Текст книги "Физика будущего"

3. Будущее медицины

Совершенство и далее

Ни у кого не хватает духу сказать это вслух, но если бы мы могли улучшить человеческую природу, научившись добавлять гены, то почему бы нам этого не сделать?

Джеймс Уотсон, нобелевский лауреат

На самом деле я не думаю, что человеческое тело сохранит от нас какие-то секреты до конца текущего века. А поэтому все, что мы сумеем придумать, вероятно, воплотится в реальность.

Дэвид Балтимор, нобелевский лауреат

Я не думаю, что время уже настало, но оно близко. Я боюсь, к несчастью, что принадлежу к последнему поколению, которому суждено умереть.

Джеральд Суссман

Мифические боги обладали абсолютным могуществом: властью над жизнью и смертью, способностью исцелять больных и продлять жизнь. Первой в человеческих молитвах, обращенных к богам, была мольба об избавлении от болезней и немощи.

В греческой и римской мифологии есть легенда об Эос, прекрасной богине утренней зари. Однажды она без памяти влюбилась в смертного красавца Тифона. Эос, конечно, обладала совершенным телом и была бессмертна, но Тифон должен был со временем постареть, увянуть и умереть. Богиня решила спасти возлюбленного от этой печальной судьбы. Она умолила Зевса, отца богов, даровать Тифону бессмертие, чтобы они могли провести вместе вечность. Сжалившись над влюбленными, Зевс исполнил просьбу Эос.

Однако Эос в спешке забыла попросить Зевса о вечной молодости для своего возлюбленного. Так что Тифон стал бессмертным, но его тело состарилось. Он не мог умереть, но тело старилось все сильнее, и ему пришлось вечно жить в боли и страдании.

Именно такой вызов стоит перед медицинской наукой XXI в. Исследователи научились читать книгу жизни, которая включает в себя полный геном человека и обещает чудесные достижения в понимании процесса старения. Но продление жизни без здоровья и энергии может стать не вечным благом, а вечным наказанием, в чем и убедился мифический Тифон на собственном горьком опыте.

К концу текущего столетия человек тоже обретет в значительной степени мифическую власть над жизнью и смертью. И власть эта не будет ограничена исцелением больных. Нет, ее можно будет обратить на совершенствование человеческого тела и даже на создание новых форм жизни. Однако достигнуто это будет не молитвами и заклинаниями, а благодаря чудесам биотехнологии.

Среди ученых, раскрывающих тайны жизни, можно назвать Роберта Ланцу (Robert Lanza) – человека, который всегда спешит. Ланца принадлежит к биологам нового типа, молодым, энергичным и полным свежих идей. Впереди так много прорывов и озарений, а времени так мало! Ланца работает на острие биотехнологической революции. Как ребенок в кондитерской лавке, он с радостным нетерпением бросается исследовать новые территории, делая по пути открытия в самых разных «горячих» областях.

Поколение или два назад биологическая наука выглядела совершенно иначе. Биологи не спеша исследовали каких-нибудь малоизвестных червей или жуков, терпеливо и подробно изучали их анатомию и долго придумывали для них латинские названия.

Ланца не таков.

Я познакомился с Ланца в радиостудии, где должен был взять у него интервью. Он сразу же произвел на меня сильное впечатление своей молодостью и безмерной изобретательностью. В тот момент он, как обычно, разрывался между несколькими экспериментами. Он рассказал мне, что его деятельность в этой стремительно развивающейся области началась самым необычным образом. Ланца вырос в скромной рабочей семье к югу от Бостона, где мало кто после школы продолжал учебу в колледже. Однако случайно услышанное сообщение о раскрытии тайны ДНК настолько поразило школьника, что судьба его была решена. Роберт решил клонировать у себя в комнате цыпленка. Ошеломленные родители не понимали, чем занимается сын, но мешать не стали.

Твердо решив осуществить свой проект, Ланца поехал в Гарвардский университет за советом. Никого там не зная, он спросил у какого-то мужчины, которого принял за швейцара, как пройти туда-то и туда-то. Заинтригованный «швейцар» привел подростка в свой кабинет. Позже Ланца узнал, что «швейцар» на самом деле был старшим сотрудником нужной ему лаборатории. Он познакомил дерзкого и упрямого школьника с другими учеными, в том числе с исследователями нобелевского масштаба, и это полностью изменило жизнь молодого человека. Ланца сравнивает себя с героем Мэтта Дэймона в фильме «Умница Уилл Хантинг», где неряшливый уличный подросток из рабочего района поражает профессоров MIT своим математическим гением.

