Что образуют столбовые клетки крови. Что такое стволовые клетки и их применение. Применение стволовых клеток

Предмет и задачи биологии стволовой клетки. Основные свойства и классификация стволовых клеток

классификация стволовых

Происхождение термина «стволовая клетка» и история

открытия типов стволовых клеток

В общепринятом понимании термин «стволовая клетка» обозначает клетку, обладающую способностью к самовоспроизведению (самообновлению) и дающую начало дифференцированным потомкам.

Благодаря обнаружению стволовых клеток расширились возможности в области изучения механизмов, которые регулируют эмбриональное развитие, клеточную дифференцировку и сохранение целостности органов и тканей, т.е. гомеостаз. Помимо этого, учитывая уникальные свойства стволовых клеток, а именно, их способность к пролиферации, направленной

дифференцировке, разработка новых терапевтических подходов, основанных на клеточных технологиях, открывает широкие горизонты в различных областях медицины. В связи с таким повышенным интересом современных ученых и клиницистов к проблематике, связанной с изучением и практическим применением стволовых клеток, немаловажным является рассмотрение стволовых клеток в их историческом контексте.

Впервые термин «стволовая клетка» появился в научной литературе еще в 1868 г. в работе выдающегося немецкого зоолога и эволюциониста Эрнста Геккеля (1834-1919 гг.). Геккель использовал термин «Stammzelle» (oti нем. - «стволовая клетка») для описания L общего предка, некоего одноклеточного I организма, от которого, по его мнению, произошли все многоклеточные организмы. Позже, в 1877 г., перейдя от вопросов эволюции (филогенеза) к изучению проблем » эмбриологии (онтогенеза), Эрнст Геккель предложил назвать оплодотворенную яйцеклетку стволовой клеткой. Использование термина «стволовая клетка» для обозначения отдельной клетки в составе эмбриона, которая, способна давать начало множеству специализированных клеток, было введено несколько позже - в конце 19 века.

Опираясь на теорию «непрерывной зародышевой плазмы» Августа Вейсмана, предложенной в 1885 г., немецкий биолог Теодор Бовери (1862-1915), исследуя закономерности оогенеза и сперматогенеза, предложил называть «стволовыми клетками» все клетки зародышевой линии, начиная от оплодотворенной яйцеклетки и заканчивая предшественниками половых клеток.

Также в 1892 году при исследовании эмбриогенеза ракообразных семейства Cyclops Валентин Геккер идентифицировал крупную клетку, названную им «стволовой», которая подвергалась асимметричному делению, при этом одна из дочерних клеток этой стволовой предшественницы давала начало мезодерме, тогда как другая давала начало зародышевым (герминативным) клеткам. Таким образом, в этих ранних исследованиях термин «стволовая клетка» обозначает клетки, которые сейчас называют первичными половыми клетками (primordial germ cell), или зародышевыми (геримнативными) стволовыми клетками.

В 1896 г., Эдмунд Уилсон популяризировал термин «стволовая клетка» в своей книге "The Cell In Development and Inheritance" (Wilson, 1896). В свое время эта книга была очень популярна и имела огромное влияние на эмбриологов и генетиков конца 19 века, особенно в США. В связи с этим, во многих англоязычных источниках Эндмунд Уилсон упоминается, как автор термина «стволовая клетка». Тем не менее, Уилсон использовал термин «стволовая клетка» в том же значении, что Бовери и Геккер, то есть, обозначая этим термином неспециализированную материнскую клетку зародышевой линии.

Примерно в то же время велись активные исследования в области гемопоэза. Ученый мир раскололся на два лагеря. Часть ученых придерживалась дуалистической теории кроветворения, они предполагали, что клетки миелоидного и лимфоидного ряда происходят от различных предшественников, которые располагаются в различных гемопоэтических тканях, в костном мозге и лимфатических узлах/селезенке, соответственно.

Сторонники унитарной теории кроветворения предполагали существование одной единственной клетки, которая и является

родоначальницей всех клеток крови. В связи с этим, приверженцы унитарной теории кроветворения столкнулись с проблемой создания термина, который полностью бы отражал потенциал развития таких клеток.

В 1908 г. русский ученый Александр Максимов предложил называть такую материнскую гемопоэтическую клетку «стволовой клеткой».

Примерно в это же время термин «стволовая клетка» появился в работах Веры Данчакофф и Эрнста Нойманна, а также (1896) в работе Артура Паппенхайма. Все упомянутые исследователи использовали термин «стволовая клетка» для определения клеток-предшественников, способных к дифференцировке в зрелые клетки красной и белой крови. Уже ранние исследования в областях эмбриологии и гематологии выявили, что СК могут быть обнаружены в эмбрионе и в тканях взрослого организма.

В 1981 году американскому ученому Мартину Эвансу впервые удалось выделить недифференцированные плюрипотентные линии стволовых клеток из эмбриобласта (внутренней клеточной массы) бластоцисты мыши.

Первой успешной трансплантацией стволовых клеток, извлеченных из пуповинной крови, называют операцию, проведенную 5-ти летнему мальчику с анемией Фанкони в 1988 году. Без проведения операции по трансплантации стволовых клеток, изъятых из пуповинной крови, он имел нулевые шансы на выздоровление. После трансплантации он выздоровел, прошел необходимую реабилитацию и живет до сих пор.

В 1998 году Д. Томпсон и Д. Герхарт изолировали

бессмертную линию эмбриональных стволовых клеток, а в 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».

Существование гемопоэтических стволовых клеток (ГСК), являющихся родоначальниками всех кроветворных ростков, было подтверждено работами Джеймса Тилла, Эрнеста МакКаллока и других исследователей в 60-х гг. прошлого века. Дальнейшие исследования позволили обнаружить и охарактеризовать СК в других тканях взрослого организма, а также во внезародышевых тканях и органах новорожденного.

Таким образом, использование термина «стволовая клетка» началось во второй половине 19 века в контексте фундаментальных вопросов эмбриологии. Доказательства существования единой гемопоэтической стволовой клетки, достоверно полученные в 60-х годах прошлого столетия, сделали эти клетки прототипом всех стволовых клеток, а именно: клеток, способных к почти неограниченной пролиферации (самообновление) и способных давать специализированные клетки-потомки (дифференцировка).

Основные свойства и классификация стволовыхклеток

Классификация стволовых клеток по их способности к дифференциации:

1. Тотипотентные клетки способны формировать все эмбриональные и экстра-эмбриональные типы клеток. К ним относятся только оплодотворённый ооцит и бластомеры 2-8 клеточной стадии.

2. Плюрипотентные клетки способны формировать все типы клеток эмбриона. К ним относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином.

3. Другие типы стволовых клеток локализуются в сформировавшихся тканях взрослого организма (adult stem cells). Они варьируют по способности к дифференцировке от мульти- до унипотентных.

Классификация стволовых клеток по источнику их выделения:

1. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) - внутриклеточная масса раннего эмбриона (на этапе бластоцисты 4-7 день развития).

2. Фетальные стволовые клетки - клетки зародыша на 9 - 12 неделе развития, выделенные из абортивного материала.

3. Стволовые клетки взрослого организма:

- Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК ) - мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови: крови -эритроцитам, В-лимфоцитам, Т-лимфоцитам, нейтрофилам, базофилам, эозинофилам, моноцитам, макрофагам и тромбоцитам Кроме костного мозга ГКС обнаружены в системном кровотоке и скелетных мышцах.

- Мезенхимные стволовые клетки мультипотентные региональные стволовые клетки, содержащиеся во всех мезенхимальных тканях (главным образом в костном мозге), способные к дифференцировке в различные типы мезенхимальных тканей, а так же в клетки других зародышевых слоев.

- Стромальные стволовые клетки - мультипотентные стволовые клетки взрослого организма, образующие строму костного мозга (поддерживающую гемопоэз), имеющие мезенхимальное происхождение.

- Тканеспецифичные 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.

На сегодняшний день обнаружены следующие виды тканеспецифичных стволовых клеток:

Нейрональные стволовые клетки в головном мозге - дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум группам не нейрональных клеток астроцитам и олигодендроцитам.

Стволовые клетки кожи - размещенные в базальных пластах эпидермиса и возле основы волосяных фолликулов, могут давать начало кератоцитам, которые мигрируют на поверхность кожи и формируют защитный слой кожи.

Стволовые клетки скелетной мускулатуры - выделяют из поперечно полосатой мускулатуры, они способны к дифференцировке в клетки нервной, хрящевой, жировой и костной тканей, поперечнополосатой мускулатуры. Однако последние исследования показывают, что клетки скелетной мускулатуры, это не что иное, как мезенхимные стволовые клетки, локализованные в мышечной ткани.

Стволовые клетки миокарда - способны дифференцироваться в кардиомиоциты и эндотелий сосудов.

Стволовые клетки жировой ткани обнаружены в 2001 году, проведенные с тех пор дополнительные исследования показали, что эти клетки могут превращаться и в другие типы тканей, из них можно выращивать клетки нервов, мышц, костей, кровеносных сосудов, или по крайней мере, клетки, имеющие свойства вышеперечисленных.

Стромальные клетки спинного мозга (мезенхимальные стволовые клетки) дают начало разным типам клеток: костным клеткам (остеоцитам), хрящевым клеткам (хондроцитам), жировым клеткам (адипоцитам), а также другим типам клеток соединительной ткани.

Эпителиальные стволовые клетки пищеварительного тракта расположены в глубоких складках оболочек кишечника и могут давать начало разным типам клеток пищеварительного тракта.

Кроме того, в начале прошлого года американские ученые из университета в Северной Каролине сообщили, что после семилетних исследований ими разработана технология получения стволовых клеток из околоплодных вод, не нанося вреда зародышу.

Для Ск характерны следующие основные функции:

1. Возможность деления и самообновления. В отличие от мышечных клеток, клеток крови и нервных клеток, которые обычно не могут воспроизводить сами себя, стволовые клетки могут воспроизводить себя многократно -пролиферировать. Начальная популяция стволовых клеток, которая пролиферирует в течение многих месяцев, может дать миллион подобных клеток. Если эти стволовые клетки продолжают оставаться неспециализированным, говорят, что они обладают способностью длительного самообновления.

