Понятие и особенности строения стволовых клеток. Стволовые клетки и их применение
Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) являются предшественниками всех клеток соединительной ткани. МСК были изолированы из костного мозга и других тканей у взрослых множества видов позвоночных. Они размножались в культуре и диффренцировались в несколько ткань – образующих клеток, таких, как кость, хрящ, жир, мускулатура, сухожилие, печень, почки, сердце, даже клетки мозга. Последние достижения в практическом применении МСК при регенерации человеческого суставного мыщелока синовиального сустава являются примерами их функциональности и многосторонности.
Таким образом, мезенхимальные клетки при дифференцировке образуют различные клетки соединительной ткани.
3.4 Стромальные стволовые клетки
Созданы линии человеческих мезенхимальных стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в различные тканевые клетки, включая кость, нервные клетки, стромальные клетки костного мозга, поддерживать рост гемопоэтических стволовых клеток и так называемых “стромальных опухолевых клеток”, смешанных с опухолевыми клетками. Обладающие теломеразой человеческие стромальные клетки из костного мозга обладают повышенной продолжительностью жизни и поддерживают рост гемопоэтических клоногенных клеток. Перенос гена индийского ежа (дикобраза) существенно увеличил экспансию гемопоэтических стволовых клеток, поддерживаемую человеческими стромальными клетками костного мозга. Генномодифицированные мезенхимальные стволовые клетки полезны, как терапевтические инструменты для лечения повреждения мозговых тканей (например, в результате инфаркта мозга) и злокачественных мозговых неоплазм. Трансплантация мезенхимальных стволовых клеток защищает мозг от острого ишемического повреждения при окклюзии среднемозговой артерии на животной модели. Полученный из мозга нейротропный фактор (BDNF)-генной трансдукции еще больше увеличил протективную эффективность против ишемического повреждения. Мезенхимальные стволовые клетки обладают отличной способностью к миграции и оказывают ингибиторный эффект на клетки глиомы. Генная модификация мезенхимальных стволовых клеток терапевтическими цитокинами увеличивает антиопухолевый эффект и пролонгирует выживание животных с опухолями. Генная терапия, использующая мезенхимальные стволовые клетки, как тканепротективный и направленный цитореагент является многообещающим подходом.
Этот обзор посвящен стволовым клеткам костного мозга. Методы индентификации, культивирования, накопления клеточной массы и пересадки стволовых клеток описаны, включая выделение линий гемопоэтических и мезенхимальных линий стволовых клеток и детальный анализ, использующий многочисленные CD и другие маркеры для идентификации малых субпопуляций стволовых клеток. За секцией, посвященной стволовым клеткам крови пуповины, следует детальное обсуждение современной ситуации в клиническом использовании стволовых клеток, его последние неудачи, связанные с эпигенетическими факторами, различные подходы к открытию высокомультипотентных стволовых клеток костного мозга, и краткое описание эмбриологических подходов к идентификации базовых стволовых клеток костного мозга на самых ранних стадиях развития эмбрионов млекопитающих.
Костный мозг взрослых млекопитающих содержит не одну, а две отдельные популяции взрослых стволовых клеток. Первой и наиболее хорошо охарктеризованной является популяция гемопоэтических стволовых клеток, ответственная за поддержание продукции в течение всей жизни клеток крови. Биологические характеристики и свойства второй резидентной популяции стволовых клеток костного мозга, называемых стромальными клетками костного мозга или мезенхимальными стволовыми клетками, значительно менее понятны. In vitro культуры, произошедшие из суспензии разделенного на отдельные клетки костного мозга различных видов млекопитающих, образуют колонии стромальных клеток костного мозга, каждая из которых происходит от одной клетки – предшественника, называемой колониеобразующий фибробласт. Были разработаны условия культивирования для выращивания стромальных клеток костного мозга in vitro, которые сохраняли способность дифференцироваться в кость, жир и хрящ. Значительная доля современных знаний об этой популяции клеток базируется на анализе свойств этих культур клеток, а не на свойствах первичных инициирующих рост колонии клеток. Современные данные заставляют предположить, что стромальные прогениторы в костном мозге in situ ассоциированы с внешней поверхностью сосудов и могут делить идентичность с сосудистыми перицитами.
Таким образом, стромальные стволовые клетки костного мозга являются одним из видов мезенхимальных стволовых клеток.
3.5 Тканеспецифичные стволовые клетки
Полагают, что стволовые клетки важны для регенерации нескольких взрослых тканей. В последнее время были идентифицированы взрослые стволовые клетки с очень широким потенциалом дифференцировки, хотя не известно представляют ли они примитивные стволовые клетки или продукты исключительно редких событий дедифференцировки, включающие тканевоспецифичные стволовые клетки. Была также продемонстрирована трансдифференцировка тканевоспецифичных стволовых клеток за границы линии, но относительная неэффективность процесса in vivo, даже в присутствии тканевого повреждения, подвергает сомнению физиологическое значение такого механизма. Интересно, что среди взрослых стволовых клеток. которые культивируются ex vivo продолжительные периоды времени, способность изменять линию наибольшая. Если решения о судьбе нормальных разнообразных стволовых клеток могут быть изменены с высокой частотой in situ, могут быть представлены возможные регенеративные терапии для большого разнообрзия болезней. Интегральное понимание транкрипционной регуляторной сети, которая включает различные взрослые стволовые клетки, также, как и сигнальных путей, управляющих их дифференцировкой в терапевтически полезные клеточные типы, будет способствовать клиническому приложению этих волнующих открытий.
Таким образом, тканевоспецифичные стволовые клетки способны дифференцироваться в другие типы клеток, но in vivo этот процесс малоэффективен. Тем не менее сейчас разрабатываются подходы, сделающие возможным использования этого источника стволовых клеток.
Стволовая клетка - это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию во все специализированные типы клеток организма. Самое существенное свойство стволовых клеток заключается в том, что они могут самоподдерживаться в течение длительного времени и при этом производить дифференцированные клетки, которые выполняют в организме специфические функции. Таким образом, все клетки нашего организма возникают из стволовых клеток. Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Но так как. в процессе взросления человека наблюдается катастрофическое снижение количества стволовых клеток (при рождении - 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам - 1 на 100 тысяч, к 30-1 на 300 тысяч) регенерация тканей и органов за их счет весьма ограничена.
Термин "стволовая клетка" был введен в биологию Александром Максимовым в 1908 году на съезде гематологического общества в Берлине. Однако, родоначальником клеточной терапии общепринято считать русского врача-эмигранта С. Воронцова, который в 20-30-е годы в Париже пытался пересаживать фетальные ткани в случаях преждевременного старения. Несмотря на это, статус большой науки эта область клеточной биологии получила в последнее десятилетие XX века.
Существует несколько классификаций стволовых клеток:
По их способу к дифференциации:
Тотипотентные клетки способны формировать все эмбриональные и экстраэмбриональные типы клеток клетки. К ним относятся только эмбриональный ооцит и бластомеры 2 -8 клеточной стадии.
Плюрипотентные клетки способны формировать все типы клеток эмбриона. К н6им относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином.
Другие типы стволовых клеток локализуются в сформировавшихся тканях взрослого организма. Они варьируют по степени дифференцировки от мульти- до унипотентных.
По источнику их выделения:
Эмбриональные стволовые клетки – внутриклеточная масса раннего эмбриона (на этапе бластоцисты 4 -7 день развития)
Фетальные стволовые клетки – клетки зародыша на 9 – 12 развития, выделенные из абортивного материала.
Стволовые клетки взрослого организма:
Гемопоэтические стволовые клетки(ГСК) – мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови – эритроцитам, В-лимфоцитам, Т-лимфоцитам, нейтрофилам, базофилам, эозинофилам, моноцитам, макрофагам и тромбоцитам. Кроме костного мозга ГСК обнаружены в системном кровотоке и скелетных мышцах.
Мезенхимные стволовые клетки – мультипотентные региональные стволовые клетки содержащиеся во всех мезенхимальных тканей (главным образом в костном мозге) способные в дифференцировке в различные типы мезинхимальных тканей, а также в клетки других зародышевых слоев.