Сегодня Ланца – старший научный сотрудник фирмы Advanced Cell Technology, на его счету сотни публикаций и изобретений. В 2003 г. он стал героем газетных заголовков. Зоопарк Сан-Диего обратился к ученому с просьбой клонировать бантенга – вид диких быков, которому грозит вымирание, – из туши быка, умершего 25 лет назад. Ланца успешно выделил из замороженных тканей клетки, пригодные к использованию, обработал и отправил готовые оплодотворенные клетки на ферму в штате Юта, где зародыши были подсажены в матку коровы. Через десять месяцев Ланца получил известие о рождении своего последнего творения. Одновременно он мог работать над «инженерией тканей». Со временем на базе этой технологии, возможно, будет создана мастерская по выращиванию человеческих органов, где каждый сможет заказать для себя новые органы для замены изношенных или больных, выращенные из наших собственных клеток. И тут же – работа над клонированием клеток человеческого зародыша. Ланца был членом той исторической команды ученых, которая впервые в мире клонировала человеческий зародыш с целью получения стволовых клеток.

Роберту Ланце удалось оседлать приливную волну открытий, порожденных раскрытием тайн ДНК. Исторически в развитии медицины в человеческом обществе можно выделить по крайней мере три крупных этапа. На первом этапе, продолжавшемся десятки тысяч лет, в медицине царили суеверие, колдовство и слухи. Большинство детей умирало при рождении, а ожидаемая продолжительность жизни колебалась от 18 до 20 лет. В этот период были открыты кое-какие полезные травы и химические вещества, такие как аспирин, но научного метода поиска новых лекарств и способов лечения не существовало. К несчастью, любые средства, которые по-настоящему помогали, становились тщательно охраняемыми секретами. Чтобы заработать, «врач» должен был угождать богатым пациентам, а рецепты своих микстур и заклинания хранить в глубокой тайне.

В этот период один из основателей знаменитой ныне клиники Мэйо, посещая пациентов, вел личный дневник. Там он откровенно писал, что в его черном врачебном чемоданчике есть всего два действенных средства: пила и морфий. Пилу он использовал для ампутации пораженных органов, а морфий – для обезболивания при ампутации. Эти средства работали безотказно. Все остальное в черном чемоданчике, грустно замечал доктор, – это змеиный жир и шарлатанство.

Второй этап развития медицины начался в XIX в., когда появилась микробная теория болезней и сформировались представления о гигиене. Ожидаемая продолжительность жизни в США в 1900 г. составила 49 лет. В Европе на полях сражений Первой мировой войны умирали десятки тысяч солдат, и возникла нужда в настоящей медицинской науке, в проведении реальных экспериментов с воспроизводимыми результатами, которые затем публиковались в медицинских журналах. Европейские короли в ужасе наблюдали, как гибнут их лучшие и умнейшие подданные, и требовали от врачей настоящих результатов, а не пустых фокусов. Теперь врачи, вместо того чтобы угождать богатым покровителям, сражались за признание и славу при помощи статей в солидных рецензируемых журналах. Так была подготовлена платформа для продвижения антибиотиков и вакцин, которые увеличили ожидаемую продолжительность жизни до 70 лет и более.

Третья стадия развития – это молекулярная медицина. Мы сегодня наблюдаем слияние медицины и физики, видим, как медицина проникает вглубь вещества, к атомам, молекулам и генам. Этот исторический переход начался в 1940-е гг., когда австрийский физик Эрвин Шрёдингер, один из основателей квантовой теории, написал востребованную книгу «Что такое жизнь?». Он отверг представления о том, что существует какой-то таинственный дух, или жизненная сила, которая присуща всем живым существам и которая собственно и делает их живыми. Вместо этого, рассуждал ученый, вся жизнь основана на некоем коде, а код этот содержится в молекуле. Обнаружив ее, он предполагал, что разгадает тайну бытия. Физик Фрэнсис Крик (Francis Crick), вдохновленный книгой Шрёдингера, объединил усилия с генетиком Джеймсом Уотсоном, чтобы доказать, что этой сказочной молекулой является молекула ДНК. В 1953 г. было сделано одно из важнейших открытий всех времен – Уотсон и Крик раскрыли структуру ДНК, имеющую форму двойной спирали. Длина одной нитки ДНК в распутанном виде составляет около двух метров. Такая нитка представляет собой последовательность из 3 млрд азотистых оснований, которые обозначаются буквами A, T, C, G (аденин, тимин, цитозин и гуанин) и несут в себе закодированную информацию. Расшифровав точную последовательность азотистых оснований в цепочке ДНК-молекулы, можно прочесть книгу жизни.