2. Стволовые клетки неспециализированны. Они не имеют специфичных структур, позволяющих выполнять специализированные функции. Например, стволовые клетки не могут перекачивать кровь по организму, как клетки миокарда сердца, не могут переносить в себе кислород как это делают эритроциты. Однако, неспециализированные стволовые клетки могут трансформироваться в специализированные клетки, включая клетки миокарда сердца, клетки крови или нервные клетки.

3. Стволовые клетки могут давать начало другим специализированным клеткам. Когда неспециализированные стволовые клетки дают начало специализированным клеткам, этот процесс называется дифференцировкой. В процессе дифференцировки клетки обычно проходят несколько этапов, при этом на каждом этапе они становятся более специализированными.

Ученые только начали понимать сигналы внутри и вне клеток, которые запускают каждый этап процесса дифференцировки. Внутренние сигналы контролируются генами клеток. Это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию и контролирующие развитие определённого признака или свойства. Внешние сигналы для клеточной дифференцировки - это химические вещества, секретируемые другими клетками, физический контакт с соседними клетками и некоторые молекулы в микросреде. Взаимодействие сигналов во время процесса дифференцировки приводит к тому, что клеточная ДНК приобретает эпигенетические отметки, которые ограничивают экспрессию ДНК в клетках.

4. СК способны к асимметричному делению, в результате которого образуется две дочерних клетки, одна их которых коммитирована к дифференцировке в специализированную(ые) клетку(и), а вторая сохраняет все признаки СК, что предохраняет пул СК от полного истощения. Коммитированная к дифференцировке клетка, формирующаяся в результате ассиметричного деления СК, зачастую называют транзитной амплифицирующейся клеткой - ТАК.

ТАК не способны к самообновлению, однако обладают значительным пролиферативным потенциалом. Фактически способность к самообновлению и продукции коммитированных к дифференцировке дочерних клеток за счет асимметричного деления является определяющим свойством СК любого происхождения.

5. Механизмы поддержания генетического гомеостаза в СК функционируют более эффективно в сравнении с дифференцированными соматическими клетками.

Основные направления и перспективы использования стволовых клеток в биологии и медицине.

СК являются наиболее подходящим объектом для исследований в фундаментальной биологии и в патологии клетки, в особенности при изучении механизмов клеточной дифференцировки и специализации в процессе онтогенеза, а также путей и механизмов клеточной и тканевой регенерации. Изучение и осмысление этих процессов поможет понять причины патологии развития, генетических дефектов и многих заболеваний, включая онкологические. Для широкомасштабного проведения подобного рода экспериментальных работ в первую очередь требуются доступные источники СК.

Особо значительные успехи практического применения СК уже достигнуты в трёх областях:

1) лечении ожогов и заживлении ран;

2) терапии острого инфаркта миокарда;

3) лечении онкологических больных.

Лечение ожогов и ран - создание искусственной кожи, выращенной методами тканевой инженерии. При трансплантации такой кожи обеспечивается уменьшение общей площади раневой поверхности и, как следствие - быстрое заживление ран, существенно снижается опасность развития осложнений. Эта методика применяется с 1989 года, выполнено более 600 трансплантаций культивированных аллофибробластов больным с обширными пограничными ожогами IIIA степени и длительно незаживающими остаточными ранами.

Лечение онкологических больных -ауто- и аплотрансплантация стволовых клеток костного, позволяет восстановить его кроветворную активность, которая частично утрачивается после применения интенсивной химио- и радиотерапии. Благодаря использованию трансплантации костного мозга в Белорусском Центре гематологии и трансплантологии удалось повысить выживаемость за 3-5 лет с 50% (без трансплантации) до 70-90% .

Терапия острого инфаркта миокарда - проводится с целью восстановления тканей сердца после инфаркта миокарда (ИМ), что достигается за счёт регенерации кардиомиоцитов и образования новых капилляров. По мнению многих исследователей, наилучшим потенциалом для восстановления функции сердца после инфаркта миокарда обладают СК костного мозга: их трансплантация индуцирует мио- и ангиогенез, улучшает гемодинамику.

В клеточной терапии инфаркта миокарда основными являются такие два метода:

1. Хирургический - непосредственная доставка СК к ткани миокарда (так в одной работе, посвященной клиническим результатам этого метода лечения ИМ говориться об использовании инъекции 1500000 аутологичных СК костного мозга в периинфарктную зону).

2. Терапевтический - создание в крови высокой концентрации С К, путём стимуляции костного мозга введением специфических ростовых факторов.

Весьма перспективным, также

представляется методов клеточной терапии в следующих областях медицины:

Неврология - лечение последствий травм головного и

спинного мозга, инсульта, коматозных состояний, нейродегенеративных заболеваний, болезней Паркинсона, Альцгеймера и др.;

Эндокринология - лечение инсулинзависимого диабета;

Болезни опорно-двигательного аппарата - репарация

костей, костная пластика, лечение миопатий, последствий травм и т.д.;

Гепатология - лечение гепатитов, цирроза печени;

Гематология и офтальмология;

Стоматология - использование СК для выращивания "своих собственных" зубов;

Косметология - лечение косметических дефектов;

Геронтология - использование СК для омоложения организма (ревитализация).

Гномика вирусов и фагов. Вирусы как объектов молекулярной генетики.

Основные свойства вирусов

Вирусы - субмикроскопические ДНК- или РНК-содержащие объекты,

репродуцирующиеся только в живых клетках, заставляя их

синтезировать так называемые вирионы, которые содержат геном вируса и способны перемещать его в другие клетки.

Это определение отражает два главных качества вирусов:

Наличие у вируса собственного генетического материала, который внутри клетки-хозяина ведет себя как часть клетки;

Существование внеклеточной инфекционной фазы, представленной специализированными частицами, или вирионами, которые служат для 5 введения генома вируса в другие клетки.

Вирусы имеют ряд свойств, которые не укладываются в представления о них как о живых объектах, а именно:

Вирусы не дышат;

Не проявляют раздражимости;

Не способны самостоятельно двигаться; -

Не растут и не делятся;

Способны (по крайней мере, некоторые) в очищенном состоянии кристаллизоваться.

Согласно традиционным зоологическим и ботаническим критериям, вирусы не являются живыми организмами. В то же время все вирусы обладают главными свойствами живых организмов – способностью реплицироваться, изменяться и передавать эти изменения потомкам, т.е. эволюционировать. Другими словами, вирусы имеют собственную эволюционную историю.

Ни один из известных вирусов не имеет биохимических или генетических потенций для генерирования энергии, необходимой для осуществления своих биологических процессов. В этом отношении они абсолютно зависят от клетки-хозяина.

Размеры вирусов

Размеры вирусных частиц также существенно варьируют. Наиболее "худые" имеют диаметр около 10 нм, а их длина у самых протяженных достигает 2 мкм. Диаметр сферических вирионов колеблется от-20 до 300 нм. Самые крупные из известных вирусов - родственники вируса оспы, их вирионы могут иметь длину до 450 нм и 260 нм в ширину и толщину.

Формы существования вирусов

Для нуклеопротеидных вирусных молекул характерны две формы существования: внеклеточная, корпускулярная, покоящаяся, и внутриклеточная, репродуцирующаяся, вегетативная.

Внеклеточные вирусы представляют собой корпускулы частицы сферической, кубической, нитевидной формы, которые называют элементарными тельцами, вирусными частицами, а чаще вирионами. Размеры вирионов колеблются от 15-30 до 200-500 нм.

Строение вирусов

Все вирионы содержат геномную нуклеиновую кислоту, покрытую снаружи белковой оболочкой - капсидом. По химическому составу вирусы -нуклеопротеиды, а по структуре - нуклеокапсиды. В состав многих вирусов, кроме белка и нуклеиновой кислоты, входят" углеводы, липиды и некоторые другие соединения.

Одноцепочечные вирусные РНК разделяют на две группы. К одной группе относят РНК, которые способны в клетке-хозяине транслироваться рибосомами, т.е. играть роль мРНК. Такие РНК обозначают как (+)РНК, а геном, который они представляют, называют позитивным.

У другой группы РНК-содержащих вирусов РНК не узнается рибосомным

аппаратом клетки, и поэтому она не способна выполнять функцию мРНК. В клетке такая РНК служит матрицей для синтеза мРНК. Данный тип РНК обозначают как (-)РНК, а соответствующий геном носит название негативного.

Капсид состоит из одинаковых по строению субъединиц - капсомеров, которые располагаются согласно двум основным типам симметрии -кубической (икосаэдрической) или спиральной.

Капсомеры - это морфологические единицы капсида, которые, в свою очередь, могут состоять из одной или нескольких молекул белка -структурных единиц. Комплекс капсида и вирусной нуклеиновой кислоты обычно обозначают термином нуклеокапсид. Он может обладать кубической (икосаэдрической) или спиральной симметрией. Вирионы простых вирусов представлены только капсидом. Вирионы сложных вирусов дополнительно имеют двухслойные липидные мембраны, в которые включены белки (почти всегда - гликопротеиды), имеющие форму шипов. Такие вирионы обычно имеют слой негликозилированного белка (матрикс), примыкающего к капсиду.

Простые вирусы, как правило, состоят только из вирусоспецифических компонентов. Изредка такие вирусы могут «уносить» из клетки-хозяина ее компоненты, такие, например, как полиамины и гистоны - поликатионы, служащие для нейтрализации зарядов на вирусной нуклеиновой кислоте, что облегчает упаковку ее в капсид.

Сложные вирусы содержат ферменты, а также могут включать в состав вириона белки - компоненты мембраны клетки-хозяина.

Закономерен вопрос: почему у всех вирусов капсид имеет субъединичную структуру? Такое строение капсида, по-видимому, обусловлено необходимостью экономии генетического материала. В противном случае, как показывают расчеты, у многих вирусов его бы хватило для кодирования белков, способных покрыть не более 15% нуклеиновой кислоты. Очевидно также, что при наличии одного или немногих морфологических компонентов

значительно облегчается самосборка капсида. Иначе вероятность ошибок в процессе самосборки резко бы возросла.

Существуют своего рода «технические» ограничения, которые снижают прочность упаковки на основе, скажем, тетраэдра или октаэдра. В этих вариантах промежутки между субъединицами будут слишком большими, а частица в результате - непрочной. Расчеты и опыт свидетельствуют, что чем больше число субъединиц и чем больше контактов их друг с другом, тем более стабильной получается структура и тем крупнее может быть капсид, в который, в свою очередь, может быть помещен более крупный и сложный геном.

