Как в организме образуются стволовые клетки. Клеточные технологии

Стволовая клетка – это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию в специализированные клетки организма. Миллиарды клеток растущего организма (человека или животного) происходят всего-навсего из одной клетки (зиготы), которая образуется в результате слияния мужской и женской гамет. Эта единственная клетка содержит не только информацию об организме, но и схему ее последовательного развития. В ходе эмбриогенеза оплодотворенная яйцеклетка делится и дает начало клеткам, не имеющим других функций, кроме передачи генетического материала в следующие клеточные поколения. Это эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), геном которых находится в «нулевой точке»; механизмы, определяющие специализацию, еще не включены, из них потенциально могут развиться любые клетки.

Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в костном мозге и, в очень небольших количествах, во всех органах и тканях. Они обеспечивают восстановление поврежденных участков органов и тканей. Стволовые клетки, получив от регулирующих систем сигналы о какой-либо "неполадке", по кровяному руслу устремляются к пораженному органу. Они могут восстановить практически любое повреждение, превращаясь на месте в необходимые организму клетки (костные, гладкомышечные, печеночные, сердечной мышцы или даже нервные) и стимулируя внутренние резервы организма к регенерации (восстановлению) органа или ткани.

Высокодифференцированные клетки (кардиомиоциты, нейроны) практически не делятся, в то время как менее дифференцированные клетки – фибробласты, гепатоциты частично сохраняют способность к размножению и при определенных условиях делятся и увеличивают свое число. Общей закономерностью является то, что если клетка вышла на этап дифференцировки, то количество делений, которое она может пройти, ограничено. Так, например, для фибробласта лимит делений составляет 50 делений, для стволовой клетки крови –100. Описанное явление имеет большое биологическое значение: в случае, если произошла поломка в геноме клетки, мутация будет растиражирована в ограниченном количестве и не сыграет большой роли для организма в целом.

Взрослого организма очень невелик. Поэтому случается так, что обновить утраченные клетки организм самостоятельно уже не в состоянии: или очаг поражения слишком велик, или организм ослаблен, или возраст уже не тот. Можно ли помочь больному излечиться от цирроза, инсульта, паралича, диабета, ряда заболеваний нервной системы? Уже сегодня ученые умеют направлять стволовые клетки "по нужному пути". Достижения в этой области клеточной медицины делают возможности терапевтического использования стволовых клеток практически безграничными.

Известно, что каждый человек произошел от папы и мамы, вернее, от соединения маминой яйцеклетки и папиного сперматозоида в процессе приятного времяпрепровождения. То есть происхождение всего того, что у нас есть – кожа, мышцы, волосяной покров, внутренние органы, мы обязаны двум клеткам, объединившимся в одну – зиготу.

В ходе эмбриогенеза зигота делится и дает начало клеткам, не имеющим других функций, кроме передачи генетического материала в следующие клеточные поколения. Это эмбриональные стволовые клетки. Геном этих недифференцированных клеток находится в «нулевой точке», механизмы, определяющие специализацию еще не включены. Это клетки-анонимы, клетки «без имени и отчества». Из них развиваются любые высокодифференцированные клетки организма (кардиомиоциты, нейроны и прочее).

После распределения между собой обязанностей, высокодифференциро-ванные клетки закрываются для дальнейшего редактирования и могут быть доступны только для «чтения», причем каждая – в определенном формате: нервная клетка – это только нервная клетка, неспособная участвовать в созда-нии эпителиальной ткани или входить в состав миокарда и т. п. Для клеток взрослого организма характерна кастовость: каждая группа выполняет свою работу и не мешает деятельности клеток другой группы. В то же время некоторым стволовым клеткам удается всё же ускользнуть от определенности и остаться доступными для дальнейшего редактирования только в случае крайней необходимости. В зависимости от нужд и стремлений они могут превратиться в любую высокодифференцированную клетку организма, то есть стволовые клетки – это универсальный строительный материал, из которого произрастает всё, «что угодно»: от нейронов головного мозга и кровяных телец до клеток тканей, выстилающих кишечник, и других внутренних органов.

Пока человеческому организму хорошо, стволовые клетки свободно и независимо «блуждают» по его просторам, бесконечно дуплицируясь под действием определенного гена. Они безработные. И как только стволовые клетки получают генетический сигнал на «бирже труда» (неполадка, повреждение ткани или органа), они по кровяному руслу устремляются к пораженному органу. Они могут найти практически любое повреждение, превращаясь на месте в необходимые организму клетки (костные, гладкомышечные, печеночные, нервные).