Стремительное развитие молекулярной генетики привело в конце концов к возникновению проекта «Геном человека» – важнейшей вехи в истории медицины. Ударная программа секвенирования всех генов человеческого организма обошлась примерно в 3 млрд долларов и включала в себе работу сотен ученых по всему миру. Успешное завершение проекта в 2003 г. ознаменовало начало новой эпохи в науке. Со временем у каждого человека появится личная карта генома на электронном носителе вроде CD-ROM. В этой карте будут записаны все примерно 25 000 генов данного человека, и она станет для каждого своеобразной «инструкцией по применению».

Нобелевский лауреат Дэвид Балтимор обобщил все вышесказанное одной фразой: «Сегодняшняя биология – это информационная наука».

Ближайшее время (с настоящего момента до 2030 г.)

Движущей силой сегодняшнего взрывного развития медицины являются, в частности, квантовая теория и компьютерная революция. Квантовая теория дала человеку поразительно подробные модели молекулярной структуры – например, структуры белков и молекулы ДНК. Мы знаем, как построить молекулу жизни, атом за атомом. А секвенирование генов, которое прежде было долгой, нудной и дорогой процедурой, теперь полностью автоматизировано и производится роботами. Первоначально секвенирование всех генов в теле одного человека стоило несколько миллионов долларов. Эта процедура была настолько дорогой и длительной, что лишь горстка людей в мире (включая ученых, которые занимались совершенствованием и отладкой этой технологии) могла позволить себе обзавестись собственной геномной картой. Однако всего через несколько лет эта экзотическая технология, по всей видимости, станет доступна каждому.

(Прекрасно помню свое выступление на конференции во Франкфурте в конце 1990-х гг., где говорилось о будущем медицины. Я предсказывал, что к 2020 г. личная карта генома будет вполне доступна и каждый желающий сможет обзавестись диском или чипом с полным описанием своих генов. Мое заявление вызвало раздражение одного из участников; он поднялся и сказал, что это несбыточная мечта. Генов в человеческом организме попросту слишком много, и составление персональной геномной карты для любого человека будет стоить слишком дорого. Проект «Геном человека» обошелся в 3 млрд долларов, и стоимость секвенирования генов каждого отдельного человека никогда не снизится слишком сильно. Позже мы с ним еще поговорили на эту тему, и я понял, в чем заключается проблема. Этот человек мыслил линейно. Однако за короткое время закон Мура многократно снизил цены и дал возможность секвенировать ДНК с использованием роботов, компьютеров и автоматических установок. Тот человек просто не понял, какое глубокое значение приобрел в биологической науке закон Мура. Сегодня, оглядываясь назад, я понимаю, что если и ошибся в оценке, то в бо́льшую сторону. На самом деле возможность получить личную генную карту появится еще раньше.)

К примеру, инженер из Стэнфордского университета Стивен Квейк (Stephen R. Quake) разработал на основе последних достижений очередную роботизированную систему. Он сумел снизить стоимость полного секвенирования до 50 000 долларов и уверен, что через несколько лет она упадет до 1000 долларов. Ученые предполагают, что падение стоимости секвенирования генов до 1000 долларов может послужить сигналом к началу массового обращения за генными картами, так что эта технология станет доступна значительной части человечества. Может быть, через несколько десятков лет процедура полного секвенирования генов будет стоить меньше 100 долларов, не дороже стандартного анализа крови.

(Ключ к последним достижениям в этой области – рационализация процедуры секвенирования. Квейк сравнивает цепочки исследуемой ДНК с аналогичными цепочками, которые были уже прочитаны у других пациентов. Он разбивает геном на кусочки, содержащие по 32 бита информации, затем компьютерная программа сравнивает эти фрагменты с уже прочитанными геномами других людей. Известно, что ДНК всех людей почти идентична, различия составляют в среднем менее 0,1 %. Это означает, что компьютер может быстро найти среди 32-битных фрагментов соответствующие.)

Квейк стал восьмым человеком в мире, чей геном был полностью прочитан. В этом проекте у него был и личный интерес, поскольку он хотел проверить свой геном на признаки сердечно-сосудистых заболеваний. К несчастью, его геном свидетельствует о том, что он действительно унаследовал не самый удачный вариант одного из генов, связанный с сердечным заболеванием. «Чтобы рассматривать собственный геном, нужно обладать крепкими нервами», – пожаловался Квейк.