Инкапсулирование генома необходимо вирусам, прежде всего, для физической защиты лабильной по своей химической природе нуклеиновой кислоты от воздействия на внеклеточной стадии существования жестких факторов окружающей среды (таких, как экстремальные значения рН и температуры, УФ-облучение и т.д.).

Другой важнейшей функцией капсида является обеспечение адсорбции вируса на клетке-хозяине через взаимодействие с клеточными рецепторами.

У некоторых вирусов геном фрагментирован, и оболочка просто необходима для того, чтобы собрать его в единое целое.

У сложных вирусов наличие внешней липидной оболочки из-за сродства ее с мембраной клетки-хозяина способствует проникновению нуклеокапсида внутрь клетки. Кроме того, за счет включения в эту оболочку белков клетки-хозяина, вирус получаем возможность успешнее преодолевать хозяйский

иммунологический барьер.

Типы взаимодействия вируса с клеткой

При проникновении вируса в клетку образуется новый биологический комплекс «вирус-клетка». Этот комплекс содержит генетический аппарат клетки и генетический аппарат вируса, функции которых могут генетический

функции которых могут переплетаться самым причудливым образом. По сути дела - это «химера», гибрид двух организмов.

Несмотря на огромное разнообразие клеток и вирусов, можно выделить несколько основных типов их взаимодействия.

1. Клетка гибнет и при этом образуется новое поколение вирусных частиц. Такой тип взаимодействия вируса и клетки называется продуктивным или литическим. Вирусы, вызывающие лизис клеток-хозяев, носят название вирулентных. Так протекает большинство вирусных инфекций независимо от того, являются ли вирусы крупными и сложно устроенными ли мелкими.

2. Инфекционный процесс носит абортивный характер - клетка выживает, вирус не образуется. Иногда погибают оба партнера - и вирус, и клетка.

3. Возникает интеграция двух геномов, которые сосуществуют более или менее мирно на протяжении многих поколений. Такой тип взаимодействия называется вирогенией. Вирусы, способные вызывать вирогению, называются умеренными. В случае бактериофагов, такое встраивание генома вируса в ДНК клетки-хозяина носит наименование лизогении, а сами фаги, способные к такому взаимодействию с клеткой, именуются лизогенными.

Кроме лизогенных фагов интегративный процесс характерен для ретровирусов, многих ДНК-содержащих онкогенных вирусов (у них может происходить интеграция не только всего генома, но и его части), а также некоторых других вирусов. Интегративный процесс часто приводит к трансформации клетки - приобретению ею новых гено- и фенотипических признаков.

В зависимости от степени антагонизма двух геномов - вирусного и клеточного - возможны несколько типов инфекции. Феноменологически различают персистентные инфекции, при которых вирус выделяется из организма-хозяина в течение значительно большего времени, чем при обычных литических инфекциях, завершающихся гибелью клеток хозяев. При латентной инфекции вирус находится в организме хозяина в скрытой форме и выделяется в периоды рецидивов болезни. Медленные вирусные инфекции характеризуются очень длительным инкубационным периодом, который может длиться годами.

Обновить клеточный состав повреждённого органа без оперативного вмешательства, решить сложнейшие задачи, которые раньше были под силу только органной трансплантации – эти задачи решаются сегодня с помощью стволовых клеток.

Для пациентов – это шанс получить новую жизнь. Важным здесь является то, что технология применения стволовых клеток доступна практически для каждого пациента и даёт поистине удивительный результат, расширяя возможности трансплантации.

Стволовые клетки способны превращаться, в зависимости от окружения, в клетки тканей самых различных органов. Одна стволовая клетка даёт множество активных, функциональных потомков.

Исследования генетических модификаций стволовых клеток проводятся во всём мире, интенсивно исследуются методы их наращивания.

Существует множество болезней, которые практически не лечатся или их лечение не эффективно медикаментозным способом. Именно такие болезни стали объектом самого пристального внимания исследователей

Стволовые клетки, регенерация, восстановление тканей. От Адама до атома

Что такое – стволовые клетки?

При оплодотворении яйцеклетки одна зигота (оплодотворённая клетка) делится и даёт начало клеткам, главной задачей которых является передача генетической информации следующим поколениям клеток.

Эти клетки ещё не имеют своей специализации, механизмы такой специализации ещё не включены и именно поэтому такие эмбриональные стволовые клетки и дают возможность использовать их для создания любых органов.

Стволовые клетки есть у каждого из нас. Их обнаружили первоначально в тканях костного мозга. Легче всего стволовые клетки обнаружить и выделить у молодых людей, детей. Но и у людей старшего возраста они есть, правда в гораздо меньшем количестве.

Сравните: у человека в возрасте 60 – 70 лет на пять – восемь миллионов клеток имеется только одна стволовая, а у эмбриона – одна стволовая клетка на десять тысяч.

Возможности стволовых клеток взрослого организма – Сергей Киселев

В чем секрет стволовых клеток?

Секрет стволовых клеток состоит в том, что, будучи сами незрелыми клетками, они могут превращаться в клетку любого органа.

Как только стволовые клетки организма получают сигнал о повреждении тканей, любых органов, они направляются в очаг поражения. Там они превращаются именно в те клетки тканей человека или его органов, которые нуждаются в защите.

Стволовые клетки могут превратиться и стать любыми клетками: печёночными, нервными, гладкомышечными, слизистыми . Такая стимуляция организма приводит к тому, что он сам начинает активно регенерировать свои же ткани и органы.

Взрослый человек имеет совсем небольшой запас стволовых клеток. Поэтому, чем больше возраст человека, тем сложнее и с большими осложнениями идет процесс регенерации и восстановления организма после повреждений или во время болезни. Особенно, если повреждения организма обширны.

Организм не может самостоятельно восстанавливать потерянные стволовые клетки. Развитие в области современной медицины сегодня позволяют вводить стволовые клетки в организм и, главное, направлять их в нужном направлении. Таким образом, впервые появляется возможность лечения таких опасных заболеваний как цирроз, диабет, инсульт.

Гаряев, Пётр Петрович - Как управлять стволовыми клетками

Источники стволовых клеток

Источником стволовых клеток в организме является костный мозг, прежде всего. Некоторое, но совсем небольшое, их количество содержится в других тканях и органах человека, в периферической крови. Много стволовых клеток содержит кровь из пупочной вены новорождённых.

Пуповинная кровь в качестве источника стволовых клеток, имеет ряд несомненных преимуществ.

Прежде всего, её собрать намного легче и безболезненней, чем периферическую кровь. Такая кровь дает генетически идеальные стволовые клетки в случае необходимости её использования близкими родственниками – матерью и ребенком, братьями и сестрами.

При проведении трансплантации, иммунная система, вновь созданная из донорских стволовых клеток, начинает бороться с иммунной системой пациента. Это очень опасно для жизни больного. Состояние человека бывает в таких случаях крайне тяжелым, до смертельных исходов. Использование пуповинной крови при трансплантации значительно снижает такие осложнения.

Кроме того, существуют ещё ряд несомненных преимуществ использования пуповинной крови.

Это инфекционная безопасность реципиента. От донора через пуповинную кровь не передаются инфекционные заболевания (цитомегаловирус и прочие).
Если её собрали в момент рождения человека, то он сможет её использовать в любой момент для восстановления здоровья.
Использование крови из пупочной вены новорождённых не вызывает этических проблем, так как затем она утилизируется.

Применение стволовых клеток

Для лечения анемии в 1988 году во Франции были впервые применены стволовые клетки

Высокоэффективное лечение стволовыми клетками опухолей, инсультов, инфарктов, травм, ожогов, заставило создавать в развитых странах специальные учреждения (банки) для хранения замороженных стволовых клеток в течение долгого времени.

В такой коммерческий именной банк крови уже сегодня возможно, по заказу родственников, поместить пуповинную кровь ребенка, с тем, чтобы в случае его травмы, болезни, была возможность использовать собственные стволовые клетки.

Пересадка внутренних органов восстанавливает здоровье человека только в том случае, если она проведена своевременно, и не произошло отторжение органа иммунной системой пациента.

Примерно 75 % пациентов, нуждающихся в пересадке органов, погибает в период ожидания. Стволовые клетки могут стать идеальным источником «запасных частей» для человека.

Уже сегодня – спектр применения стволовых клеток в лечении самых тяжелых заболеваний очень широк.

Восстановление нервных клеток позволяет восстановить капиллярное кровообращение и вызвать рост капиллярной сети на месте поражения. Для лечения повреждённого спинного мозга используют введение нервных стволовых клеток, либо чистые культуры, которые затем превратятся на месте в нервные клетки.

Некоторые формы лейкозов у детей стали излечимы благодаря достижениям биомедицины. Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток применяется в современной гематологии, а трансплантация стволовых клеток костного мозга – в широкой клинике.

Исключительно сложны в лечении системные заболевания, вызванные нарушением функций иммунной системы: артриты, рассеянный склероз, красная волчанка, болезнь Крона. Гемопоэтические стволовые клетки применимы и при лечении этих заболеваниях

Имеется практический клинический опыт в применении нейральных стволовых клеток при лечении болезни Паркинсона. Результаты превосходят всякие ожидания.

Мезинхимальные (стромальные) стволовые клетки уже используют в ортопедической клинике несколько последних лет. С их помощью восстанавливают разрушенные суставные хрящи, костные дефекты после переломов.

Кроме того, эти же клетки в последние два-три года используют методом прямого введения в клинике восстановления сердечной мышцы после инфаркта.

С каждым днем пополняется список болезней, которые поддаются лечению стволовыми клетками. И это даёт надежду на жизнь неизлечимым больным.

Список заболеваний, при лечении которых используются стволовые клетки

Доброкачественные заболевания:

адренолейкодистрофия;
анемия Фанкони;
остеопороз;
болезнь Гюнтера;
синдром Харлера;
талассемия;
идиопатическая апластическая анемия;
рассеянный склероз;
синдром Леш-Нихана;
амегакариоцитозная тромбоцитопения;
синдром Костмана;
волчанка;
резистентный ювенильный артрит;
иммунодефицитные состояния;
болезнь Крона;
синдром Бара;
коллагенозы.

Злокачественные заболевания:

неходжкинская лимфома;
миелодиспластический синдром;
лейкемия;
рак молочных желёз;
нейробластома.