Стромальные стволовые клетки – мультипотентные стволовые клетки взрослого организма, образующие строму костного мозга, имеющие мезинхимальное происхождение.
Тканеспецефичные стволовые клетки – располагаются в различных видах тканей и в первую очередь отвечают за обновление их клеточной популяции, первыми активируются при повреждении. Обладают более низким потенциалом, чем стромальные клетки костного мозга.
Виды тканеспецефичных стволовых клеток:
Нейрональные стволовые клетки в головном мозге – дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум другим группам не нейрональных клеток - астроцистам и олигодендроцистам
Стволовые клетки кожи – размещены в базальных пластах эпидермиса и возле основы волосяных фолликулов, которые могут давать начало кератоцитам, которые мигрируют на поверхность кожи и формирую защитный слой кожи
Стволовые клетки скелетной мускулатуры – выделяют из поперечно полосатой мускулатуры, они способны к дифференцировке в клетки нервной, хрящевой, жировой и костной ткани, поперечнополосатой мускулатуры. Однако последние исследования показывают, что клетки скелетной мускулатуры, это не что иное, как мезинхимные стволовые клетки, локализованные в мышечной ткани.
Стволовые клетки миокарда – способны дифференцироваться в кардиомиоциты и эндотелий сосудов.
Стволовые клетки жировой ткани – обнаружены в 2001 году, поведенные с тех пор дополнительные исследования показали, что эти клетки могут превращаться в другие типы тканей, из них можно выращивать клетки нервов, мышц, костей, кровеносных сосудов или, по крайней мере, клетки, имеющие свойства выше перечисленных.
Стромальные клетки спинного мозга (мезинхимальные стволовые клетки): дают начало разным типам клеток.
Актуальность проблемы стволовых клеток не вызывает сомнений, ведь потенциал стволовых клеток только начинает использоваться наукой. Ученые надеются в ближайшем будущем создавать из них ткани и целые органы, необходимые больным для трансплантации взамен донорских органов. Их преимущество в том, что их можно вырастить из клеток самого пациента, и они не будут вызывать отторжения. Потребности медицины в таком материале практически неограниченны.
5. Список литературы
Прошло около полувека с того времени, когда ведущие школы отечественной гематологии впервые опубликовали данные о «вечных» клетках, дающих жизнь всему организму и поддерживающих ее от начала до конца. Но уровень научных знаний и технического оснащения лабораторий того времени не позволил сделать следующий шаг на пути исследования этих загадочных клеток. Их время наступило лишь в начале 90-х годов, когда ученые США повторно «открыли» стволовые клетки сначала в костном мозге, а затем и во всех органах и тканях высших животных. Когда же широкой общественности стало известно, что стволовые клетки могут быть внесены в организм искусственно, то ученый мир загудел, как растревоженный улей, а предприниматели от медицины немедленно приступили к освоению этой области.Что же такое стволовые клетки? Объяснить это можно так: стволовыми клетками называют универсальные клетки организма, способные при определенных условиях развиться в любой вид ткани и способствовать образованию любого органа - печени, почек, сердца, мозга и т.д.
Откуда же они берутся? Известно, что каждый человек произошел от соединения яйцеклетки и сперматозоида. То есть происхождению всего того, что у нас есть, мы обязаны двум клеткам, объединившимся в одну - зиготу. Именно она делится и дает начало клеткам, не имеющим других функций, кроме передачи генетического материала в следующие клеточные поколения. Это эмбриональные стволовые клетки. Из них развиваются все остальные высокодифференцированные клетки организма. После «распределения обязанностей» эти клетки закрываются для дальнейшего изменения и могут быть доступны только для «чтения», причем каждая в определенном формате: нервная клетка - это только нервная клетка, неспособная участвовать в создании эпителиальной ткани или входить в состав миокарда и т.п. В то же время некоторым стволовым клеткам удается все же ускользнуть от определенности и остаться доступными для дальнейшего изменения только в случае крайней необходимости.
Таким образом, стволовые клетки - это универсальный строительный материал, из которого произрастает все, что угодно. Пока человеческому организму хорошо, стволовые клетки свободно и независимо «блуждают» по его просторам. Но как только стволовые клетки получают генетический сигнал (неполадка, повреждение ткани или органа), они по кровяному руслу устремляются к пораженному органу, находят любое повреждение и превращаются на месте в необходимые организму клетки - костные, гладкомышечные, печеночные, нервные и т.д.
Человеческий организм содержит примерно 50 миллиардов стволовых клеток, которые регулярно обновляются. С годами количество таких живых «кирпичиков» сокращается - для них находится все больше работы, а заменить их нечем. Этот процесс начинается уже к 20 годам, а в 70 лет их остается совсем немного. Более того, стволовые клетки немолодого человека уже не так универсальны: в клетки крови они превратиться еще могут, а в нервные - уже нет. Но если удастся искусственным образом ввести стволовые клетки в организм, т.е. заменить ветхие или больные клетки,тогда вполне реально вернуть здоровье и даже значительно продлить жизнь человека.
Где же взять эти самые стволовые клетки для искусственного введения? Сегодня считается, что ученые могут получать стволовые клетки, культивировать и направлять их по нужному пути - для этого есть несколько способов:
Первый - человек может стать донором стволовых клеток для себя самого. Наибольшее их количество находится в костном мозге таза. Они извлекаются при помощи пункции, а затем в лабораторных условиях их особым образом активизируют, наращивают и вводят обратно в организм, где при участии специальных сигнальных веществ они направляются к «больному месту».
Вторым источником стволовых клеток является пуповинная кровь, собранная после рождения ребенка. Взяв ее из пуповины и поместив в специальное хранилище, стволовые клетки в дальнейшем можно использовать для восстановления практически любой ткани и органа этого человека, а также использовать их для лечения других пациентов при условии совместимости по антигенам.
Источником следующего вида стволовых клеток (фетальных) является абортивный материал 9-12 недели беременности. Этот источник на сегодняшний день используется наиболее часто. Но помимо этических и юридических трений, эти клетки иногда могут вызвать отторжение трансплантанта. Кроме того, использование непроверенного абортивного материала чревато заражением пациента вирусным гепатитом, СПИДом и т.п. Если же проводить диагностику материала на вирусы, увеличивается себестоимость метода, что в конечном итоге приводит к росту стоимости самого лечения.
И, наконец, еще одним источником «чудо-строителей» является бластоциста, которая формируется к 5-6 дню оплодотворения. Это эмбриональные стволовые клетки. Они наиболее универсальны, по сравнению со стволовыми клетками взрослых людей, и способны дифференцироваться абсолютно во все типы клеток организма. Положительной стороной использования этих универсальных стволовых клеток следует считать тот факт, что клетки как бы никому не принадлежат и не выполняют никаких специальных функций, а потому при пересадке не возникает реакция отторжения.
Это открытие предоставляет для медицины огромные возможности, но все-таки это дело будущего, ведь несмотря на многолетнюю работу ученых всего мира в этом направлении, достижения по-прежнему скромны. Истинная стволовая клетка, по-видимому, тем и отличается от других, что не несет на себе никаких специфических опознавательных знаков, оставаясь безликой до тех пор, пока не определится ее дальнейшая судьба. Но и определить искусственно эту судьбу, применив те или иные, порой очень сложные и трудоемкие, методы, удается чрезвычайно редко.
Есть и другой момент, заслуживающий внимания. Стволовая клетка по своим характеристикам очень напоминает опухолевую клетку. Отличие состоит лишь в том, что опухолевая клетка не желает созревать ни при каких обстоятельствах, продолжая делиться и наращивать массу себе подобных. Но где та грань, которая разделяет эти два типа клеток? В здоровом организме активно функционирует система безопасности. Ее деятельность приводит к потере дочерними клетками способности к безграничному самовоспроизведению и позволяет свести к минимуму вероятность возникновения злокачественной либо доброкачественной опухоли. Возникает реальная опасность получить при введении низкодифференцированных клеток извне их безудержное размножение в организме пациента и, как следствие, опухолевый рост. В научной литературе описано множество случаев именно такого развития событий.