Человеческий организм содержит примерно 50 миллиардов стволовых кле-ток, которые регулярно обновляются. С годами количество таких живых «кир-пичиков» сокращается – для них находится всё больше работы, а заменить их некому. Угасать они начинают уже к 20 годам, а в 70 лет их остается совсем чуть-чуть. Более того, стволовые клетки немолодого индивидуума уже не так универсальны – в клетки крови они превратиться еще могут, а в нервные – уже не в силах. В связи с этим, к старости человек начинает напоминать высушенный плод.

Заменить ленивые, ветхие или больные клетки организма, чтобы продолжить активную жизнь, помогает искусственное внесение стволовых клеток в организм. Уже сегодня ученые могут получать стволовые клетки, культивировать и направлять их по «нужному пути». Достижения в области клеточной медицины делают возможности терапевтического использования стволовых кле-ток практически безграничными. Появилась реальная надежда на излечение огромного количества самых разнообразных заболеваний.

Какие же источники стволовых клеток используются в этих целях сегодня? «Спасение утопающих – дело рук самих утопающих», поэтому человек может стать донором стволовых клеток для себя самого. Наибольшее их количество находиться в костном мозге таза. Стромальные стволовые клетки извлекаются оттуда при помощи пункции. Затем, в лабораторных условиях особым образом их мобилизируют, наращивают и вводят обратно в организм, где при участии специальных сигнальных веществ, они направляются к «больному месту». Следует отметить, что даже из одной единственной стромальной клетки можно вырастить колонии. И уж совсем невероятная метаморфоза – стромальные стволо-вые клетки могут настолько «забыть» о своем костном мозговом происхождении, что под влиянием определенных факторов превращаются в нервные клетки (нейроны) или клетки сердечной мышцы.

Показано, что через 2 недели после добавления специального сигнального вещества в культуру стромальных клеток, они уже на 80 % состоят из нейронов. 90% стромальных клеток, введенных в зону инфаркта, полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая функции миокарда практически полностью. Однако стромальные клетки взрослого организма обладают ограниченной функциональностью, то есть их возможная тканевая специализация в той или иной степени лимитирована. Помимо этого все стволовые клетки взрослого человека каталогизированы и снабжены специальным штампиком: «моё». Так что донорство в этой области чревато возникновением противостояния, называемого «трансплантат против хозяина».
Вторым источником стволовых клеток является пуповинная кровь, собранная после рождения ребенка. Эта кровь очень богата стволовыми клетками. Взяв эту кровь из пуповины ребенка и поместив в криобанк (специальное хранилище), стволовые клетки в дальнейшем можно использовать для восстанов-ления практически любой ткани и органа этого индивидуума. Возможно также использовать эти стволовые клетки для лечения других пациентов при условии их совместимости по антигенам. Американские ученые получили стволовые клетки из человеческой плаценты (там, их количество в 10 раз больше, чем в пуповинной крови), которые способны преобразовываться в кожные, кровяные, мышечные и нервные клетки. Однако, создание хранилища для пуповинной крови и плацентарного материала – занятие дорогостоящее. В России таких криобанков практически нет.

Источником другого вида стволовых клеток – фетальных стволовых клеток, является абортивный материал 9–12 недели беременности. Этот источник на сегодняшний день используется наиболее часто. Но, помимо этических и юридических трений, фетальные клетки иногда могут вызвать отторжение трансплантата. Кроме того, использование непроверенного абортивного материала чревато заражением пациента вирусным гепатитом, СПИДом, цитомегаловирусом и т. д. Если же проводить диагностику материала на вирусы, увеличивается себестоимость метода, что, в конечном итоге, приводит к росту стоимости самого лечения.

Источником стволовых клеток может быть слизистая оболочка носоглотки. В ней преобладают частично специализировавшиеся стволовые клетки, способные превращаться в клетки нервной ткани – нейроны и клетки глии. Эти клетки пригодны для лечения заболеваний головного и спинного мозга. Однако, применяемость этих клеток для замены иных, чем нервные, требует дальнейших исследований. Помимо этого, выделение и хранение данного материала достаточно трудоемки.

Мезенхимальные стволовые клетки содержатся в жировой, хрящевой, мышечной тканях. В настоящее время весьма перспективным является выделение этих клеток из жировой ткани, полученной при липосакции.