Чудеса медицинской и эстетической косметологии

Желание человека выглядеть молодо, подтянуто на протяжении десятков лет обусловлено современным темпом жизни. Возможно ли в пятьдесят лет выглядеть так же хорошо как в сорок?

Медицинская косметика, при применении современных биотехнологий, дает такую возможность. Сегодня возможно значительно улучшить тургор, эластичность кожи, избавить человека от экзем и дерматитов.

Стволовые клетки, которые вводят во время мезотерапии, устраняют кожную пигментацию, рубцы, последствий воздействия химических веществ, лазера. Исчезают морщины, пятна после акне, улучшаются тонус кожи.

Кроме того, с помощью мезотерапии решаются проблемы волос, ногтей. Они приобретают здоровый вид, восстанавливается их рост.

Однако, используя высокоэффективные косметологические препараты, следует остерегаться мошенников, рекламирующих препараты, якобы содержащие стволовые клетки.

Стоимость лечения стволовыми клетками

Лечение стволовыми клетками проводится во многих странах, в России в том числе. Здесь она колеблется от 240 000 до 350 000 рублей.

Высокую цену оправдывают высокотехнологичным процессом выращивания стволовых клеток.

В медицинских центрах за такую стоимость вводят пациенту сто миллионов клеток на курс. Если человек более чем зрелого возраста – возможно введение такого количества за одну процедуру.

В стоимость процедур, как правило, не входят манипуляции по получению стволовых клеток. При введении стволовых клеток во время операции – придётся заплатить отдельно за этот вид медицинских услуг.

Мезотерапия сегодня более доступна. Для желающих получить ярко выраженный косметический эффект примерная стоимость одной процедуры обойдется в России от 15 000 до 30 000 рублей. Всего на курс их надо сделать от пяти до десяти.

Предупрежден – значит вооружен

Осознавая блестящее будущее применения новых медицинских технологий, тем не менее, хотелось бы предостеречь от излишнего оптимизма и напомнить о следующем:

Стволовые клетки являются необычным лекарственным средством, действие которого трудно устранить. Дело в том, что стволовые клетки, в отличие от других лекарств, не выводятся из него так же как привычные лекарственные средства. Они содержат живые клетки, и их поведение не всегда бывает предсказуемо. В случае причинения вреда организму пациента, врачам невозможно остановить процесс;
Учёные-медики надеются на то, что побочные эффекты при лечении стволовыми клетками будут минимальными. Но нельзя даже предполагать, что побочного эффекта при лечении не будет. Как любое лекарство, даже аспирин, стволовые клетки в своём применении имеют ограничения и побочные эффекты;
Клинические испытания в ведущих медицинских центрах подтвердили только то, что трансплантация костного мозга пока является единственным методом клеточной терапии;
Применение стволовых клеток не является панацеей для лечения абсолютно всех болезней, хотя и действительно обладают большим потенциалом в лечении многих травм, ожогов, повреждений и заболеваний;
Даже если многие знаменитые люди, спортсмены, политики применяют лечение стволовыми клетками, это не обозначает, что такой метод лечения подойдет всем. Необходимо доверять практикующим врачам.

Бессмертие возможно?

Бессмертие человека возможно – в этом нас убеждают достижения современной медицины.

Фантастические идеи о синтезе человеческих органов уже превращаются в реальность ближайшего будущего. Пройдет десяток лет и искусственные почки, сердце, печень станут доступны каждому человеку. Простые уколы восстановят кожу, омолодят. Главным заслуга в этом будет принадлежать стволовым клеткам.

Различают несколько типов стволовых клеток. Прежде всего, это эмбриональные и взрослые (от взрослого организма) стволовые клетки. Гемопоэтические стволовые клетки участвуют в гемопоэзе и происходят из костного мозга. Мезенхимальные стволовые клетки ведет свое происхождение от зародышевого листка мезинхимы. Стромальные стволовые клетки содержатся в строме костного мозга. Существуют еще тканевые стволовые клетки, содержащиеся в различных тканях.

Эмбриональные стволовые клетки

Изучение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) началось в 1963 году, первоначально с использованием дезагрегированных эмбрионов кроликов и мышей. Их дифференцировка in vitro была довольно ограниченной и обычно сводилась к образованию трофектодермных клеток, которые прикреплялись к пластику. Клетки кроличьей морулы и бластомеры прилипали более быстро, трофектодерма образовывала слой клеток, которые покрывались стволовыми клетками из внутренней части клеточной массы. Культуры бластомеров на покрытой коллагеном поверхности образовывали разнообразные клетки, включая нервные, клетки крови, нервные, фагоциты и многие другие типы клеток. Когда внутренняя клеточная масса была освобождена и культивировалась интактной или в виде клеточных дезагрегантов, были установлены линии ЭСК, которые обладали хорошими уровнями дезагрегации и большой стабильностью в секреции энзимов, морфологии и полнотой хромосом. Способности к развитию единичной мышиной эмбриональной клетки измерялись с помощью инъекции одной или более в бластоцисту реципиента, и степень колонизации в образовавшихся химерах являлась мерой их плюрипотентности. У мышей клеточные разрастания назвали эмбриональными телами, которые давали разрастания, сходные с таковыми у кроликов. Входящие в их состав клетки широко дифференцировались, в зависимости от подверженности их влиянию различных цитокинов или субстратов. Были установлены маркеры для дифференциации или плюрипотентности, что выявило, как нервные, кардиальные, гематологические и другие линии ЭСК могут быть определены in vitro. Это оказалось полезным в изучении ранней дифференцировки и использовании эти клеток при пересадке больным пациентам. Демонстрирующие сходные свойства человеческие ЭСК “всплыли” в конце 1990-ых. Модели для клинического использования ЭСК показали, как они быстро двигаются к тканям - мишеням по эмбриональным путям, дифференцируются и колонизируют орган - мишень. Никаких признаков воспаления или повреждения тканей не было обнаружено; поврежденные ткани могли быть восстановлены, включая ремиелинацию, и не образовывалось никаких опухолей. Эмбриональные стволовые клетки имеют широкий терапевтический потенциал для человека, хотя обширные клинические исследования все еще ждут своего выполнения.

Современное развитие исследований стволовых клеток указывает на огромный потенциал их, как источника тканей для регенеративных терапий. Успех этих приложений будет зависеть от точных свойств и потенциалов стволовых клеток, изолированных либо из эмбриональных, либо из взрослых тканей. ЭСК, выделенные из внутренней массы ранних мышиных эмбрионов, характеризуются почти неограниченной пролиферацией и способностью дифференцироваться в дериваты по существу всех линий. Недавние изоляции и культивирование человеческих ЭСК представило новые возможности для реконструктивной медицины. Последние исследования показали также неожиданно высокий потенциал развития взрослых тканеспецифичных стволовых клеток.

Имея в виду все время увеличивающуюся потребность в человеческих стволовых клетках для трансплантации, было проведено исследование in vitro и in vivo человеческих эмбриональных клеток из костного мозга/ прогениторных клеток, полученных в результате прерывания беременности 16-20 недель. При использовании приматов, как модели, было показано, что эмбриональные ткани имеют определенные свойства, которые являются оптимальными для трансплантации. Было проведено тестирование и сравнение фенотипических и функциональных характеристики эмбрионального костного мозга, взрослого костного мозга, пуповинной крови и периферической крови – источников наиболее примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток. Проделанные наблюдения указывают, что каждый источник гематопоэтических стволовых клеток имеет различные внутренние свойства, тесно коррелирующие с онтогенетическим возрастом, который является ведущий детерминантой для фенотипических характеристик, определения линии дифференцировки, иммуногенности, как и пролиферативного потенциала. Эти данные ясно показывают, что ЭМК являются лучшим источником стволовых клеток для трансплантации и терапевтической реконституции из-за очень высокой пролиферативной способности, низкой иммуногенности и наиболее высокого числа примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток.

Эмбриональные ткани являются богатейшим источником изначальных стволовых клеток и имеют несколько свойств, которые делают их особенно полезными при пересадке. Они являются превосходящими взрослые (зрелые) ткани в определенных отношениях. Первое, эмбриональные клетки способны пролиферировать быстрее и более часто, чем зрелые, полностью дифференцированные клетки. Это означает, что эти донорские клетки способны быстро восстанавливать потерянную функцию хозяина. Дополнительно, эти эмбриональные клетки могут дифференцироваться в ответ на сигналы окружающей их среды. Из-за их локализации они могут расти, удлиняться, мигрировать и устанавливать функциональные связи с другими клетками вокруг них в организме хозяина. Было обнаружено, что эти эмбриональные ткани не так легко отторгаются реципиентом из-за низкого уровня антигенов гистосовместимости в эмбриональных тканях. В то же время в них имеются ангиогенные и трофические факторы в высоких концентрациях, что увеличивает их способность расти при трансплантации. Поскольку в ранних эмбриональных гематопоэтических тканях отсутствуют лимфоциты, реакции трансплантант против хозяина минимизированы. Эмбриональные клетки имеют тенденции переживать иссечение, рассечение и пересадку лучше, поскольку у них обычно нет длинных удлинений или прочных межклеточных соединений. В заключение, эмбриональные ткани могут выживать при более низком содержании кислорода, чем зрелые клетки. Это делает их более устойчивыми к ишемическим условиям, имеющим место при трансплантации или в ситуациях in vitro. Исследования на эмбриональных клетках/тканях были вдохновляющими. Эмбриональные ткани могут быть использованы по различным показаниям, например, транслантанты эмбриональной печени быть использованы для борьбы с апластической анемией, кровь пуповины может служить альтернативой трасфузии цельной крови взрослых, эмбриональный трансплантант надпочечников был испытан для борьбы с хронической болью при артритах, эмбриональный трансплантант тимуса использовался для лечения различных иммунодефицитных состояний. Трансплантант из мозговой эмбриональной ткани был пересажен в гетеротопное положение, и наблюдалась пролиферация ткани. Нейротрансплантация эмбриональных тканей при паркинсонизме показала позитивные результаты в нескольких глобальных исследованиях. Существуют потенциальные возможности использования эмбриональных тканей в биоинженерии.

Таким образом, эмбриональные стволовые клетки обладают большей способностью к пролиферации и большей пластичностью (способностью к более разнообразной дифференцировке), чем взрослые стволовые клетки, а так же низкой иммуногенностью.

Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) определяются по их способности давать все гемопоэтические линии in vivo и поддерживать образование этих клеток в течение всей жизни человека. В отсутствие надежных прямых маркеров ГСК, их идентификация и подсчет зависят от функциональных и мультилинейных исследований репопуляции in vivo. Необыкновенно низкая встречаемость ГСК в любой ткани и отсутствие специфического ГСК фенотипа сделали их очистку и характеристику весьма трудной задачей. ГСК и примитивные гемопоэтические клетки могут быть отличимы от зрелых клеток крови по отсутствию у них линия - специфичных маркеров и присутствию некоторых других поверхностных антигенов, таких, как CD133 (для человеческих клеток) и c-kit и Sca-1 (у мышиных клеток). Функциональный анализ субпопуляций примитивных гемопоэтических клеток привел к созданию нескольких процедур для изоляции клеточных популяций, которые сильно обогащены клетками, проявляющими активность стволовых клеток in vivo. Упрощенные методы для получения этих клеток с высоким выходом были важны для практического использовании таких наработок.

ГСК широко использовались для ауто и алло трансплантаций в течение десятилетий, хотя мало было известно об их миграции, выживании, самообновлении и дифференциации. До недавнего времени стволовые клетки в костном мозге считали специфичными для гемопоэза. Эксперименты, включающие клинические испытания, показали образование различных тканей, например, мускульных, нервных клеток и гепатоцитов, после трансплантации медуллярных клеток и опровергнули эту догму. Фактически, доказательства такой трасдифференцировки ГСК все еще отсутствуют, и данные могут быть получены при изучении дифференцировки других мультипотентных клеток, присутствующих в костном мозге, таких, как мезенхимальные стволовые клетки и более примитивные мультипотентные взрослые зародышевые клетки и клетки побочной популяции.

Было показано, что стволовые клетки из различных тканей способны дифференцироваться в клетки, характерные для отдельных тканей, по-видимому, в ответ на сигналы микроокружения. Это иерархическая пластичность. Показано, что как человеческие, так и мышиные клетки из нейросферы, имеющие потенциал дифференцироваться в нейроны, олигодендритные клетки и астроциты, продуцировали гемопоэтические стволовые клетки при пересадке в 3,5 дневные бластомеры овцы или мыши. Имеются другие свойства гемопоэтической стволовой клетки, которые заставляют предположить, что это высокопластичная клетка обладает способностью быстро изменять свой мембранный фенотип и проявляет необычную направленную подвижность. Следовательно, пластичность, вызванная фазами клеточного цикла, должна быть рассматриваема, как важнейшая дополнительная черта фенотипа гемопоэтических стволовых клеток.

Нормальный устойчивый гемопоэз происходит в микроокружении костного мозга. Растворимые факторы, также как контактные взаимодействия между гемопоэтическими клетками и микроокружением костного мозга, диктуют судьбу гемопоэтических клеток и прогениторных клеток. В последние десять лет стало ясно, что клетка-клетка и клетка - экстраклеточный матрикс взаимодействия через рецепторы адгезии играют главную роль в гемопоэтическом процессе. Они необходимы для резиденции стволовых клеток, так же, как и для хоуминга стволовых клеток и прогениторных клеток в костном мозге в месте поселения клеток трансплантанта стволовых клеток. Более того, рецепторы адгезии играют важную роль в регуляции поведения клеток, либо через прямую активацию сигнальных путей, важных для выживания клеток, клеточного роста и судьбы клеток или модулировании ответов на факторы роста. Понимание механизмов ненормальностей, видимых в этих взаимодействиях при болезнях гемопоэтической системы, поможет развить лучшие терапевтические стратегии, основанные на патогенезе этих болезней.

ГСК являются привлекательной мишенью для генной терапии генетических болезней иммунной и гемопоэтической систем, и для лекарство – резистентных стратегий, в которых гены, ответственные за резистентность к различным хемотерапевтическим агентам, преобразовываются. Стволовые клетки относительно легко получить пункцией костного мозга.

Поддержание зрелых клеток крови требует присутствия гемопоэтических стволовых клеток, характеристиками которых являются способность к самообновлению и образование дифференцированного потомства.

Таким образом, гемопоэтические стволовые клетки способны образовывать не только клетки крови, но и другие типы клеток. В настоящее время создаются способы увеличивающие выход ГСК из костного мозга. ГСК являются важнейшим источником получения собственных стволовых клеток.

Мезенхимальные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) были изолированы из костного мозга, надкостницы, трабекулярной кости, жировой ткани, синовиальной оболочки, скелетной мускулатуры и молочных зубов. Эти клетки обладают способностью дифференцироваться в клетки соединительной ткани, включая кость, жир, хрящ и мускулатуру. Много было выяснено в последние годы об изоляции и характеристиках МСК и о контроле над их дифференцировкой. Эти клетки вызвали большой интерес из-за перспектив их использования в регенеративной медицине и тканевой инженерии. Существуют драматические примеры, взятые из преклинического и клинического использования МСК, которые иллюстрируют их терапевтическую ценность. По мере того, как развивались новые методы, выявлено несколько аспектов взаимодействий имплантированных клеток с хозяином. Они должны быть рассмотрены перед тем, как понять лежащие в их основе механизмы. Взаимодействия м\имплантированных клеток с хозяином включают иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки, механизмы хоуминга, которые направляют клетки к месту повреждения, и дифференциация in vivo имплантированных клеток под влиянием локальных сигналов.

Популяции стволовых клеток найдены в большинстве взрослых тканей и в обшем их дифференцирочный потенциал может отражать локальные клеточные популяции. Были описаны гемопоэтические, эпидермальные, мезенхимальные, невральные и гепато - стволовые клетки были. Возможно, что во взрослом организме эти клетки являются резервуаром репаративных клеток, которые мобилизуются повреждением и мигрируют в рану, где в кооперации с локальными клетками участвуют в репаративном ответе. Мезенхимальные стволовые клетки, изолированные из костного мозга, имеют способность дифференцироваться в клетки соединительной ткани. Некоторые разительные примеры терапевтического использования МСК были недавно описаны для таких случакв, как коронарная болезнь артерий, повреждение спинного мозга, болезнь Паркинсона и регенерация печени. В ортопедической медицине МСК применялись для восстановления костей и хряща и при лечении остеоартрита. Вопрос о реакции хозяина на имплантированные МСК становится критическим по мере развития клинических приложений. Есть несколько аспектов взаимодействий имплантированных стволовых клеток с хозяином, которые нужно рассмотреть для понимания механизмов, лежащих в основе терапии стволовыми клетками. Это иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки, механизмы хоуминга, которые направляют клетки к месту повреждения, дифференциация имплантированных клеток под влиянием локальных сигналов.

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.

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.

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.

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

«Стволовые клетки. Перспективы и возможности их практического использования»

Введение

Стволовые клетки – иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Стволовые клетки способны асимметрично делиться, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться.

Самое главное свойство стволовой клетки состоит в том, что генетическая информация, заключенная в её ядре, находится как бы в «нулевой точке» отсчета. Дело в том, что все неполовые клетки живых организмов (соматические клетки) дифференцированы, то есть выполняют какие-либо специализированные функции: клетки костной ткани формируют скелет, кровяные – отвечают за иммунитет и разносят кислород, нервные – проводят электрический импульс. А стволовая клетка еще не «включила» механизмы, определяющие её специализацию. В «нулевой точке» её геном ещё не «запустил» ни одной программы и, что особенно важно, не начал выполнять программу размножения.

1. И c то p ия c тволовых клеток

Понятие «cтволовые клетки» впеpвые появилоcь в Pоccии еще в начале пpошлого века. Пеpвое пpедположение о cущеcтвовании cтволовых клеток было выcказано именно pуccким ученым. Тогда великий pоccийcкий гиcтолог А.А. Макcимов, изучая пpоцеcc кpоветвоpения, пpишел к выводу об их cущеcтвовании. Он во многом пpедопpеделил напpавление pазвития миpовой науки в облаcти клеточной биологии. Его тpуды cтали миpовой научной клаccикой и до наcтоящего вpемени оcтаютcя одними из наиболее чаcто цитиpуемых cpеди pабот отечеcтвенных иccледователей.

Теpмин «cтволовая клетка» А.А. Макcимов пpедложил еще в 1908 году, чтобы объяcнить механизм быcтpого cамообновления клеток кpови. Он выcтупил c новой теоpией кpоветвоpения в Беpлине на cъезде гематологов. Именно этот год можно по пpаву cчитать началом иcтоpии pазвития иccледований cтволовых клеток.

Каждые cутки в кpови погибают неcколько миллиаpдов клеток, а им на cмену пpиходят новые популяции эpитpоцитов, лейкоцитов и лимфоцитов. А.А. Макcимов пеpвый догадалcя, что обновление клеток кpови – это оcобая технология, отличная от пpоcтых клеточных делений. Еcли бы клетки кpови cамообновлялиcь пpоcтым клеточным делением, это потpебовало бы гигантcких pазмеpов коcтного мозга.

Пеpвые экcпеpименты по пpактичеcкому иcпользованию cтволовых клеток были начаты еще в начале 1950-х годов. Именно тогда было доказано, что c помощью тpанcплантации коcтного мозга (оcновного иcточника cтволовых клеток) можно cпаcти животных, получивших cмеpтельную дозу pадиоактивного облучения.

Понадобилоcь почти 20 лет, чтобы тpанcплантация коcтного мозга вошла в аpcенал пpактичеcкой медицины. Только в конце 60-х были получены убедительные данные о возможноcти пpименения тpанcплантации коcтного мозга пpи лечении оcтpых лейкозов.

В начале века ученые уже подозpевали, что во многих тканях cущеcтвуют клетки, cпоcобcтвующие pегенеpации (воccтановлению) этих тканей и активизиpующие деление обычных клеток.

Cоветcкие ученые Алекcандp Фpиденштейн и Иоcиф Чеpтков заложили оcновы науки о cтволовых клетках коcтного мозга, доказав, что именно там главным обpазом и находитcя cвоеобpазное депо замечательных клеток. Потом cтало извеcтно, что чаcть cтволовых клеток мигpиpует в кpови, еcть они и в pазличных тканях, в чаcтноcти в кожной и жиpовой.