Мне знакомо это жутковатое чувство. Мой геном тоже был частично секвенирован и записан на лазерный диск для передачи канала BBC-TV/Discovery, которую я должен был вести. Врач взял у меня из руки немного крови и отправил ее в лабораторию Университета Вандербильта; через две недели оттуда почтой прислали CD-ROM, где были записаны тысячи моих генов. Даже держать этот диск в руках было как-то странно – ведь на нем была записана часть «чертежей», по которым построено мое тело. В принципе, на базе информации с этого диска можно было бы создать мою точную копию.

Надо сказать, что любопытство мое тоже было затронуто – ведь на этом диске были записаны многие тайны моего тела. К примеру, я получил возможность проверить, есть ли у меня один конкретный ген, который увеличивает вероятность болезни Альцгеймера. Это меня всегда беспокоило, поскольку моя мама умерла именно от этой болезни. (К счастью, у меня этого гена нет.)

Кроме того, четыре моих гена были сопоставлены с соответствующими генами тысяч других людей по всему миру, у которых также были взяты образцы для анализа. Затем на карте земного шара обозначили места проживания всех тех людей, которые обладают точно такими же, как я, копиями этих четырех генов. Точки на карте образовали длинный след, начинающийся у Тибета и затем протянувшийся через весь Китай в Японию. Я был поражен. Оказалось, что точки на карте показывают след древних миграций предков моей матери, протянувшийся в прошлое на тысячи лет. Мои предки не оставили записей о своих перемещениях в эти древние времена, но карта их передвижений, как ни странно, оказалась прочно вписана в мою кровь и ДНК. (Можно проследить и происхождение отца. Если митохондриальные гены передаются в неизменном виде от матери к дочери, то Y-хромосома, наоборот, передается от отца к сыну. Так что, анализируя эти гены, можно проследить за предками человека по материнской и отцовской линии.)

Мне представляется, что в недалеком будущем многие люди испытают такое же странное чувство, как и я, взяв в руки диск с «чертежами» своего тела и прочитав самые сокровенные его тайны, включая скрытые в геноме опасные болезни и древние миграционные маршруты предков.

Но для ученых все это – первые шаги новой области науки, получившей название биоинформатики. Ее основа – сканирование и анализ геномов тысяч живых организмов при помощи компьютеров. К примеру, если ввести в компьютер данные о геноме нескольких сотен человек, страдающих определенной болезнью, может быть, получится вычислить точное расположение поврежденного участка ДНК. В настоящее время многие мощные компьютеры в мире задействованы именно в биоинформационных исследованиях и заняты анализом миллионов генов, содержащихся в растениях и животных, а также поиском среди них определенных ключевых генов.

При помощи биоинформатики можно было бы, к примеру, внести свежую струю в детективные телешоу, такие как «C.S.I.: место преступления». По крошечным кусочкам содержащих ДНК веществ (к примеру, волосяным луковицам, слюне или крови) можно было бы определять не только цвет волос, глаз, этническую принадлежность, рост и медицинскую историю конкретного человека, но, возможно, и его лицо. Сегодня полицейские художники могут воссоздать приблизительный скульптурный портрет жертвы преступления по черепу. Не исключено, что в будущем компьютер сможет реконструировать черты лица человека по каплям его крови или частицам перхоти. (Тот факт, что однояйцевые близнецы очень похожи внешне, означает, что черты лица человека в значительной степени определяются генетическими, а не внешними факторами.)

Как мы уже говорили, визит к врачу в будущем радикально поменяется. Общаясь с доктором посредством настенного интернет-экрана, вы, вероятно, будете иметь дело с компьютерной программой. В вашей ванной комнате будет установлено больше датчиков, чем в современной больнице, и они смогут без труда и шума обнаружить раковые клетки за несколько лет до возникновения опухоли. К примеру, около половины всех случаев обычного рака связаны с мутацией гена p53, которую можно без труда обнаружить при помощи таких датчиков.

При появлении первых признаков рака вам будет сделана инъекция специальных наночастиц, которые попадут в кровь и, подобно умным бомбам, доставят противораковые лекарства непосредственно к месту расположения раковых клеток. Сегодняшняя химиотерапия покажется нам такой же примитивной, какими сейчас кажутся медицинские пиявки прошлого и позапрошлого веков. (Подробнее о нанотехнологии, ДНК-чипах, наночастицах и наноботах мы поговорим в следующей главе.)

Если «врач» на вашем настенном экране не сможет вылечить болезнь или травму какого-то органа, вы сможете вырастить для себя новый орган. На сегодняшний день только в США в очереди на пересадку различных органов «стоит» 91 000 человек. Все они ждут одного – чтобы нашелся донорский орган на замену. Каждый день 18 человек из этой очереди умирает, так и не дождавшись спасения.