И, наконец, еще одним источником стволовых клеток 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 в них отсутствует штампик «моё»: клетки как бы никому не принадлежат и не выполняют никаких специальных функций, а потому при введении не возникает реакция отторжения. Даже, если эмбриональные стволовые клетки взяты от другого организма, они не отторгаются, поскольку на их поверхности еще нет антигенов гистосовместимости.

Эмбриональная стволовая клетка мягкая и податливая, как пластилин, и, в отличие от стволовых клеток взрослого человека, способна превращаться во «что угодно» без каких либо ограничений. Помимо этого у эмбриональной стволовой клетки есть уникальная система самоконтроля: она активно размно-жается, но как только произошла ошибка при делении, клетке дается команда на самоубийство. Так что угроза возникновения рака при использовании эмбриональных стволовых клеток маловероятна. Однако у данного источника стволовых клеток есть свои недостатки: во-первых, в России отсутствует коллекция стволовых клеток человека, во-вторых, использование эмбрионального материала негативно воспринимается религиозными и консервативными гражданами, потому что источником таких клеток являются медицинские аборты.

Противники эмбриональной клеточной терапии считают неэтичным использование абортированных зародышей, называя ее посягательством на чело-веческую жизнь, пусть даже это несформировавшаяся жизнь спасет кого-нибудь от неминуемой смерти. Оппоненты метода полагают, что использование человеческих эмбрионов для получения стволовых клеток способно подтолкнуть женщин к своего рода бизнесу – прерыванию беременности ради получения денег в обмен на эмбрион, тем более что трансплантация стволовых клеток считается сейчас одной из перспективнейших в медицинской отрасли.

Вышесказанное подтолкнуло ученых взяться за изучение стволовых клеток, полученных от 3-х недельного эмбриона черной овцы. Специалисты клиники «Medileen» опубликовали исследования, подтверждающие их плюрипотентность, т.е. способность образовывать клетки многих, но не всех типов. Стволовые клетки, выделенные из эмбриона черной овцы, при определенных условиях культивирования способны дифференцироваться сначала в нейральные клетки, а затем в астроциты. При трансплантации свежевыделенных клеток овцы больным с печеночной недостаточностью показано, что донорские клетки активно приживаются и дифференцируется в гепатоциты. Уровень репопуляции реципиентной печени при этом составил 81%. Активное функционирование этих клеток в данном случае отмечалось более года с устойчивым уровнем синтеза альбумина. Концентрация стволовых клеток в органахмишенях составляет при этом 60–87 %. Подобные исследования опровергают мнение ряда отечественных ученых о невозможности приживления данных эмбриональных стволовых клеток человеку.

Следует подчеркнуть, что упомянутые стволовые клетки получают от «чистой линии» животных: многие поколения данного вида выращены в лабораторных условиях, прошли серьезный контроль на отсутствие у них бактерио- и вирусоносительства, иммунных и наследственных болезней. Эти стволовые клетки лишены видоспецифичности (видовых антигенов) и не вызывают реакции иммунного отторжения. Качество трансплантата при использовании эмбриональных стволовых клеток овцы повышено за счет того, что они обогащены «сигнальными агентами» (так называемым фактором направления). В результате этого стволовые клетки способны связываться только с определенным видом поврежденных тканей, восстанавливая их функцию при повреждениях. Все вышеперечисленное позволяет говорить о еще одном перспективном направлении клеточной терапии в лечении тяжелых дегенеративных заболеваний.

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

Академик Российской академии медицинских наук, член-корреспондент РАН В. СМИРНОВ, директор Института экспериментальной кардиологии Кардиокомплекса Минздрава РФ.

В последние годы возникло новое направление в медицине, сулящее людям излечение от многих тяжелых болезней. Это - изучение так называемых стволовых стромальных клеток, находящихся в костном мозге. Они обеспечивают восстановление поврежденных участков органов и тканей. Стромальные клетки, получив от центральной нервной системы сигнал о какой-либо "неполадке", по кровяному руслу устремляются к пораженному органу. Они залечивают любую рану, превращаясь на месте повреждения в необходимые организму клетки: костные, гладкомышечные, печеночные, сердечной мышцы или даже нервные. Но запас стромальных клеток не безграничен. Поэтому случается так, что обновить утраченные клетки организм самостоятельно уже не в состоянии: или очаг поражения слишком велик, или организм ослаблен, или возраст уже не тот… Можно ли помочь больному излечиться полностью от цирроза, инсульта, паралича…? Уже сегодня ученые умеют направлять стромальные клетки "по нужному пути". Достижения в этой области клеточной биологии делают возможности терапевтического использования стромальных стволовых клеток практически безграничными.