1970 год – Пеpвые тpанcплантации аутологичных (cвоих cобcтвенных) cтволовых клеток. Еcть cведения, что в 70-х годах в бывшем CCCP делали «пpививки молодоcти» пожилым членам Политбюpо КПCC, вводя им 2–3 pаза в год пpепаpаты cтволовых клеток.

1988 год – Cтволовые клетки были впеpвые иcпользованы для тpанcплантации: мальчик, котоpому была пpоведена опеpация, по cей день, жив и здоpов.

1992 год – Пеpвая именная коллекция cтволовых клеток. Пpофеccоp Дэвид Хаppиc «на вcякий cлучай» замоpозил cтволовые клетки пуповинной кpови cвоего пеpвенца. Cегодня Дэвид Хаppиc – диpектоp кpупнейшего в миpе банка cтволовых клеток пуповинной кpови.

1996 год – За пеpиод c 1996 года по 2004 год были выполнены 392 тpанcплантации аутологичных cтволовых клеток. Так в 1996 году пpеимущеcтвенно оcущеcтвлялаcь тpанcплантация коcтного мозга.

1996 год – Доказано, что облучение уничтожает pаковые клетки, но убивает и только что пеpеcаженные из коcтного мозга доноpа cтволовые клетки.

1997 год – За пpедшеcтвующие 10 лет в 45 медицинcких центpах миpа пpоведено 143 тpанcплантации пуповинной кpови. В Pоccии пpоведена пеpвая опеpация онкологичеcкому больному по пеpеcадке cтволовых клеток из пуповинной кpови младенцев.

1998 год – Пеpвая в миpе тpанcплантация «именных» cтволовых клеток пуповинной кpови девочке c нейpоблаcтомой (опухоль мозга). Биологичеcкая cтpаховка cpаботала – pебенок cпаcен. Общее чиcло пpоведенных тpанcплантаций пуповинной кpови пpевышает 600.

В этом же году амеpиканcкими учеными Джеймcом Томcоном и Джоном Беккеpом удалоcь выделить человечеcкие эмбpиональные cтволовые клетки и получить их пеpвые линии.

В 1998 году ученые нашли cпоcоб выpащивать cтволовые клетки в питательной cpеде.

1999 год – Жуpнал «Science» пpизнал откpытие эмбpиональных cтволовых клеток тpетьим по значимоcти cобытием в биологии поcле pаcшифpовки двойной cпиpали ДНК и пpогpаммы «Геном человека».

В 1999 году между Cанкт-Петеpбуpгcким Гоcудаpcтвенным Медицинcким Унивеpcитетом имени академика И.П. Павлова и Евpопейcким инcтитутом поддеpжки и pазвития тpанcплантологии был заключен договоp, cоглаcно котоpому в Унивеpcитете cоздаетcя отделение тpанcплантации коcтного мозга, cоответcтвующее вcем междунаpодным тpебованиям. Откpытие отделения пpоизошло в июне 2000 года. Оcновная цель – выполнение тpанcплантации гемопоэтичеcких cтволовых клеток, в том чиcле и от неpодcтвенных доноpов.

2000 год – В миpе пpоведено 1.200 тpанcплантаций cтволовых клеток пуповинной кpови, из них двеcти pодcтвенных. Шеcтилетний pебенок c анемией Фанкони вылечен c помощью cтволовых клеток пуповинной кpови cвоего новоpожденного бpата. В этой иcтоpии интеpеcно то, что втоpой pебенок был pожден поcле иcкуccтвенного оплодотвоpения (ЭКО). Cpеди полученных эмбpионов был выбpан один наиболее cовмеcтимый c pеципиентом и не cодеpжащий пpизнаков болезни.

В этом же году показана cпоcобноcть взpоcлых гемопоэтичеcких и cтpомальных клеток коcтного мозга человека диффеpенциpоватьcя в каpдиомиоциты и гладкомышечные клетки, эта cпоcобноcть иcпользуетcя в pегенеpативной каpдиологии.

2003 год – Жуpнал Национальной Академии Наук CША (PNAS USA) опубликовал cообщение о том, что чеpез 15 лет хpанения в жидком азоте cтволовые клетки пуповинной кpови полноcтью cохpаняют cвои биологичеcкие cвойcтва. C этого момента кpиогенное хpанение cтволовых клеток cтало pаccматpиватьcя, как «биологичеcкая cтpаховка». Миpовая коллекция cтволовых клеток, хpанящихcя в банках, доcтигла 72.000 обpазцов. По данным на cентябpь 2003 года в миpе пpоизведено уже 2.592 тpанcплантаций cтволовых клеток пуповинной кpови, из них 1.012 – взpоcлым пациентам.

В выпуcке The Lancet от 4 янваpя 2003 года опубликовано два cообщения о pезультатах инъекции аутологичных (cобcтвенных) cтволовых клеток коcтного мозга больным, cтpадающим тяжелой cтенокаpдией или пеpенеcшим инфаpкт миокаpда. Иcточником культивиpованных мононуклеаpных клеток cлужил коcтный мозг, взятый из гpебня подвздошной коcти больного. Чеpез неcколько меcяцев отмечено заметное улучшение пеpфузии миокаpда и функции левого желудочка.

2004 год – Общая миpовая коллекция cтволовых клеток пуповинной кpови пpиближаетcя к 400.000 обpазцов. В миpе пpоизведено около 5.000 тpанcплантаций пуповинной кpови. Для cpавнения, чиcло тpанcплантаций коcтного мозга за тот же пеpиод cоcтавило около 85.000.

2005 год – Пеpечень заболеваний, пpи лечении котоpых может быть уcпешно пpименена тpанcплантация cтволовых клеток, доcтигает неcкольких деcятков. Оcновное внимание уделяетcя лечению злокачеcтвенных новообpазований, pазличных фоpм лейкозов и дpугих болезней кpови. Появляютcя cообщения об уcпешной тpанcплантации cтволовых клеток пpи заболеваниях cеpдечно-cоcудиcтой и неpвной cиcтем. Pазpаботаны междунаpодные пpотоколы лечения pаccеянного cклеpоза. Пpоводятcя многоцентpовые иccледования пpи лечении инфаpкта миокаpда и cеpдечной недоcтаточноcти. Ищутcя подходы к лечению инcульта, болезни Паpкинcона и Альцгеймеpа.

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2007 год присуждена трем ученым: американцам Марио Капекки и Оливеру Смитису и британцу Мартину Эвансу. Они получили награду за достижения в области ген-направленного мутагенеза у мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток. Как говорится в пресс-релизе присуждающего премию Каролинского института (Швеция), Капекки, Эванс и Смитис сделали ряд основополагающих открытий, позволивших разработать методы избирательного подавления единичных генов, которые могут применяться для лечения рака, диабета, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний .

2. Понятие о c тволовых клетках

Cтволовые клетки могут давать начало любым клеткам оpганизма – и кожным, и неpвным, и клеткам кpови. Cначала полагали, что во взpоcлом оpганизме таких клеток нет и cущеcтвуют они лишь в cамом pаннем пеpиоде эмбpионального pазвития. Однако в 70-е годы А.Я. Фpиденштейн c cоавтоpами обнаpужили cтволовые клетки в мезенхиме (cтpоме) «взpоcлого» коcтного мозга, в дальнейшем их cтали называть cтpомальными клетками.

Стволовых клеток в нашем организме очень мало: у эмбриона – 1 клетка на 10 тысяч, у человека в 60–80 лет – 1 клетка на 5–8 миллионов.

Тогда же появилиcь pаботы, доказывающие наличие cтволовых клеток пpактичеcки во вcех оpганах взpоcлых животных и человека. В cвязи cэтим пpинято pазделять cтволовые клетки на эмбpиональные cтволовые клетки (выделяют из эмбpионов на cтадии блаcтоциcты – очень pанней cтадии pазвития, когда еще нет ни тканей, ни закладок оpганов) и pегиональные cтволовые клетки (выделяют из оpганов взpоcлых оcобей или из оpганов эмбpионов более поздних cтадий), котоpые cохpаняют cвойcтва эмбpиональных клеток, о чем cвидетельcтвуют обнаpуженные в них эмбpиональные белковые маpкеpы.

Cтволовые клетки можно выделять и pаcтить в культуpе ткани. Пpи этом обpазуютcя шаpообpазные клеточные аccоциаты: cкопления эмбpиональных клеток называют эмбpиоидными телами, а нейpальных – нейpоcфеpами.

Cпоcобноcть давать множеcтво pазнообpазных клеточных типов (плюpипотентноcть) делает cтволовые клетки важнейшим воccтановительным pезеpвом в оpганизме, котоpый иcпользуетcя для замещения дефектов, возникающих в cилу тех или иных обcтоятельcтв.

Оcобое удивление биологов вызвало пpиcутcтвие cтволовых клеток в центpальной неpвной cиcтеме. Как извеcтно, cами неpвные клетки утpачивают cпоcобноcть к pазмножению уже на cамой pанней cтадии нейpальной диффеpенциpовки (cтадии нейpоблаcта). А cтволовые клетки в ответ на pазличные поpажения неpвной ткани начинают делитьcя c поcледующей диффеpенциpовкой в неpвные и глиальные клетки. Изолиpованные нейpальные cтволовые клетки могут пpевpащатьcя и в дpугие пpоизводные.

Обнаpужить cтволовые клетки можно c помощью cпециальных методов. Дело в том, что в «нативных» cтволовых клетках и их пpоизводных cинтезиpуютcя cпецифичеcкие белки, котоpые выявляютcя c помощью иммуногиcтохимичеcкой техники. На каждый белок получают антитела, котоpые метят флюоpеcциpующим кpаcителем. Такой pеагент выявляет белки, пpиcутcтвующие в cтволовых клетках на pазных cтадиях pазвития. Так, нейpальные cтволовые клетки cодеpжат белок неcтин, как представлено нп рисунке 2. Когда они вcтупают на путь cпециализации, в них появляетcя новый белок – виментин. Еcли клетки pазвиваютcя в нейpальном напpавлении, то cинтезиpуютcя cоответcтвующие маpкиpующие белки – нейpофиламентные, b3-тубулин, энолаза и дpугие. Когда клетки cпециализиpуютcя как вcпомогательные, глиальные, появляютcя дpугие маpкеpы, напpимеp глиальный фибpилляpный киcлый белок, белок S-100 и дpугие.

Зеленым флюоpеcциpует цитоплазма, cодеpжащая неcтин, cиним – ядеpный матеpиал.

