутистів.

Психіатри виділяють три основні ознаки аутизму: проблеми з мовленням, порушення соціального спілкування та зациклювання. Насправді, аутизм це не захворювання, а поведінкове виявлення цілої групи психічних розладів, певний набір симптомів. На жаль, поки невідомо, що саме є причиною таких симптомів, але вже зрозуміло, що там є як генетичний, так й епігенетичний (викликаний впливом середовища) компоненти.

Вивчати аутизм на тваринних моделях не зовсім адекватно. Тварини не розмовляють і не мають такого соціального спілкування, як людина. Більш того, структура і розвиток головного мозку у людини і тварини дещо відрізняються. Тому нам вкрай потрібна людська модель патології, де б можна було б визначити причини та механізми її виникнення. Таку модель використовуємо ми – нервові клітини людини, отримані з клітин шкіри.

Вирощування клітин мозку зі шкіри – звучить як фантастика! Розкажіть, будь-ласка, як це робиться.

Загалом, є два шляхи отримання людських нервових клітин з клітин шкіри: прямий та непрямий. За допомогою першого шкірні фібробласти висаджуються у флакони, де на них діють певними мікроРНК та транскрипційними факторами і через деякий час клітини проявляють властивості нейронів: змінюється форма, з’являється здатність генерувати нервові потенціали. Проте ще має бути встановлено, наскільки ці клітини відповідають реальним нейронам мозку пацієнта.

Непрямий метод, через індуковані стовбурові клітини, більш кропіткий, але й більш схожий на те, що насправді відбувається під час ембріонального розвитку людини. Можна виростити нейрони саме того відділу мозку, який потрібен для конкретних досліджень. Цей метод складається з трьох основних етапів. На першому етапі, ми отримуємо клітини шкіри у пацієнтів. Далі, за допомогою транскрипційних факторів ми дедиференціюємо клітини шкіри у індуковані стовбурові клітини. Потім, ми  диференціюємо ці стовбурові клітини в клітини, що вражені у пацієнтів з окремим захворюванням. Після того, як ми отримали потрібні нам клітини, ми використовуємо низку біофізичних, біохімічних і молекулярно-біологічних методів, для того щоб описати особливості клітин, які можуть бути пов’язані із захворюванням.

Складається враження, що це досить складна технологія. А яких успіхів вашій команді вдалося досягнути з її допомогою?

Я вважаю, що найбільшим нашим досягненням є те, що ми змогли налагодити швидкий перехід від пошуку хворих з чітко вираженими і генетично визначеними неврологічними вадами до характеристики нейронів, отриманих з клітин шкіри цих хворих. На сьогодні, ми отримали індуковані стовбурові клітини та нейрони у хворих з різними варіантами аутизму (синдроми Тімоті, Фелан-МакДермид і ДіДжорджа). Ми описали особливості нейронів, що можуть бути пов’язаними із синдромом Тімоті – рідкісним захворюванням з «аутичного спектру». Ці пацієнти мають синдактилію (зрощення пальців), серцеву аритмію, специфічну форму обличчя та аутичну поведінку. Причиною патології є мутація в гені кальцієвого іонного каналу L-типу. Ми вперше встановили, що нейрони, отримані з клітин шкіри таких пацієнтів, вирізняються особливою електричною активністю, мають незвичну експресію генів, секретують більше нейромедіаторів (норадреналіну і дофаміну) у зовнішньоклітинне середовище. Всі ці порушення роботи клітин можуть призводити до важких наслідків у хворих на синдром Тімоті (а, можливо, і бути причиною інших різновидів аутизму).

Чи допоможе ваша робота медицині лікувати ці захворювання?

Наявність клітинної моделі надає унікальну можливість перевіряти потенційні препарати для лікування синдрому. Так, ми показали, що поведінка нейронів, характерна для пацієнтів з синдромом Тімоті, може бути виправлена за допомогою росковітіна – фармакологічного препарату, що змінює властивості струму через кальцієві канали L-типу.