Состав стволовых клеток - предшественников всех клеток организма.

Российский ученый Александр Яковлевич Фриденштейн (1924-1998), положивший начало учению о стромальных стволовых клетках костного мозга.

Стромальные стволовые клетки костного мозга способны превращаться во многие другие клетки организма.

У мышей вызывали инфаркт, а затем через 1-5 часов делали две инъекции стромальных клеток в инфарктную зону.

Наращивание кости после удаления остеосаркомы при помощи пластинки, на которую нанесен специальный белок (bone morphogenic protein), превращающий циркулирующие в крови стромальные клетки в клетки костной ткани.

Стволовые клетки - предшественники клеток организма

Я хочу рассказать о разделе медицины, где незаметно для большинства ученых и врачей в ближайшее время ожидается феноменальный, грандиозный рывок в лечении множества болезней, сегодня практически неизлечимых.

Стволовые клетки - предшественники всех клеток организма. В разных условиях они способны превращаться в другие клетки. 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. Помимо костного мозга небольшое количество стволовых клеток (так называемые стволовые тканевые клетки) имеется непосредственно в тканях: мышечной (мио-бласты), костной (остеобласты) и других.

В кроветворной системе стволовых клеток много, они просты по структуре, хорошо изучены, постоянно обновляются, и пути их превращений в клетки крови давно известны.

А вот о стволовых стромальных клетках костного мозга читатели вряд ли слышали. По сравнению с гемопоэтическими их 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.

Основу науки о стромальных клетках около 30 лет назад заложили советские ученые Александр Яковлевич Фриденштейн (безвременно скончавшийся в 1998 году), работавший в НИИ эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н. Ф. Гамалеи РАМН, и Иосиф Львович Чертков, и поныне работающий в Гематологическом центре РАМН. Сейчас многие исследователи замалчивают имена основоположников, но находятся порядочные люди у нас и на Западе, которые безоговорочно признают приоритет этих ученых в открытии стромальных клеток. В 1999 году стромальные клетки "открыли" заново американские ученые, после чего количество работ в этой области клеточной биологии начало нарастать лавинообразно. И неудивительно - ведь стромальные клетки могут оказаться чрезвычайно полезными для клинической медицины.

Стволовые клетки участвуют в восстановлении поврежденных тканей

Каким образом здоровый организм взрослого человека восстанавливает органы и ткани в случае их повреждения? Неужели эволюция не позаботилась о выходе из экстремальных ситуаций? Организм должен осуществлять и, конечно же, осуществляет регенерацию поврежденных тканей. И делает он это с помощью клеток, из которых можно получить любые другие клетки, - стволовых клеток.

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.

Из стромальных клеток костного мозга можно вырастить любые клетки

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".

Оказалось, что введение стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы (зону инфаркта) практически полностью устраняет явления послеинфарктной сердечной недостаточности у эксперимен тальных 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.

Японские ученые получили из стромальных клеток костного мозга мышей клетки сердечной мышцы прямо в лаборатории: в культуру стромальных клеток добавили специальное вещество (5-азоцитидин), и они, как по мановению волшебной палочки, начали превращаться 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.

Наши собственные исследования, проведенные в Институте экспериментальной кардиологии в группе Эммы Львовны Соболевой, показали, что такое распространенное заболевание, как атеро-склероз, приводит к увеличению потока стромальных клеток костного мозга в кровяное русло, а оттуда - в зоны уплотнений (липопротеиновых бляшек) на стенках сосудов. Очевидно, именно поэтому у больных атеросклерозом (как показали работы, проведенные совместно с группой профессора Р. С. Акчурина) костный мозг обеднен стромальными клетками. Возможно, организм "посылает" стромальные клетки для восстановления повреждений сосудов. А они "залечивают" повреждения, превращаясь в клетки костной или хрящевой ткани. Тогда наблюдаемое при атеросклерозе окостенение сосудов - нормальная реакция стромальных клеток на неполадки в сосудистой системе. Так это или нет - покажут дальнейшие исследования.