Другой наиболее часто встречающейся проблемой при трансплантации тканей вообще и стволовых клеток различной степени зрелости в частности являются упомянутые уже осложнения иммунного характера, в том числе связанные с развитием реакции «трансплантат против хозяина». Отторжение и гибель пересаженных клеток относятся, пожалуй, к самому благоприятному исходу в данном случае.
Открытым остается также вопрос о регулировании дальнейшего поведения трансплантированных клеток в организме. В большинстве случаев ученые в ходе эксперимента не могут достоверно определить, какие из введенных клеток приживаются, а какие нет, чем обусловлены полученные эффекты и как избежать нежелательных направлений. Более того, в настоящее время не существует технологий, позволяющих быть абсолютно уверенными в том, что трансплантированные клетки попадают только в орган, нуждающийся во вмешательстве. Иными словами, никто на сто процентов не поручится, что в мышце не может вырасти кость, в то время как целью вмешательства было устранение косметического дефекта кожи. Ведь даже при использовании собственных клеток, полученных из костного мозга пациента и обработанных в лабораторных условиях, мы не можем достоверно определить, что происходит с клетками, извлеченными из привычного для них микроокружения и помещенными в искусственные питательные среды для «обогащения и активирования». Чем они обогащаются? Для чего активируются? Да и возможность заражения культуры стволовых клеток, готовящихся к реплантации, вирусами или другими микроорганизмами нельзя полностью исключить даже при соблюдении всех мер предосторожности в условиях научной лаборатории, не говоря уже о косметических салонах и стоматологических кабинетах.
Гемопоэтические стволовые клеткиПервая в мире трансплантация гемопоэтических клеток пуповинной крови была проведена Элиан Глюкман в 1988 году в клинике Святого Людвига в Париже ребенку с анемией Фанкони. В настоящее время (2003 год) в мире проведено уже более 1000 таких пересадок больным с самыми различными заболеваниями опухолевой (лейкозы, лимфомы) неопухолевой (врожденные иммунодефициты, анемии, болезни, связанные с нарушением обмена веществ) природы.
Кроме того, показано, что родственные трансплантации дают больший процент успешных терапевтических результатов (63%) , чем неродственные (до 29%). К сожалению, пока нет данных о трансплантации собственных ГКПК, поскольку банки ПК - новое начинание. Но имеющиеся на сегодняшний день данные свидетельствуют однозначно в пользу создания таких банков, поскольку очевидно, что пересадка собственных ГКПК больному реципиенту должна давать очень высокий, если не 100%-ный результат.
Стромальные клетки костного мозга
О возможностях использования других видов стволовых клеток можно рассказать на примере стромальных клеток, находящихся в костном мозге. Большая часть стволовых клеток взрослого организма находится в костном мозге. Как известно, костный мозг, прежде всего, - плацдарм кроветворения. Он состоит из двух видов стволовых клеток: тех, из которых получается все известное многообразие клеток крови (так называемые гемопоэтические стволовые клетки), и стромальных стволовых клеток, о которых и пойдет речь.
По сравнению с гемопоэтическими, стромальных стволовых клеток в костном мозге совсем немного, и они представляют собой более сложные долгоживущие системы, которые обновляются достаточно редко. Пути превращения стромальных клеток только начинают изучать. Как показали последние исследования, стромальные клетки, так же как и предшественники клеток крови, постоянно циркулируют в кровотоке млекопитающих.
Стволовые клетки
участвуют в восстановлении поврежденных тканей. Каким образом здоровый организм взрослого человека восстанавливает органы и ткани в случае их повреждения? Установлено, что в регенерации участвуют два вида стволовых клеток - специализированные тканевые и универсальные стромальные клетки костного мозга.
Неспроста мудрая природа наряду с "локальными депо" (тканевыми стволовыми клетками) создала и "центральный склад запчастей" (стромальные клетки костного мозга). Если тканевые стволовые клетки используются для восстановления поврежденных участков только в данном месте и для определенного вида ткани (костные - для костей, мышечные - для мышц и т. д.), то "запчасти центрального склада" - стромальные стволовые клетки костного мозга - универсальны. Они поступают с кровотоком в поврежденный орган или ткань и на месте под влиянием различных сигнальных веществ превращаются в нужные специализированные клетки, которые замещают погибшие.
Стромальные стволовые клетки костного мозга способны превращаться во многие другие клетки организма. Еще в 60-е годы Фриденштейн и его коллеги в экспериментах на животных клетках показали, что стромальные клетки способны превращаться в хрящевые (хондроциты), в жировые (адипоциты) и костные (остеобласты) клетки. Причем способность к таким превращениям у них сохраняется и при выращивании колонии из одной единственной стромальной клетки. То есть принципиально возможно вырастить большое количество стромальных клеток, а затем с помощью специальных сигнальных веществ направить их "по нужному пути" - для восстановления поврежденных тканей.
В случае тяжелых повреждений организму своих собственных стромальных клеток не хватает. Ему можно помочь, вводя стромальные клетки извне. Итальянские ученые поставили простой опыт: методом облучения мышам полностью удалили костный мозг, затем ввели специально помеченные стромальные клетки. Через несколько дней животным дали препарат, от которого у них начали разрушаться мышцы передних ног. Через две недели после инъекции стромальных клеток мышечная ткань передних лапок у мышей частично восстановилась. Оказалось, что большая часть новых мышечных клеток образовалась из введенных стромальных. Видимо, стромальные клетки подходят к месту повреждения, где получают "химический сигнал" о том, в какие клетки им нужно превратиться, чтобы компенсировать потери организма. Более того, ученые сумели "заставить" стромальные клетки под действием специальных сигнальных веществ превращаться в клетки гладких мышц прямо "в пробирке".
Японские ученые получили из стромальных клеток костного мозга мышей клетки сердечной мышцы Оказалось, что введение стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы (зону инфаркта) практически полностью устраняет явления послеинфарктной сердечной недостаточности у экспериментальных животных. Так, стромальные клетки, введенные свиньям-"инфарктникам", уже через восемь недель полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая ее функции практически полностью.
Результаты такого лечения инфаркта у животных просто поразительны. По данным American Heart Association (Американского кардиологического общества) за 2000 год, у крыс с искусственно вызванным инфарктом 90% стромальных клеток костного мозга, введенных в область сердца, полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы.
Такая клеточная терапия для восстановления повреждений сердечной мышцы после инфаркта весьма перспективна, потому что для нее используются собственные стволовые стромальные клетки организма. А они не отторгаются, кроме того, при введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность их злокачественного перерождения.
И уж совсем невероятная метаморфоза - стромальные клетки могут настолько "забыть" о своем костномозговом происхождении, что под влиянием определенных факторов превращаются даже в нервные клетки (нейроны). Через две недели после добавления специального сигнального вещества в культуру стромальных клеток они уже на 80% состоят из нейронов! Это пока лишь "пробирочное" достижение, но оно вселяет надежду на излечение больных с тяжелыми поражениями спинного и головного мозга. Тем более, что (как показали многие исследователи) при введении собственных стромальных клеток костного мозга в спинномозговой канал человека они равномерно распределяются по всем отделам головного мозга, не нарушая его структуры.
Чрезвычайно важный эксперимент провели американские исследователи. У мышей искусственным образом вызывали инсульт, после чего вводили им собственные стромальные клетки в спинномозговой канал. В 100% случаев у мышей происходило частичное восстановление двигательной активности конечностей. Результат многообещающий, поэтому неудивительно, что система Национальных Институтов Здоровья США выделила на разработку проблемы превращения стромальных клеток в нейроны огромные средства. Инсульт - болезнь распространенная и пока неизлечимая.
Стромальные клетки превращаются и в печеночные. Установлено, что при повреждении печени новые печеночные клетки (гепатоциты) и их предшественники формируются в основном из донорских стромальных клеток костного мозга.