Яка ваша роль у цих дослідженнях?

Я починав в лабораторії як спеціаліст з електрофізіології. Займався вивченням мембранних струмів та потенціалів в нейронах, що були отримані з клітин шкіри пацієнтів з синдромом Тімоті. Але згодом освоїв усі методики, що використовуються в нашій лабораторії і зараз займаюсь дослідженням клітинних і молекулярних механізмів, пов’язаних з синдромом Фелан-МакДермид.

Як Ви думаєте, які можливі наслідки для звичайних людей несуть ваші дослідження?

Зараз в США є дуже актуальною програма індивідуальних геномів, що має на меті здешевити процедуру прочитання ДНК та зробити її доступною для кожного. Це прямий шлях до персоналізованої медицини, яка дозволить аналізувати схильності людини до захворювань, прогнозувати несприйняття фармакологічних препаратів, давати рекомендації для здорового способу життя. Але інформацію, що записана в нашій ДНК, непросто інтерпретувати, оскільки наявність певних мутацій ще не означає, що людина захворіє. Тому, щоб дізнатися наскільки ймовірно певні генетичні зміни призведуть до того чи іншого захворювання, важливо вміти отримувати клітини для досліджень «у пробірці». Такі клітини дозволять вивчити, які умови сприяють появі патології (стрес, фізичне перевантаження, певне харчування тощо). На сьогодні, вирощувати їх дуже дорого і займає ця процедура близько 70 днів з моменту отримання клітин шкіри. Але технології змінюються, і я вірю, що персональна медицина – це медицина майбутнього.

Ви працювали в двох великих університетах США. Що Ви можете сказати з приводу науки й освіти в Україні?

В нас в Україні дуже багато розумних та обдарованих людей. Але наша система освіти має глибокі вади. Ми маємо чудову середню освіту та непогану підготовку в університетах до рівня бакалавра, що дає на виході досить широко освічених людей. Але далі існує прірва: нема ніякого зв’язку між знанням та його застосуванням. Студенти абсолютно не знають, що вони будуть робити після закінчення університету – в лабораторіях та на виробництві доводиться вчити їх наново.

В США на кожному етапі студента, аспіранта чи навіть постдока вчать, як застосувати отримані знання, що його очікує на наступному етапі і якими якостями він має володіти для того щоб отримати певну посаду в майбутньому. Студенту показують, як писати статті, аспірант взнає, як отримати грант, постдок навчається, як керувати лабораторією. І все це на високому науковому рівні. Ось чого не вистачає нашій освіті – сучасного погляду у майбутнє.

Чи Ви пов’язуєте своє майбутнє з Україною?

Звичайно! Я вважаю, що надважливою справою життя вченого є не тільки відкриття, а й виховання достойних людей та учнів, передача свого наукового та життєвого досвіду молодим вченим. Яскравим прикладом для мене є Платон Григорович Костюк. Він був не тільки видатним науковцем, але й вчителем, що виховав ціле покоління справжніх вчених. Я сподіваюсь, що мені вистачить сил та здібностей зробити це для української наукової молоді у майбутньому.

MicroRNA-mediated conversion of human fibroblasts to neurons
Andrew S. Yoo, Alfred X. Sun, Li Li, Aleksandr Shcheglovitov, Thomas Portmann, Yulong Li, Chris Lee-Messer, Ricardo E. Dolmetsch, Richard W. Tsien & Gerald R. Crabtree 

Using iPSC-derived neurons to uncover cellular phenotypes associated with Timothy syndrome
Sergiu P Paşca, Thomas Portmann, Irina Voineagu, Masayuki Yazawa, Aleksandr Shcheglovitov, Anca M Paşca,Branden Cord,Theo D Palmer, Sachiko Chikahisa, Seiji Nishino,Jonathan A Bernstein, Joachim Hallmayer,Daniel H Geschwind & Ricardo E Dolmetsch