Стромальные клетки в клинической практике - это уже реальность

В терапевтическом применении стромальных клеток сегодня, без сомнения, лидирует ортопедия. Дело в том, что в руках у медиков имеются уникальные вещества: особые белки, так называемые bone morphogenic proteins (BMP), вызывающие перерождение стромальных клеток в клетки костной ткани (остеобласты). На выделение и изучение свойств BMP у исследователей ушло почти четверть века. Результаты клинических испытаний впечатляют. В США 91-летней пациентке с незаживающим в течение 13 лет переломом вживили специальную коллагеновую пластинку с нанесенными на нее BMP. При этом поступающие в зону перелома стромальные клетки "притягивались" к пластинке и под действием BMP начинали превращаться в клетки костной ткани. Через восемь месяцев после установки пластинки сломанная кость у больной практически восстановилась.

В США уже проходят последнюю стадию испытаний и скоро начнут широко применяться в клиниках специальные пористые губки, наполненные одновременно и стромальными клетками, и BMP. Помещая такие чудо-губки в поврежденное место (зону перелома или пустоту после удаления остеосаркомы), можно уже в течение двух месяцев заполнить недостающий промежуток до 25 сантиметров длиной.

Более того, сейчас ведется работа по встраиванию гена BMP в стромальные клетки. Это означает, что, переродившись в костные клетки, они смогут сами по себе вырабатывать белок - ВМР, инициирующий процесс превращения стромальных клеток в костные.

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 клеток для восстановительной терапии

Итак, в здоровом организме реально существует универсальный механизм залечивания повреждений с использованием внутреннего клеточного резерва - стромальных клеток костного мозга. Эти клетки могут превратиться в какие угодно другие клетки, попав в соответствующий отдел организма. Стромальные клетки начинают поступать в поврежденный участок, когда получают соответствующий сигнал из центральной нервной системы. Достигнув места повреждения, они под действием определенных сигнальных молекул превращаются в недостающие клетки поврежденной ткани. Но хранилище стромальных клеток не может быть неисчерпае мым. 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 взять препарат собственных стволовых стромальных клеток 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.

Сегодня за 75 долларов американские студенты сдают 20 миллилитров спинного мозга из поясничного отдела. Но полученные таким образом клетки используются только для научных исследований.

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.

Совсем недавно были опубликованы поразительные данные: стромальные клетки можно получать из клеток жировой ткани (адипоцитов). Адипоциты, как оказалось, совсем недалеко ушли от своих предшественников, и с помощью специальных веществ их относительно легко можно "вернуть обратно". А уж получить жировые клетки - совсем не проблема. Липосакция (удаление жира) теперь достаточно широко распространена во всех цивилизованных странах.

Можно ожидать, что промышленными источниками стромальных клеток в скором будущем станут пуповины, плаценты и жировая ткань.

Стромальные клетки - основа восстановительной терапии будущего

Газеты и журналы (правда, большей частью зарубежные) переполнены информацией о стволовых клетках. Но не о стромальных, а об эмбриональных. Это клетки человеческого зародыша, обладающие способностью образовывать более двухсот с лишним типов тканей.

Однако исследования в области эмбриональных стволовых клеток во многих странах сейчас "заморожены". Одна из причин в том, что введение эмбриональных клеток пациенту, к сожалению, иногда заканчивается возникновением злокачественной опухоли. Другая причина - этическая. Основной источник эмбриональных клеток - медицинские аборты. 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 отличие от эмбриональных стромальные стволовые клетки - проверенный природой собственный восстановительный резерв организма. Риск иммунного отторжения собственных стромальных клеток отсутствует, да и возможность их злокачественного перерождения минимальна. Применение стромальных клеток безупречно и с морально-этической точки зрения. Вот почему стромальные клетки должны стать основой восстановитель ной медицины будущего столетия.

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.

Какие бывают стволовые клетки?

О стволовых клетках написано много, как познавательных, так и глубоко научных статей. Однако необходимо коснуться этого вопроса еще раз и напомнить читателю о основных видах стволовых клеток. Для простоты часть материала взята из открытого источника Википедия .

Классификация стволовых клеток

Стволовые клетки можно разделить на три основные группы в зависимости от источника их получения: эмбриональные, фетальные и постнатальные (стволовые клетки взрослого организма).

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. 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.

Клинические исследования с использованием ЭСК подвергаются особой этической экспертизе. Во многих странах исследования ЭСК ограничены законодательством.

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.

Фетальные стволовые клетки

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.

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 клетки-предшественницы . 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 и другие уникальные разновидности стволовых клеток, при определённых условиях способные дифференцироваться в клетки различных органов и тканей.