Стромальные клетки в клинической практике - это уже реальностьВ терапевтическом применении стромальных клеток сегодня, без сомнения, лидирует ортопедия. Дело в том, что в руках у медиков имеются уникальные вещества: особые белки, вызывающие перерождение стромальных клеток в клетки костной ткани (остеобласты). Результаты клинических испытаний впечатляют. В США 91-летней пациентке с незаживающим в течение 13 лет переломом вживили специальную коллагеновую пластинку с нанесенными на нее этими белками. При этом поступающие в зону перелома стромальные клетки "притягивались" к пластинке и под действием этих же белков начинали превращаться в клетки костной ткани. Через восемь месяцев после установки пластинки сломанная кость у больной практически восстановилась.
Интересный эксперимент с использованием тканевых стволовых клеток провели американские исследователи. Они вырастили стволовые клетки мышечной ткани (миобласты) из бедренных мышц 72-летнего пациента-инфарктника. Затем эти клетки ввели ему непосредственно в зону инфаркта, после чего у больного было отмечено значительное улучшение сократительной способности сердца.
Источники стромальных гемопоэтических клеток для восстановительной терапии
Итак, в здоровом организме реально существует универсальный механизм залечивания повреждений с использованием внутреннего клеточного резерва - стромальных клеток костного мозга. После залечивания обширных повреждений костный мозг "пустеет", да и с возрастом запас стромальных клеток значительно уменьшается.
Как же осуществлять восстановление поврежденных клеток на практике? Откуда же взять собственные стволовые стромальные клетки костного мозга? Ведь когда с человеком уже что-то случилось - например, сломал ногу или пережил инфаркт, - уже поздно отбирать костный мозг и выращивать из него культуру стромальных клеток для последующего введения в пораженный участок. А убедить человека сдать образец костного мозга для того, чтобы получить из него культуру стромальных клеток на "всякий случай", довольно трудно. Лимитирующий фактор в лечении стромальными клетками - время. Когда случился инфаркт, свои или совместимые с организмом клетки нужны немедленно и в большом количестве.
Нужно ли создавать индивидуальные или донорские банки стромальных клеток для восстановительной медицины будущего? Без сомнения. В принципе, доноров найти нетрудно. Есть еще другая проблема. Когда мы рождаемся, у нас в костном мозге на 10 тысяч стволовых кроветворных клеток приходится одна стромальная клетка. У подростков стромальных клеток уже в 10 раз меньше. К 50-ти годам на полмиллиона стволовых - одна стромальная клетка, а в 70 лет отбирать пробу костного мозга просто бессмысленно - там всего лишь одна стромальная клетка на миллион стволовых. То есть сдавать костный мозг имеет смысл только в молодом возрасте, старикам придется использовать чужие культуры стромальных клеток. Причем донорские стромальные клетки удобнее всего получать прямо при рождении из пуповины и плаценты, где они тоже содержатся в достаточном количестве.
Использование эмбриональных стволовых клеток
Исследования в области эмбриональных стволовых клеток во многих странах сейчас ограничены. Одна из причин в том, что введение эмбриональных клеток пациенту, к сожалению, может заканчивается возникновением злокачественной опухоли. Другая причина - этическая. Основной источник эмбриональных клеток – эмбриональный материал. Католическая церковь, религиозные общины, различные общественные организации - все, кто борется за запрещение абортов, оказывают колоссальное давление на правительства и президентов, призывая вместе с абортами запретить и лечение с применением эмбриональных стволовых клеток. Этические проблемы сослужили плохую службу изучению эмбриональных клеток, но вместе с тем привлекли новые научные силы к исследованиям в области стволовых клеток взрослого организма.
В Израиле эксперименты со стволовыми клетками разрешены официально, поэтому лечение стволовыми клетками широкого спектра заболеваний - полностью законная операция, выполняемая в нескольких медицинских центрах, один из них - Топ Ихилов, совместно с CTCI, руководимый до настоящего времени профессором Славиным. По всем вопросам вы можете обращаться к нам, в том числе о прохождении практики или совместой работы.
Стволовые клетки - недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.
Развитие многоклеточных организмов начинается с одной стволовой клетки, которую впрочем никто так не называет, а называют зиготой. В результате многочисленных циклов деления и процесса дифференцировки образуются все виды клеток, характерные для данного биологического вида. В человеческом организме таких видов клеток более 220. Стволовые клетки сохраняются и функционируют и во взрослом организме, благодаря им может осуществляться обновление и восстановление тканей и органов. Тем не менее, в процессе старения организма их количество уменьшается.
В современной медицине стволовые клетки человека трансплантируют, то есть пересаживают в лечебных целях. Например, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток производится для восстановления процесса гемопоэза (кроветворения) при лечении лейкозов и лимфом.
Все стволовые клетки обладают двумя неотъемлемыми свойствами:
1) Самообновление , то есть способность сохранять неизменный фенотип после деления (без дифференцировки).
2) Потентность (дифференцирующий потенциал), или способность давать потомство в виде специализированных типов клеток.
Существуют два механизма, поддерживающих популяцию стволовых клеток в организме :
1) Асимметричное деление , при котором продуцируется одна и та же пара клеток (одна стволовая клетка и одна дифференцированная клетка).
2) Стохастическое деление : одна стволовая клетка делится на две более специализированных.
Дифференцирующий потенциал или потентность стволовых клеток - это способность производить определенное количество разных типов клеток. В соответствии с потентностью стволовые клетки делятся на следующие группы:
1) Тотипотентные (омнипотентные) стволовые клетки могут дифференцироваться в клетки эмбриональных и экстраэмбриональных тканей, организованные в виде трехмерных связанных структур (тканей, органов, систем органов, организма). Такие клетки могут дать начало полноценному жизнеспособному организму. К ним относится оплодотворённая яйцеклетка, или зигота. Клетки, образованные при первых нескольких циклах деления зиготы, также являются тотипотентными у большинства биологических видов. Однако к ним не относятся, например, круглые черви, зигота которых утрачивает тотипотентность при первом делении. У некоторых организмов дифференцированные клетки также могут обретать тотипотентность. Так, срезанную часть растения можно использовать для выращивания нового организма именно благодаря этому свойству.
2) Плюрипотентные стволовые клетки являются потомками тотипотентных и могут давать начало практически всем тканям и органам, за исключением экстраэмбриональных тканей (например, плаценты). Из этих стволовых клеток развиваются три зародышевых листка: эктодерма, мезодерма и энтодерма.
3) Мультипотентные стволовые клетки порождают клетки разных тканей, но многообразие их видов ограничено пределами одного зародышевого листка.
4) Олигопотентные клетки могут дифференцироваться лишь в некоторые, близкие по свойствам, типы клеток. К ним, например, относятся клетки лимфоидного и миелоидного рядов, участвующие в процессе кроветворения.
5) Унипотентные клетки (клетки-предшественницы, бластные клетки) - незрелые клетки, которые, строго говоря, уже не являются стволовыми, так как могут производить лишь один тип клеток. Они способны к многократному самовоспроизведению, что делает их долговременным источником клеток одного конкретного типа и отличает от не стволовых. Однако их способность к самовоспроизведению ограничена определённым количеством делений, что также отличает их от истинно стволовых клеток. К клеткам-предшественницам относятся, к примеру, некоторые из миосателлитоцитов, участвующих в образовании скелетной и мышечной тканей.
Классификация:
1) Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуют внутреннюю клеточную массу (ВКМ), или эмбриобласт, на ранней стадии развития эмбриона. Они являются плюрипотентными. Важный плюс ЭСК состоит в том, что они не экспрессируют HLA (human leucocyte antigens), то есть не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Каждый человек обладает уникальным набором этих антигенов, и их несовпадение у донора и реципиента является важнейшей причиной несовместимости при трансплантации. Соответственно, шанс того, что донорские эмбриональные клетки будут отторгнуты организмом реципиента очень невысок. При пересадке иммунодефицитным животным эмбриональные стволовые клетки способны образовывать опухоли сложного (многотканевого) строения - тератомы, некоторые из них могут стать злокачественными. Достоверных данных, о том как ведут себя эти клетки в иммунокомпетентном организме, например, в организме человека, нет. Вместе с тем, следует отметить, что клинические испытания с применением дифференцированных дериватов (производных клеток) ЭСК уже начаты. Для получения ЭСК в лабораторных условиях приходится разрушать бластоцисту, чтобы выделить ВКМ, то есть разрушать эмбрион. Поэтому исследователи предпочитают работать не с эмбрионами непосредственно, а с готовыми, ранее выделенными линиями ЭСК.