В будущем у нас появятся трикордеры, как в «Звездном пути», которые смогут диагностировать почти любую болезнь; с изобретением портативных МРТ-сканеров и ДНК-чипов это станет вполне возможным

В будущем, если виртуальный врач обнаружит какое-то нарушение в одном из ваших органов, он сможет заказать новый орган, который будет выращен на специальной фабрике непосредственно из ваших собственных клеток.

Одной из самых «горячих» областей медицины на сегодня является так называемая «тканевая инженерия», цель которой – сделать возможной «мастерскую» по изготовлению запасных частей для человеческого тела.

Уже сейчас ученые умеют выращивать в лаборатории кожу, кровь, кровеносные сосуды, сердечные клапаны, хрящи, кости, носы и уши из собственных клеток человека. Первый серьезный орган – мочевой пузырь – был выращен в 2007-м, а первая трахея – в 2009 г. До сих пор получается выращивать только относительно простые органы, содержащие лишь несколько типов тканей и почти не структурированные. Можно предположить, что лет через пять удастся вырастить первую печень и поджелудочную железу, что будет иметь громадное значение для всей системы здравоохранения. Нобелевский лауреат Уолтер Гилберт в разговоре со мной сказал, что предвидит в недалеком будущем – всего через несколько десятилетий – такое время, когда можно будет вырастить из клеток практически любой орган.

Чтобы вырастить новый орган для конкретного человека методом тканевой инженерии, сначала необходимо получить некоторое количество клеток этого человека. Затем эти клетки вводят в пластиковую матрицу, которая по внешнему виду напоминает губку в форме нужного органа. Матрица изготавливается из биорассасывающегося полимера гликолевой кислоты. Кроме того, клетки обрабатывают определенными факторами роста, что стимулирует их развитие и рост внутри матрицы. Со временем матрица рассасывается, оставляя вместо себя желаемый орган.

Мне довелось побывать в лаборатории Энтони Аталы (Anthony Atala) в Университете Уэйк-Форест в Северной Каролине и лично стать свидетелем применения этой технологии. Проходя по лаборатории Аталы, я видел бутыли с живыми человеческими органами. Я видел кровеносные сосуды и мочевые пузыри; я видел сердечные клапаны, которые непрерывно открывались и закрывались, потому что через них прокачивали различные жидкости. Вид живых органов, функционирующих в сосудах, вызывал ассоциации с лабораторией доктора Франкенштейна. Однако были и принципиальные различия. Тогда, в XIX в., медики не подозревали о существовании механизмов отторжения чужеродных тканей, которые так затрудняют пересадку органов. Кроме того, врачи не умели останавливать инфицирование, которое было неизбежным следствием любой хирургической операции. Поэтому Атала, вместо того чтобы создавать чудовищ, разрабатывает новую жизнесберегающую медицинскую технологию, которая когда-нибудь, возможно, полностью изменит сущность медицины.

Одна из целей его лаборатории – выращивание человеческой печени – может быть реализована в течение пяти лет. Вообще говоря, печень не так уж сложна и содержит в себе ткани лишь нескольких типов. Выращенная в лаборатории печень могла бы спасти тысячи жизней, в первую очередь тех, кто остро нуждается в пересадке этого органа. Она могла бы спасать и алкоголиков, страдающих циррозом. (К несчастью, эта технология может также побудить людей прочнее держаться за свои дурные привычки, ведь они будут знать, что смогут получить новый орган взамен поврежденного.)

Если некоторые органы человеческого тела, такие как трахея и мочевой пузырь, выращивать уже научились, то что мешает ученым вырастить все без исключения органы? Проблема, с одной стороны, заключается в выращивании крохотных капилляров, которые обеспечивают кровью клетки тканей, ведь кровь должна поступать к каждой клетке тела. Кроме того, существует проблема выращивания сложных структур. К примеру, почка, очищающая нашу кровь от токсинов, состоит из миллионов мельчайших фильтров, и матрицу для этих фильтров создать будет очень нелегко.

Но наибольшие сложности при выращивании представляет другой человеческий орган – мозг. Хотя воссоздание или наращивание мозга – дело не ближайших десятилетий, не исключено, что, если ввести молодые клетки непосредственно в мозг, он подхватит их и включит в свою нейронную сеть. Такая инъекция, конечно, будет случайной, поэтому пациенту придется многие базовые функции осваивать заново. Но поскольку мозг «пластичен» – т. е. он постоянно, с каждой новой задачей, обновляет свою структуру и связи, – не исключено, что он действительно сможет безболезненно интегрировать новые нейроны и добиться, чтобы они правильно срабатывали.