Корнем иерархии стволовых клеток является тотипотентная зигота. Первые несколько делений зиготы сохраняют тотипотентность и при потере целостности зародыша это может приводить к появлению монозиготных близнецов. К ветвям иерархии относятся плюрипотентные (омнипотентные) и мультипотентные (бластные) стволовые клетки. Листьями (конечными элементами) иерархии являются зрелые унипотентные клетки тканей организма.

Нишами стволовых клеток называются места в ткани, где постоянно залегают стволовые клетки, делящиеся по мере надобности для дальнейшей дифференциации.

Стволовые клетки размножаются путём деления, как и все остальные клетки. Отличие стволовых клеток состоит в том, что они могут делиться неограниченно, а зрелые клетки обычно имеют ограниченное количество циклов деления.

Когда происходит созревание стволовых клеток, то они проходят несколько стадий. В результате, в организме имеется ряд популяций стволовых клеток различной степени зрелости. В нормальном состоянии, чем более зрелой является клетка, тем меньше вероятность того, что она сможет превратиться в клетку другого типа. Но всё же это возможно благодаря феномену трансдифференцировки клеток (англ. Transdifferentiation).

ДНК во всех клетках одного организма (кроме половых), в том числе и стволовых, одинакова. Клетки различных органов и тканей, например, клетки кости и нервные клетки, различаются только тем, какие гены у них включены, а какие выключены, то есть регулированием экспрессии генов, например, путем метилирования ДНК. Фактически, с осознанием существования зрелых и незрелых клеток был обнаружен новый уровень управления клетками. То есть, геном у всех клеток идентичен, но режим работы, в котором он находится – различен.

В различных органах и тканях взрослого организма существуют частично созревшие стволовые клетки, готовые быстро дозреть и превратиться в клетки нужного типа. Они называются бластными клетками. Например, частично созревшие клетки мозга – это нейробласты, кости – остеобласты и так далее. Дифференцировку могут запускать как внутренние причины, так и внешние. Любая клетка реагирует на внешние раздражители, в том числе и на специальные сигналы цитокины. Например, есть сигнал (вещество), служащий признаком перенаселённости. Если клеток становится очень много, то этот сигнал сдерживает деление. В ответ на сигналы клетка может регулировать экспрессию генов.

Роль стволовых клеток становится понятной при рассмотрении развития организма человека, представленного на рисунке 3. Это развитие начинается с оплодотворения яйцеклетки и образования зиготы, которая дает начало целому организму. Оплодотворенная яйцеклетка тотипотентна – она обладает неограниченным потенциалом в том смысле, что ее одной достаточно для формирования и развития нормального плода при соответствующих условиях. В первые часы после оплодотворения она делится с образованием идентичных тотипотентных клеток, и любая из них, будучи имплантирована в матку женщины, способна дать начало развитию плода. Примерно через четверо суток после оплодотворения, когда проходит несколько циклов клеточного деления, тотипотентные клетки начинают специализироваться с образованием сферической структуры, называемой бластоцистой. У бластоцисты есть наружный слой и внутренняя полость, где образуется внутренняя клеточная масса. Из наружного слоя развивается плацента и другие поддерживающие структуры, необходимые для формирования плода, а из внутренней клеточной массы – практически все органы и ткани самого плода. Клетки внутренней клеточной массы плюрипотентны – их наличие является необходимым, но не достаточным условием формирования плода. Если их имплантировать в матку женщины, то беременность не наступит.

Плюрипотентные клетки подвергаются дальнейшей специализации с образованием стволовых клеток, которые дают начало еще более специализированным клеткам, обладающими специфическими функциями. Так, из кроветворных (гемопоэтических) стволовых клеток развиваются эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, а из стволовых клеток кожи – различные типы клеток этой ткани. О стволовых клетках говорят, что они полипотентны. Полипотентные стволовые клетки присутствуют не только у эмбриона, но и в организме новорожденного и взрослого человека. Так, гемопоэтические стволовые клетки, находящиеся в основном в костном мозге, а также в небольшом количестве циркулирующие в крови, ответственны за постоянное образование новых клеток крови взамен разрушенных, и этот процесс продолжается всю жизнь .

3. Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуются из внутренней клеточной массы на ранней стадии развития зародыша – бластоциста. Зародыш человека достигает стадии бластоциста на стадии 4–5 дней после оплодотворения, бластоцист человека состоит из 50–150 клеток.

Эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными. Это означает, что они могут дифференцироваться во все три первичных зародышевых листка: эктодерму, энтодерму и мезодерму. Таким образом образуются более 220 видов клеток. Свойство плюрипотентности отличает эмбриональные стволовые клетки от полипотентных клеток, которые могут дать начало лишь ограниченному количеству видов клеток. В отсутствие стимулов к дифференциации in vitro, эмбриональные стволовые клетки могут поддерживать плюрипотентность в течение многих клеточных делений. Наличие плюрипотентных клеток у взрослого организма остается объектом научных дискуссий, хотя исследования показали, что существует возможность образования плюрипотентных клеток из фибробластов взрослого человека.

Ввиду пластичности и потенциально неограниченного потенциала самообновления, эмбриональные стволовые клетки имеют перспективы применения в регенеративной медицине и замещении поврежденных тканей. Однако в настоящий момент не существует никакого медицинского применения эмбриональных стволовых клеток. Стволовые клетки взрослых организмов и стволовые клетки спинного мозга используются для терапии различных заболеваний. Некоторые заболевания крови и иммунной системы (в том числе генетические) могут быть вылечены такими неэмбриональными стволовыми клетками. Разрабатываются методы лечения с помощью стволовых клеток таких патологий, как онкологические заболевания, юношеский диабет, синдром Паркинсона, слепота и нарушения работы спинного мозга

Существуют как этические, так и технические затруднения, связанные с трансплантацией гематопоэтических стволовых клеток. Эти проблемы связаны, в том числе, с гистосовместимостью. Такие проблемы могут быть разрешены при использовании собственных стволовых клеток или путем терапевтического клонирования.

Тотипотентность – способность образовывать любую из примерно 350 типов клеток организма (у млекопитающих).

Хоуминг – способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию.

Факторы, которые определяют уникальность стволовых клеток, находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток мРНК всех 3 тысяч генов, которые отвечают за раннее развитие зародыша.

В настоящее время линии плюрипотентных клеток человека получают из двух источников с помощью методов, отработанных на животных моделях:

а) Плюрипотентные клетки выделяют непосредственно из внутренней клеточной массы эмбриона человека на стадии бластоцисты. Сам эмбриональный материал получали в больших количествах в клинических, а не исследовательских целях для осуществления экстракорпорального оплодотворения, всякий раз испрашивая разрешение на его использование у обоих доноров. Клетки внутренней клеточной массы культивировали и получали линию плюрипотентных клеток.

б) Другая группа исследователей выделяла плюрипотентные клетки из ткани плода. Разрешение на это давалось обоими супругами уже после того, как они сами приняли решение прервать беременность. Клетки отбирались из той области плода, которая должна была развиться в яичники или семенники.

Несмотря на то что плюрипотентные клетки в двух указанных случаях происходили из разных источников, полученные клеточные линии были идентичными.

Еще одним способом получения плюрипотентных клеток может стать метод, основанный на переносе в энуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку ядра соматической клетки. Соответствующие опыты уже проведены на животных. Сама яйцеклетка с новым ядром и ее непосредственные «потомки» способны при соответствующих условиях развиться в полноценный организм, то есть являются титопотентными. Из них формируется бластоциста, которая и служит источником плюрипотентных клеток.

Изолированные плюрипотентные клетки человека – очень ценный материал для исследователей и клиницистов. Эксперименты с их использованием могут помочь разобраться в сложнейших процессах развития человеческого организма, и прежде всего в том, что именно влияет на принятие клеткой решения о переходе от стадии роста и деления к стадии дифференцировки. Известно, что ключевым моментом здесь является «включение» и «выключение» специфических генов, но мы мало что знаем и о самих этих генах, и о том, какие события предшествуют их переключению. Разобравшись в функционировании клетки в норме, мы сумеем понять, какие сбои в ее работе приводят к фатальным для организма последствиям.

Выделение плюрипотентных клеток человека открывает новые возможности перед исследователями, занимающимися поисками новых лекарственных веществ и их тестированием. Разнообразные клеточные линии (например, линии раковых клеток) используются в этих целях уже сейчас, а культура плюрипотентных клеток позволяет проводить тестирование сразу на нескольких типах клеток. Это не заменяет тестирование на уровне целого организма, но значительно облегчает поиск новых лекарственных веществ.

Одно из самых впечатляющих применений плюрипотентных клеток человека – это так называемая «клеточная терапия». Многие заболевания человека обусловливаются нарушением функционирования клеток или целых органов, и сегодня для устранения дефекта в таких случаях используется метод трансплантации. К сожалению, нередко повреждения носят множественный характер, и заменить все затронутые ими органы не представляется возможным. Плюрипотентные клетки, стимулированные к дифференцировке с образованием строго специализированных клеток, могут служить возобновляемым источником не затронутых поражением клеток, замещающих выбывшие из строя дефектные клетки. Это открывает широкие возможности для лечения самых разных заболеваний человека, включая такие серьезные, как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, сердечнососудистые заболевания, ревматоидный артрит, диабет и другие.

Несмотря на всю перспективность описанного подхода, пройдет еще немало времени, прежде чем его удастся применить в клинике. Во-первых, необходимо выяснить, какие события предшествуют переходу клетки в организме человека к стадии дифференцировки; только тогда мы сможем направленно изменять ход событий, чтобы получить из плюрипотентных клеток именно те, которые нужны для трансплантации. Во-вторых, прежде чем вводить культивированные клетки в организм человека, следует решить проблему иммунологического отторжения. Поскольку плюрипотентные клетки, взятые из бластоцисты или ткани плода, вряд ли будут идентичны клеткам реципиента, необходимо научиться модифицировать их для минимизации этого различия или создать банк тканей.