Одним из главных недостатков ЭСК является невозможность использования аутогенного, то есть собственного материала, при трансплантации, поскольку выделение ЭСК из эмбриона несовместимо с его дальнейшим развитием.
Характеристики эмбриональных стволовых клеток
- Плюрипотентность - способность образовывать любой из примерно 350 типов клеток взрослого организма (у млекопитающих);
- Хоуминг - способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию;
- Тотипотентность - способность дифференцироваться в целостный организм (11 дней после оплодотворения);
- Факторы , которые определяют уникальность стволовых клеток, находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток мРНК всех 3 тысяч генов[источник не указан 1360 дней], которые отвечают за раннее развитие зародыша;
- Теломеразная активность. При каждой репликации часть теломер утрачивается. В стволовых, половых и опухолевых клетках есть теломеразная активность, концы их хромосом надстраиваются, то есть эти клетки способны проходить потенциально бесконечное количество клеточных делений, они бессмертны.
2) Фетальные стволовые клетки получают из плодного материала после аборта (обычно срок гестации, то есть внутриутробного развития плода, составляет 9-12 недель). Естественно, изучение и использование такого биоматериала также порождает этические проблемы. В некоторых странах, например, на Украине и в Великобритании, продолжаются работы по их изучению и клиническому применению. К примеру, британская компания ReNeuron исследует возможности использования фетальных стволовых клеток для терапии инсульта. Эти клетки уже начали дифференцировку, и, следовательно, каждая из них, во-первых, может пройти только ограниченное число делений, и, во-вторых, дать начало не любым, а достаточно определенным видам специализированных клеток. Так, из клеток фетальной печени могут развиться специализированные клетки печени и кроветворные клетки. Из фетальной нервной ткани, соответственно, развиваются более специализированные нервные клетки.
3) Постнатальные стволовые клетки. Несмотря на то, что стволовые клетки зрелого организма обладают меньшей потентностью в сравнении с эмбриональными и фетальными стволовыми клетками, то есть могут порождать меньшее количество различных типов клеток, этический аспект их исследования и применения не вызывает серьёзной полемики. Кроме того, возможность использования аутогенного материала обеспечивает эффективность и безопасность лечения. Стволовые клетки взрослого организма можно подразделить на три основных группы: гемопоэтические (кроветворные), мультипотентные мезенхимальные (стромальные) и тканеспецифичные прогениторные клетки.
Иногда в отдельную группу выделяют клетки пуповинной крови, поскольку они являются наименее дифференцированными из всех клеток зрелого организма, то есть обладают наибольшей потентностью. Пуповинная кровь в основном содержит гемопоэтические стволовые клетки, а также мультипотентные мезенхимальные, но в ней присутствуют малые количества других разновидностей стволовых клеток, при определённых условиях способные дифференцироваться в клетки различных органов и тканей.
4) Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) - мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови миелоидного (моноциты, макрофаги, нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, эритроциты, мегакариоциты и тромбоциты, дендритные клетки) и лимфоидного рядов (Т-лимфоциты, В-лимфоциты и естественные киллеры). Определение гемопоэтических клеток было основательно пересмотрено в течение последних 20 лет. Гемопоэтическая ткань содержит клетки с долгосрочными и краткосрочными возможностями к регенерации, включая мультипотентные, олигопотентные и клетки-предшественники. Миелоидная ткань содержит одну ГСК на 10 000 клеток. ГСК являются неоднородной популяцией. Различают три субпопуляции ГСК, в соответствии с пропорциональным отношением лимфоидного потомства к миелоидному (Л/M). У миелоидно ориентированных ГСК низкое Л/М соотношение (>0, <3), у лимфоидно ориентированных - высокое (>10). Третья группа состоит из «сбалансированных» ГСК, для которых 3 ? Л/M ? 10. В настоящее время активно исследуются свойства различных групп ГСК, однако промежуточные результаты показывают, что только миелоидно ориентированные и «сбалансированные» ГСК способны к продолжительному самовоспроизведению. Кроме того, эксперименты по трансплантации показали, что каждая группа ГСК преимущественно воссоздаёт свой тип клеток крови, что позволяет предположить наличие наследуемой эпигенетической программы для каждой субпопуляции.
Популяция ГСК формируется во время эмбриогенеза, то есть эмбрионального развития. Доказано, что у млекопитающих первые ГСК обнаруживаются в областях мезодермы, называемых аорта, гонада и мезонефрос, до формирования костного мозга популяция расширяется в фетальной печени. Такие исследования способствуют пониманию механизмов, ответственных за генезис (формирование) и расширение популяции ГСК, и, соответственно, открытию биологических и химических агентов (действующих веществ), которые в конечном счёте могут быть использованы для культивации ГСК in vitro.
Основным источником ГСК является костный мозг. Этот источник и сегодня наиболее широко используется в трансплантологии (см. Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток). ГСК располагаются в костном мозге у взрослых, включая тазовые кости, рёбра, грудину и другие кости. Клетки могут быть получены непосредственно из тазовых костей при помощи иглы и шприца или из крови, после предварительной обработки цитокинами, включая G-CSF (гранулоцитарный колониестимулирующий фактор), способствующий выходу стволовых клеток из костного мозга.
5) Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) - мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки).
Предшественниками ММСК в эмбриогенный период развития являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Они могут быть обнаружены в местах распространения мезенхимы, то есть зародышевой соединительной ткани.
Основным источником ММСК является костный мозг. Кроме того, они обнаружены в жировой ткани и ряде других тканей с хорошим кровоснабжением. Существует ряд доказательств того, что естественная тканевая ниша ММСК расположена периваскулярно - вокруг кровеносных сосудов. Кроме того, ММСК были обнаружены в пульпе молочных зубов, амниотической (околоплодной) жидкости, пуповинной крови и вартоновом студне. Эти источники исследуются, но редко применяются на практике. Например, выделение молодых ММСК из вартонова студня представляет собой крайне трудоёмкий процесс, поскольку клетки в нём также располагаются периваскулярно. В 2005-2006 годах специалисты по ММСК официально определили ряд параметров, которым должны соответствовать клетки, чтобы отнести их к популяции ММСК. Были опубликованы статьи, в которых представлен иммунофенотип ММСК и направления ортодоксальной дифференцировки. К ним относится дифференцировка в клетки костной, жировой и хрящевой тканей. Был проведён ряд экспериментов по дифференцировке ММСК в нейроноподобные клетки, но исследователи по-прежнему сомневаются, что полученные нейроны являются функциональными. Эксперименты также проводятся в области дифференцировки ММСК в миоциты - клетки мышечной ткани. Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения ММСК является которансплантация совместно с ГСК в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови. Многочисленные исследования показали, что ММСК человека могут избегать отторжения при трансплантации, вступать во взаимодействие с дендритными клетками и Т-лимфоцитами и создавать иммуносупрессивную микросреду посредством выработки цитокинов. Было доказано, что иммуномодулирующие функции ММСК человека повышаются, когда их пересаживают в воспалённую среду с повышенным уровнем гамма-интерферона. Другие исследования противоречат этим выводам, что обусловлено гетерогенной природой изолированных МСК и значительными различиями между ними, в зависимости от способа культивирования.
МСК могут быть активированы в случае необходимости. Однако эффективность их использования относительно низка. Так, к примеру, повреждение мышц даже при трансплантации МСК заживает очень медленно. В настоящее время проводятся исследования по активации МСК. Ранее проведённые исследования по внутривенной трансплантации МСК показали, что этот способ трансплантации часто приводит к кризу отторжения и сепсису. Сегодня признано, что заболевания периферических тканей, например, воспаление кишечника лучше лечить не трансплантацией, а методами, повышающими локальную концентрацию МСК.