Гемопоэтические стволовые клетки

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.

До начала использования пуповинной крови основным источником ГСК считался костный мозг . Этот источник и сегодня достаточно широко используется в трансплантологии . ГСК располагаются в костном мозге у взрослых, включая бедренные кости, рёбра, мобилизации грудины и другие кости. Клетки могут быть получены непосредственно из бедра при помощи иглы и шприца, или из крови после предварительной обработки цитокинами, включая G-CSF (гранулоцитарный колониестимулирующий фактор), способствующий высвобождению клеток из костного мозга.

Вторым, наиболее важным и перспективным источником ГСК является пуповинная кровь. Концентрация ГСК в пуповинной крови в десять раз выше, чем в костном мозге. Кроме того, у этого источника есть ряд преимуществ. Важнейшие из них:

• Возраст. Пуповинная кровь собирается на самом раннем этапе жизни организма. ГСК пуповинной крови максимально активны, поскольку не подвергались негативному воздействию внешней среды (инфекционные заболевания, нездоровое питание и т. д.). ГСК пуповинной крови способны создать большую клеточную популяцию в короткий срок.
• Совместимость. Использование аутологичного материала, то есть собственной пуповинной крови гарантирует 100%-ную совместимость. Совместимость с братьями и сёстрами составляет до 25 %, как правило, возможно также использование пуповинной крови ребёнка для лечения других близких родственников. Для сравнения, вероятность нахождения подходящего донора стволовых клеток - от 1:1000 до 1:1000 000.

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) - мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки), кардиомиоциты, нервная ткань, гепатоциты. Свойства ММСК постоянно изучаются и с каждым годом открываются новые способности превращения этих клеток в другие типы клеток и тканей.

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 котрансплантация 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.

Тканеспецифичные прогениторные клетки

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.

Помимо вышеперечисленных типов стволовых клеток из традиционных источников в последнее время появился новый источник – это Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (induced pluripotent stem cells, iPSC или iPS).

Этот совершенно новый тип удалось получить из клеток различных тканей (в первую очередь фибробластов) с помощью их перепрограммирования методами генетической инженерии.

В ранних работах iPS пытались получить путём слияния «взрослых» клеток с ЭСК. В 2006 г были получены iPS из сперматогониев мышей и людей.

В 2008 г были разработаны методы перепрограммирования «взрослых» клеток путем введения в них «эмбриональных» генов (в первую очередь генов транскрипционных факторов Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc и Nanog) с помощью аденовирусов и других векторов» При этом выяснилось, что перепрограммирование может индуцироваться временной экспрессией введённых генов, без их встраивания в геном клеток. Перепрограммирование клеток с целью превращения их в iPS было признано журналом Science главным научным прорывом 2008 г.

В 2009 году была опубликована работа, в которой с помощью метода тетраплоидной комплементации впервые было показано, что iPS могут давать полноценный организм, в том числе и его клетки зародышевого пути. iPS, полученные из фибробластов кожи мышей с помощью трансформации с использованием ретровирусного вектора, в некотором проценте случаев дали здоровых взрослых мышей, которые были способны нормально размножаться. Таким образом, впервые были получены клонированные животные без примеси генетического материала яйцеклеток (при стандартной процедуре клонирования митохондриальная ДНК передается потомству от яйцеклетки реципиента).

Синъя Яманака - японский ученый, профессор Института передовых медицинских наук (Institute for Frontier Medical Sciences) в Университете Киото, директор Центра по исследованию и применению iPS-клеток (Center for iPS Cell Research and Application (CiRA)) Университета Киото, ведущий исследователь Института сердечно-сосудистых заболеваний Гладстона, Сан-Франциско.

Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2012 года.

В 2006 году впервые в мире получил индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS-клетки) , благодаря чему приобрел всемирную известность, а в 2012 году получил за эти работы совместно с английским учёным Джоном Гёрдоном нобелевскую премию по физиологии или медицине.

Заканчивая краткий обзор типов стволовых клеток необходимо отметить, что в клинической практике для лечения заболеваний применяются не все виды клеток и не для любых заболеваний .

Наиболее «безопасными» для применения в медицинской практике считаются аутологичные (собственные) клетки пациента полученные из жировой ткани, костного мозга или пуповинной крови, остальные типы клеток проходят разные стадии клинических испытаний и вероятно в скором времени займут свое место в арсенале лечебных инструментов клеточной терапии.