6) Тканеспецифичные прогениторные клетки (клетки-предшественницы) - малодифференцированные клетки, которые располагаются в различных тканях и органах и отвечают за обновление их клеточной популяции, то есть замещают погибшие клетки. К ним, например, относятся миосателлитоциты (предшественники мышечных волокон), клетки-предшественницы лимфо- и миелопоэза. Эти клетки являются олиго- и унипотентными и их главное отличие от других стволовых клеток в том, что клетки-предшественницы могут делиться лишь определённое количество раз, в то время как другие стволовые клетки способны к неограниченному самообновлению. Поэтому их принадлежность к истинно стволовым клеткам подвергается сомнению. Отдельно исследуются нейральные стволовые клетки, которые также относятся к группе тканеспецифичных. Они дифференцируются в процессе развития эмбриона и в плодный период, в результате чего происходит формирование всех нервных структур будущего взрослого организма, включая центральную и периферическую нервные системы. Эти клетки были обнаружены и в ЦНС взрослого организма, в частности, в субэпендимальной зоне, в гиппокампе, обонятельном мозге и т. д. Несмотря на то, что большая часть погибших нейронов не замещается, процесс нейрогенеза во взрослой ЦНС всё-таки возможен за счёт нейральных стволовых клеток, то есть популяция нейронов может «восстанавливаться», однако это происходит в таком объёме, что не сказывается существенно на исходах патологических процессов.
26А Особенности митохондриальной ДНК и их использование в молекулярной биологии. "Митохондриальная Ева".
Митохондриальная ДНК (мтДНК) - ДНК, находящаяся (в отличие от ядерной ДНК) в митохондриях, органоидах эукариотических клеток.
Гены, закодированные в митохондриальной ДНК, относятся к группе плазмагенов, расположенных вне ядра (вне хромосомы). Совокупность этих факторов наследственности, сосредоточенных в цитоплазме клетки, составляет плазмон данного вида организмов (в отличие от генома).
Кодирующие последовательности (кодоны) митохондриального генома имеют некоторые отличия от кодирующих последовательностей универсальной ядерной ДНК.
Так, кодон AUA кодирует в митохондриальном геноме метионин (вместо изолейцина в ядерной ДНК), кодоны AGA и AGG - терминаторные кодоны (в ядерной ДНК кодируют аргинин), кодон UGA в митохондриальном геноме кодирует триптофан.
Если говорить точнее, то речь идёт не о митохондриальной ДНК, а о мРНК, которая списывается (транскрибируется) с этой ДНК перед началом синтеза белка. Буква U в обозначении кодона обозначает уридин, который при транскрипции гена в РНК заменяет тимин.
Количество генов тРНК (22 гена) меньше, чем в ядерном геноме с его 32 генами тРНК.
В человеческом митохондриальном геноме информация настолько сконцентрирована, что в последовательностях кодирующих мРНК, как правило, частично удалены нуклеотиды, соответствующие 3"-концевым терминаторным кодонам.
Митохондриальная Ева - имя, данное молекулярными биологами женщине, которая была последним общим предком всех ныне живущих людей по материнской линии. Поскольку митохондриальная ДНК наследуется только по материнской линии, у всех ныне живущих людей такая ДНК была получена от «Евы». Аналогично ДНК мужской Y-хромосомы у всех людей мужского пола должна происходить от «молекулярно-биологического Адама».
Митохондрии - это внутриклеточные органеллы, имеющие небольшую собственную хромосому. В отличие от ядерной ДНК, которая содержит подавляющее большинство генов и в процессе полового размножения подвергается рекомбинации, так что потомки получают половину генов от отца, а вторую половину от матери, митохондрии и их ДНК ребёнок получает только из материнской яйцеклетки. Поскольку митохондриальная ДНК не подвергается рекомбинации, изменения в ней могут происходить исключительно посредством редких случайных мутаций. Путём сравнения последовательности митохондриальной ДНК и возникших в ней со временем мутаций можно не только определить степень родства ныне живущих людей, но и приблизительно вычислить время, необходимое для накопления мутаций в той или иной популяции людей. Таким образом можно вычислить и эпоху, когда мутаций ещё не было, и предковая популяция людей была генетически однородной. В 1987 году Ребекка Канн (Rebecca Cann) с коллегами предположили, что митохондриальная Ева могла жить между 140 тыс. и 280 тыс. лет назад. Согласно более поздним расчетам, митохондриальная Ева жила около 140 тыс. лет назад в Восточной Африке. Современные МП- и МЭ-оценки обычно дают диапазон возраста Евы 140 тыс. - 230 тыс. лет с максимумом вероятности на значениях порядка 180-200 тыс. лет. Последняя датировка стала общепризнанной оценкой. Тем не менее, в августе 2013 года появились новые данные о том, что Ева жила 99-148 тысяч лет назад с максимальной вероятностью 124 тысячи лет назад.
Хотя митохондриальная Ева названа в честь библейской, её не следует отождествлять с библейским персонажем или считать, что все люди являются потомками только одной женщины. Митохондриальная Ева - научная абстракция, созданная для упрощения расчётов. На самом деле речь идет об относительно однородной генетической популяции, среди потомков которой большинство ныне живущих людей получили митохондриальную ДНК от одной женщины, в то время как потомки других женщин по прямой женской линии той же предковой популяции не дожили до наших дней. Если у женщины нет ни одной дочери, то её митохондриальная ДНК не будет передана потомкам далее её собственного сына, хотя половину других генов унаследуют сыновья и их потомство.
Предшественник (precursor) - Молекула, преобразующаяся в процессе биохимической реакции в др. молекулу, для которой исходная молекула и является предшественником
Интрон (intron, intervening sequence) - Транскрибируемый участок гена, не содержащий кодонов и удаляемый из молекулы РНК при ее процессинге.
Любой участок гена, содержащего интроны, который сохраняется в зрелой молекуле мРНК (интроны вырезаются при процессинге
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) являются классическими стволовыми клетками, поскольку они способны к бесконечному самообновлению и имеют мультипотентный дифференцировочный потенциал. Их источником обычно являются первичные половые клетки, внутренняя клеточная масса бластоцисты или отдельные бластомеры зародышей 8-клеточной стадии, а также клетки морулы более поздних стадий.
Эмбриональным стволовым клеткам свойственна самая большая из всех категорий стволовых клеток теломеразная активность, которая обеспечивает им способность к беспрецедентному самообновлению (больше 230 клеточных удвоений в пробирке; тогда как дифференцированные клетки делятся примерно 50 раз в течение жизни).
В лабораторных условиях эти клетки способны дифференцироваться в различные типы как эмбриональных клеток, так и клеток взрослого организма. Они обладают нормальным кариотипом и в контролируемых условиях могут быть клонированы и многократно воспроизведены без изменения их свойств.
Исследования показали, что трансплантация ЭСК эффективна для лечения патологий, в основе которых лежит нарушение функций или гибель специализированных типов клеток. Так, болезнь Паркинсона, вызываемая прогрессивной дегенерацией и утратой дофамин-продуцирующих нейронов определенной зоны головного мозга, может успешно лечиться при помощи интрацеребральной инъекции эмбриональных нейронов. Также при сахарном диабете I типа (вызываемом нарушением работы островковых клеток поджелудочной железы) имплантация в печень островковых клеток поджелудочной железы приводит к нормализации уровня глюкозы. С помощью трансплантации ЭСК поддаются лечению и другие трудноизлечимые заболевания - например, мышечная дистрофия Дюшенна, дегенерация клеток Пуркинье. Трансплантация ЭСК эффективна и в случае травм - в частности, травм спинного мозга.
На первый взгляд, ЭСК наиболее подходят для использования в репаративной медицине. Однако хорошо известно, что при трансплантации в организм ЭСК способны порождать новообразования - тератомы. Поэтому перед применением ЭСК в клеточной терапии необходимо провести их дифференцировку в нужном направлении и убрать из популяции ЭСК клетки, потенциально способные привести к образованию тератом. Еще одна проблема, которую приходится преодолевать при использовании ЭСК - необходимость так или иначе обеспечить их гистосовместимость с организмом реципиента. Наконец, трудно оставить без внимания этическую сторону использования клеток эмбрионов человека для получения ЭСК.
Стволовые клетки взрослого организма
Стволовые клетки присутствуют во многих органах и тканях взрослых млекопитающих: в костном мозге, крови, скелетных мышцах, зубной пульпе, печени, коже, желудочно-кишечном тракте, поджелудочной железе. Большинство этих клеток слабо охарактеризованы. По сравнению с ЭСК, стволовые клетки взрослого организма имеют меньшую способность к самоподдержанию, и хотя они дифференцируются во множество клеточных линий, но не обладают мультипотентностью. Теломеразная активность и, соответственно, пролиферативный потенциал у стволовых клеток взрослого организма высоки, но все же ниже, чем у ЭСК.
Предполагается, что наименее дифференцированные стволовые клетки находятся в организме в состоянии покоя. В случае необходимости запускается необратимый процесс их поэтапного созревания в определенном направлении дифференцировки.
Стволовые кроветворные клетки
Из стволовых клеток взрослого организма наиболее хорошо охарактеризованы стволовые кроветворные клетки (СКК). Это клетки мезодермального происхождения. Они дают начало всем видам кроветворных и лимфоидных клеток. В норме кроветворение в организме, по-видимому, поддерживается в основном за счет постоянно сменяемого небольшого числа относительно короткоживущих клеточных клонов. In vitro стволовые кроветворные клетки при определенных условиях способны к самоподдержанию и могут быть простимулированы к дифференцировке в направлении тех же клеточных линий, что и in vivo.
Уже несколько десятков лет ткани костного мозга успешно применяют для лечения различных заболеваний крови (например, лейкозов), а также радиационных поражений организма, восстанавливая с их помощью нарушенные функции кроветворных и лимфоидных органов. Для этого обычно проводится трансплантация костного мозга; в последнее время используется и пуповинная кровь. Популяция СКК служит потенциальным источником для предшественников эндотелиальных клеток, что делает возможным применение СКК для лечения ишемической болезни и инфаркта миокарда.
Стволовые клетки нервной ткани
Еще одна категория клеток, которая в настоящее время интенсивно изучается, - это стволовые клетки нервной ткани (СКНТ). Эти клетки первоначально были найдены в субвентрикулярной зоне эмбрионального головного мозга. До недавнего времени считалось, что головной мозг взрослого организма не содержит стволовых клеток. Однако эксперименты на грызунах и приматах, а также клинические испытания с привлечением волонтеров показали, что СКНТ продолжают присутствовать и во взрослом головном мозге. In vitro стволовые клетки нервной ткани могут быть «нацелены» как на пролиферацию, так и на дифференцировку в различные типы нейронов и клетки глии (опорные и защитные клетки нервной ткани). Как эмбриональные СКНТ, так и СКНТ взрослого организма, трансплантированные в головной мозг, могут генерировать нейрональные и глиальные клетки. Хотя неизвестно, какова продолжительность самообновления стволовых клеток нервной ткани, в лабораторных условиях их можно культивировать в течение длительного периода.
Стромальные клетки-предшественники и мезенхимальные стволовые клетки
Стромальные клетки-предшественники и мезенхимальные стволовые клетки (МСК) были открыты около 30 лет назад. Это своего рода универсальные клетки, которые содержатся в костном мозге, в своеобразном депо, где они хранятся «про запас». Они способны к интенсивной пролиферации, могут дифференцироваться во многие клеточные типы и трансплантабельны in vivo. При необходимости они поступают в поврежденный орган или ткань и превращаются в нужные специализированные клетки.
In vitro численность мезенхимальных стволовых клеток может увеличиваться в 100000 раз в течение 6–8 недель, при этом они остаются в недифференцированном состоянии. Каждая колония стромальных клеток является клоном, то есть образуется путем пролиферации одной клетки, которая была названа колонеобразующей клеткой фибробластов (КОК-Ф). У животных и человека в физиологических условиях величина эффективности клонирования КОК-Ф колоний остается относительно стабильной и является важным параметром скелетного статуса, что указывает на роль КОК-Ф в патофизиологии дефектов кости и костного мозга.
Получено много данных о том, что в противоположность кроветворным стволовым клеткам костномозговые КОК-Ф представляют собой местную популяцию, то есть не мигрируют из одной части организма в другую и, соответственно, не приживаются при инфузии. Жаль, если эта проблема не найдет своего решения - ведь для лечения таких распространенных костных заболеваний, как остеопороз или незавершенный остеогенез, когда нельзя трансплантировать генетически измененные стромальные клетки во все области поражений, возможность их доставки через циркулирующую систему выглядит очень желательной. В целом же, вопрос о возможности миграции стромальных клеток, а также о факторах, благоприятствующих ей, остается открытым.
Стромальные клетки-предшественники выполняют также очень важную роль, обеспечивая специфическое микроокружение, необходимое для пролиферации и дифференцировки гемопоэтических и иммунокомпетентных клеток на территории кроветворных и лимфоидных органов. Таким образом, «корректировка» нарушений микроокружения в принципе может проводиться именно через эту категорию клеток.
Значительный интерес для клинического применения представляют мезенхимальные стволовые клетки, которые входят в состав популяции стромальных клеток-предшественников (или колонеобразующих клеток стромальных фибробластов - КОК-Ф) костного мозга. Их использование началось с успешного лечения несросшихся костных переломов размноженными в культурах аутологическими стромальными клетками костного мозга. До сих пор репарация костной и хрящевой ткани остается одной из наиболее важных областей применения МСК. С помощью трансплантации этих клеток удалось добиться успехов в лечении тяжелого контингента больных с ложными суставами, несросшимися переломами и хроническим остеомиелитом, остеоартритом. Принципы применяемых при этом биотехнологичеких методов являются универсальными и могут использоваться также для лечения больных с дефектами костной ткани различной локализации (травматология, ортопедия, нейрохирургия, черепно-лицевая хирургия, стоматология-имплантология).
Как возможные носители рекомбинантной ДНК, мезенхимальные стволовые клетки также представляют собой весьма привлекательный объект для генной инженерии, для лечения ряда дегенеративных и наследственных заболеваний.
Клетки костного мозга и МСК могут быть использованы и в терапии ишемической болезни сердца, поражений конечностей и головного мозга, а также для лечения инфарктов миокарда. Это еще одна область применения МСК, которая находится на стадии предклинических испытаний. В лабораторных исследованиях, проведенных на животных, и при лечении инфарктов миокарда у людей, костномозговые СК трансплантировались в область инфаркта либо прямой инъекцией, либо посредством их внутрисосудистого введения. В результате удалось достичь реального уменьшения зоны инфаркта. Однако прежде, чем терапия СК взрослого организма будет осуществляться в полном объеме, необходимо дополнительное проведение клинических испытаний и хорошо спланированных клинических исследований, которые позволят сделать окончательное заключение о безопасности и эффективности предложенного метода.
Особый интерес представляют первые данные, показывающие возможность использования костномозговых стромальных клеток при репарационных процессах в коже. В частности, исследования показывают, что после внутрикожного введения стромальных клеток костного мозга регенерация поврежденной кожной ткани шла более упорядоченно с меньшими нежелательными последствиями, к которым относится образование рубца.
Надо отметить, что для успеха лечения ключевым моментом остается и правильный выбор метода трансплантации СК. В ряде лабораторий сейчас работают также над улучшением способов очистки популяций СК и обогащения их ранними предшественниками, чтобы создать условия для более эффективной клеточной терапии. Согласно общему мнению, требуются также дальнейшие лабораторные исследования для изучения феномена пластичности стволовых клеток, а также многих других аспектов.
Как видим, со стволовыми клетками связано много надежд и ожиданий. Возможно, уже не за горами время, когда открытые свойства стволовых клеток и те, которые находятся сегодня для нас пока за семью печатями, создадут новые перспективы для лечения ряда серьезных заболеваний.
Чем уникальны стволовые клетки
В процессе развития эмбриона человека происходит ряд ключевых событий: за оплодотворением яйцеклетки следует т. н. дробление, суть которого сводится к быстрому накоплению тотипотентного (т. е. способного к созданию целого организма, повторению эмбриогенеза из одной клетки) клеточного материала.
Примерно после 12 клеточных делений этот процесс резко замедляется, и нарушается синхронность делений. Начинается транскрипция генома зародыша, то есть реализация наследственной информации. Это изменение, известное как переход к средней бластуле, по всей вероятности, отражает истощение определенного компонента материнского происхождения, который используется для связывания с вновь синтезируемой ДНК.
Транскрипция завершается тем, что в цитоплазме этих уникальных первичных клеток накапливается информация в форме матричных РНК, которая определяет дальнейшее внутриутробное развитие. Реализация информации осуществляется в конечном итоге путем миграции, специализации клеток и формирования основных зародышевых листков - эктодермы (источник клеток кожи, ЦНС и пр.), мезодермы (источник клеток мышц, костей, крови и пр.) и энтодермы (источник клеток желез, ЖКТ и пр.), что происходит в процессе т. н. гаструляции.
Начиная с этого момента, в каждой ткани сохраняются ограниченные количества неспециализированных клеток. Такие клетки называют стволовыми клетками или клетками-предшественниками, их основная функция - управление процессом создания организма в целом, перенос и реализация наследственных программ.
Стволовые клетки - это недифференцированные, незрелые клетки эмбриона, плода, новорожденного или взрослого организма, способные к самообновлению и дифференцировке в различные типы тканей и органов. В организме взрослого человека они исполняют роль «машин регенерации», их цель - поддержание морфофункционального постоянства ткани, они имеют меньший потенциал, чем в самом начале эмбриогенеза, но способны эффективно замещать поврежденные элементы специализированной ткани в необходимом объеме. Практически для каждого типа тканей существуют свои собственные клетки-предшественники (предифференцированные клетки). Истинные плюрипотентные (способные к дифференцировке в клетки разных тканей разных зародышевых листков) клетки в нормальных условиях в организме встречаются крайне редко, их выделение из взрослого организма в настоящий момент без применения методик клонирования не представляется возможным.
В процессе старения количество изначально заложенной регенерационной информации в клетках стремительно снижается, уменьшается количество самих стволовых клеток. Истощенная репарационная система становится малоэффективной - возникает ряд заболеваний, ассоциированных со старением: увядает кожа, снижается эластичность хрящей, плотность костей, повреждается эндотелий сосудов - ухудшается кровоснабжение, постепенно все ткани организма попадают в условия сниженного снабжения кислородом, ускоряются процессы замещения функционально активных тканей на неполноценные соединительные стромальные ткани. Воздействие ряда инфекций, реализация врожденных, наследственных и мультифакториальных заболеваний, хронические интоксикации (в том числе, алкогольные), травмы также приводят к подобным последствиям - организм оказывается неспособным справиться с нарастающим потоком проблем и постепенно погибает.
Успех трансплантации органов и тканей человека открыл новую эру в медицине - продемонстрирована принципиальная возможность замены дефектных тканей и органов пациента на донорские, здоровые. К сожалению, трансплантация органов остается малодоступной, сопровождается сложными оперативными вмешательствами и требует постоянной иммуносупрессии в большом объеме.
Ученые всего мира интенсивно работают над проблемой лабораторного получения клеток-предшественников с целью их последующей имплантации для замещения погибших тканей, что, по мнению медицинского научного сообщества, может послужить альтернативой трансплантации органов. В 1998 году американским ученым Джону Герхарту и Джеймсу Томпсону впервые в лабораторных условиях удалось получить и нарастить культуры эмбриональных стволовых клеток и половых прогениторных клеток, способных полностью повторить эмбриогенез. Таким образом, у человечества появилась реальная возможность в лабораторных условиях выращивать необходимое количество «запчастей» для организма и тем самым корригировать последствия ряда хронических и острых заболеваний. Дм. Шаменков, к.м.н.
Пластичность стволовых клеток
До недавнего времени считалось, что органоспецифические стволовые клетки могут дифференцироваться только в клетки соответствующих органов. Однако, по ряду данных, это не так: существуют органоспецифические стволовые клетки взрослых животных, которые способны к дифференцировке в клетки органов, отличных от органов происхождения стволовых клеток, даже если они онтогенетически принадлежат к разным зародышевым листкам. Это свойство стволовых клеток получило название пластичности. Так, существует много данных, что МСК костного мозга обладают широкой пластичностью и способны давать начало некоторым элементам нервной ткани, кардиомиоцитам, эпителиальным клеткам, гепатоцитам.
Альтернативная гипотеза феномена пластичности заключается в том, что мультипотентные стволовые клетки и после рождения присутствуют в различных органах и стимулируются к специфической пролиферации и дифференцировке в ответ на локальные факторы, представленные тем органом, в который рекрутированы стволовые клетки. Также есть предположение, что стволовые клетки рекрутируются в поврежденные органы и уже там реализуют свои свойства пластичности, т. е. дифференцируются в нужном для их восстановления направлении.
Вместе с тем нельзя не отметить, что ряд ученых подвергает сомнению саму концепцию пластичности стволовых клеток, указывая на то, что соответствующие эксперименты были выполнены на чистых популяциях тканевоспецифических стволовых клеток.
Словарь
Диплоидная клетка (от греч. diplуos - двойной и еidos - вид) - клетка с двумя гомологичными (подобными) наборами хромосом. Диплоидны все зиготы и, как правило, клетки большинства тканей животных и растений, кроме половых клеток.
Дифференцировочный потенциал - способность к превращению в разнообразные клетки организма.
Кариотип (от греч. kаryon - орех и typos - отпечаток, форма) - типичная для вида совокупность морфологических типов хромосом (форма, размер, детали строения, число и т. д.). Важная генетическая характеристика вида, лежащая в основе. Для определения кариотипа используют микрофотографию хромосом делящихся клеток.
Мезодерма - средний зародышевый листок у большинства многоклеточных животных и человека. Из него развиваются органы крово– и лимфообразования, органы выделения, половые органы, мышцы, хрящи, кости и др.
Мультипотентность - способность к дифференцировке в пределах одного зародышевого листка.
Плюрипотентность - способность к дифференцировке разных тканей разных зародышевых листков.
Полипотентность - способность генома стволовых клеток взрослого организма изменять профиль дифференцеровки при трансплантации в новую ткань реципиента.
Строма (от греч. stroma - подстилка) - основная опорная структура органов, тканей и клеток живых организмов и растений.
Стромальные клетки - клетки соединительнотканной опорной структуры органа.
Теломеры - специализированные ДНК-белковые структуры, которые находятся на концах линейных хромосом эукариот.
Теломеразная активность - активность теломеразы, фермента, который с помощью особого механизма синтезирует теломерную ДНК, и тем самым влияет на рост клеток. Высокая активность теломеразы свойственна половым и стволовым клеткам. Как только стволовые клетки начинают дифференцироваться, теломеразная активность падает, а их теломеры начинают укорачиваться.
Тератома (от греч. tеratos - урод) - доброкачественная опухоль, вызванная нарушением эмбрионального развития. Как правило, состоит из мышечной, нервной и др. тканей.
Тотипотентность - способность к созданию целого организма, повторению эмбриогенеза из одной клетки.
Фибробласты (от лат. fibra - волокно и blastуs - росток) - основная клеточная форма соединительной ткани животных и человека. Фибробласты образуют волокна и основное вещество этой ткани. При травме кожи они участвуют в закрытии ран и образовании рубцов.
Эктодерма - наружный зародышевый листок многоклеточных животных. Из эктодермы образуются кожный эпителий, нервная система, органы чувств, передний и задний отделы кишечника и т. д.
Энтодерма - внутренний зародышевый листок многоклеточных животных. Из энтодермы образуются эпителий кишечника и связанные с ним железы: поджелудочная железа, печень, легкие и т. д.