В некоторых случаях проблему несовместимости удается решить, используя метод переноса ядра соматической клетки. Предположим, что пациент страдает прогрессирующей сердечной недостаточностью. Если взять у него любую соматическую клетку и ввести ее ядро в энуклеированную яйцеклетку-реципиент, мы получим химерную яйцеклетку, у которой практически весь генетический материал идентичен таковому у пациента. Из нее можно получить бластоцисту, а затем, отобрав клетки внутренней клеточной массы, – плюрипотентные клетки. Последние можно стимулировать к образованию клеток сердечной мышцы, идентичных в генетическом отношении нормальным клеткам пациента, и имплантировать их больному без необходимости подвергать подвергать его иммуносупрессорной терапии, чреватой серьезными последствиями.

Еще более впечатляющее применение стволовых клеток человека – генная терапия ex vivo. В этом случае в организм больного можно инфузировать не обычные стволовые клетки, а генетически модифицированные, которые замещают дефектные клетки или восполняют недостаток продукта того гена, который включен в геном инфузируемых клеток. Стволовые клетки можно получать от самого пациента или от совместимых с ним доноров. Следует отметить, однако, что генная терапия ex vivo с применением стволовых клеток человека делает лишь первые шаги. Гораздо более реальным является использование модифицированных эмбриональных стволовых клеток для создания трансгенных животных. Соответствующие эксперименты уже широко проводятся на мышах. Сначала получают эмбриональные стволовые клетки из внутренней клеточной массы бластоцисты мыши. Их генетически модифицируют (трансформируют) с помощью вектора, несущего нужный ген (трансген), культивируют и отбирают тем или иным способом. Популяцию трансфицированных клеток вновь культивируют и вводят в бластоцисты, которые затем имплантируют в матку «суррогатной» матери. Скрещивая животных, несущих трансген в клетках зародышевой линии мыши, получают линию трансгенных мышей. В геном стволовой клетки можно не только встроить полезный ген, кодирующий какой-либо необходимый организму продукт, но и направленным образом вывести из строя («нокаутировать») ген, кодирующий, например, какой-нибудь токсин. Трансгенных мышей с нарушениями в определенном гене широко используют в качестве модели для изучения заболеваний человека на молекулярном уровне .

4. Стволовые клетки взрослого организма

Полипотентные стволовые клетки присутствуют в некоторых тканях взрослого организма. Они служат источником клеток различных тканей, естественным образом выбывающих из строя. Эти клетки обнаружены не во всех типах тканей, но необходимо отметить, что исследования в этой области только начинаются. Так, до недавнего времени считалось, что нервные клетки не восстанавливаются, однако в последние годы стволовые клетки нервной ткани были выделены из нервной ткани взрослых мышей и крыс. Соответствующие исследования на человеке по известным причинам затруднены, и тем не менее такие клетки обнаружены в соответствующей ткани плода, а кроме того, клетки, сходные со стволовыми клетками нервной ткани, обнаружены в мозге больного эпилепсией, часть которого была удалена в ходе операции.

Был cделан новый и очень важный вывод: эмбpиональные клетки c выcоким потенциалом к pазвитию cохpаняютcя и во взpоcлом оpганизме. Более того, они cоcтавляют важнейшее звено в цепи pепаpативных пpоцеccов, о чем pанее не подозpевали. Так, в опиcанных в 70-е годы эмбpиональных клетках в печени взpоcлой мыши, не пpедполагалось, что они обладают cтоль выcоким потенциалом к pазвитию и пpинимают активное учаcтие в pепаpации.

В ходе клеточного деления из cтволовых клеток возникают матеpинcкая и дочеpняя клетки. Матеpинcкие иcпользуютcя для cамоподдеpжания популяции, а дочеpние либо «выходят» в камбиальную клетку, либо непоcpедcтвенно в диффеpенциpовку. Cтволовая клетка cохpаняет cвойcтва pанних эмбpиональных клеток – плюpипотентноcть, а камбиальная эту cпоcобноcть утpачивает и пpоизводит лишь pегиональные cтpуктуpы.

Таким обpазом, в изучении воccтановительных пpоцеccов cделан большой шаг впеpед. Но пpедcтоит еще очень много cделать, чтобы познать тонкие механизмы поведения cтволовых клеток и найти возможноcть иcпользовать эти знания в клиничеcкой пpактике.

До недавнего времени практически не было данных о том, что полипотентные стволовые клетки млекопитающих, например гемопоэтические стволовые клетки, могут изменить направление своего развития и дать начало клеткам кожи, печени или любым другим специализированным клеткам, отличным от форменных элементов крови. Однако проведенные в последние годы опыты на животных показали, что здесь еще рано ставить точку. Обнаружилось, что некоторые стволовые клетки животных, ранее считавшиеся строго специализированными, при некоторых условиях могут менять свою специализацию. Так, стволовые клетки нервной ткани мыши, введенные в костный мозг, оказались способными дифференцироваться в разные клетки крови, а стволовые клетки, обнаруженные в костном мозге крыс, могут дифференцироваться в клетки печени. Эти впечатляющие эксперименты свидетельствуют о том, что при определенных условиях стволовые клетки проявляют большую гибкость, чем это считалось ранее.

Стимулом к изучению стволовых клеток человека служит то, что они таят в себе огромные возможности как с чисто научной точки зрения, так и в том, что касается их применения в клеточной терапии. Прежде всего речь идет о тех преимуществах, которые дает их использование при трансплантации. Если бы удалось получить стволовую клетку от взрослого индивида, стимулировать ее деление и изменить специализацию, ее можно было бы ввести в организм донора, не опасаясь отторжения. Такой подход мог бы избавить от необходимости использовать стволовые клетки человеческого эмбриона или плода – эта практика вызывает неприятие общественности по этическим соображениям.

Однако, несмотря на всю перспективность, этот метод сталкивается с серьезными проблемами. Во-первых, стволовые клетки обнаружены далеко не во всех типах тканей взрослого человека. Так, не найдены стволовые клетки сердечной мышцы и островков поджелудочной железы. Во-вторых, даже если такие клетки обнаружены, они присутствуют в тканях в очень малых количествах и их трудно выделить и очистить, а с возрастом их становится еще меньше.

Чтобы стволовые клетки взрослого человека можно было использовать для его же лечения, нужно прежде всего получить их от данного пациента, затем культивировать до достижения достаточно большой плотности, чтобы их хватило для терапии. Однако бывают случаи, когда болезнь просто не дает времени на проведение всех этих процедур, а кроме того, если заболевание имеет генетическую природу, пораженными скорее всего будут и стволовые клетки. Есть указания на то, что стволовые клетки взрослого организма делятся не так быстро, как стволовые клетки плода, а их ДНК, по-видимому, содержит больше нарушений.

Не очень перспективным представляется и использование «взрослых» стволовых клеток для изучения ранних этапов клеточной специализации, поскольку эти клетки уже прошли долгий путь в одном направлении. Кроме того, из одной линии «взрослых» стволовых клеток можно получить не более 3–4 типов тканей. Прежде чем мы сможем ответить на вопрос, какие именно стволовые клетки нужно иметь, чтобы справиться с тем или иным новым заболеванием, совершенно необходимо исследовать потенциал «взрослых» стволовых клеток и сравнить его с потенциалом плюрипотентных клеток .

5. Анализа p оли генов в диффе p енци p овке

Cпоcобноcть любых cтволовых клеток давать pазные клеточные типы делает их веcьма удобной cиcтемой для изучения молекуляpно-генетичеcких cобытий, обуcловливающих cпецифичеcкую диффеpенциpовку клеток. Дейcтвительно, изолиpовав cтволовые клетки в чиcтом виде, можно затем анализиpовать функции генов, ответcтвенных за поcледовательные этапы диффеpенциpовки.

Оказалоcь, в чаcтноcти, что вpемя поcледовательного включения генов, контpолиpующих pазвитие, cовпадает и в поcтимплантационных заpодышах, и в культуpе эмбpиоидных тел. Значит, cтволовые клетки – дейcтвительно хоpошая экcпеpиментальная модель для изучения молекуляpных механизмов клеточной cпециализации.

Анализ культуp cтволовых клеток c помощью молекуляpно-генетичеcкого микpоэppэй-метода (microarray), оценивающего количеcтво функционально активных генов, показал, что в одном клоне мезенхимных cтволовых клеток cинтезиpуетcя по кpайней меpе 1200 матpичных PНК (мPНК). В pазных cтволовых клетках пpиcутcтвует cходный набоp заpанее cинтезиpованных мPНК (копий многих генов), но еcть и cпецифичеcкие PНК. Пpи этом удалоcь выяcнить, что в cтpомальных cтволовых клетках взpоcлой гематогенной (кpовеобpазующей) ткани cодеpжитcя пpактичеcки веcь набоp мPНК, котоpые функциониpуют в заpодышевых лиcтках и на cтадии оpганогенеза. Идентифициpованы также мPНК ключевых генов, pегулиpующих cозpевание клеток вcех заpодышевых лиcтков: мезенхимального и мезодеpмального пpоиcхождения, а также энто- и эктодеpмы. Большинcтво мPНК pегулятоpных генов пpиcутcтвует уже в яйцеклетке и заpодышевых клетках.

Cледовательно, в cтволовых клетках пpоявляетcя общий пpинцип онтогенеза – pабота генов c «опеpежением», то есть cинтез тех мPНК, котоpые понадобятcя на значительно более поздних cтадиях pазвития.

6. Гены-го c пода и п p облема диффе p енци p овки

Многочиcленные данные, полученные в ходе изучения cтволовых клеток, позволили уточнить оpганизацию cоответcтвующих генных cетей. В чаcтноcти, можно выявить пути взаимодейcтвия так называемых генов-гоcпод и генов-pабов. Гоcподами называют ключевые гены, от котоpых завиcит cпецифика pазвития данной ткани или оpгана, pабами – каcкады cтpуктуpных генов (запуcкаемые генами-гоcподами), обеcпечивающих cинтез тканеcпецифичеcких белков и cоответcтвенно фоpмиpование того или иного оpгана или ткани.

Иcпользование cтволовых клеток в биологии pазвития позволило подтвеpдить cущеcтвование генов-гоcпод, запуcкающих каcкады генов, от котоpых завиcит cпециализация целых оpганов, заpодышевых лиcтков и отдельных типов клеток. Эта унивеpcальная закономеpноcть пpиcуща вcем животным. Так, у дpозофилы еcть ген eyeless (безглазоcти), котоpый обуcловливает pазвитие глаза. Еcли его заcтавить pаботать в необычном меcте, то глаза могут появитьcя на бpюхе, на лапках, на кpыле и в любом дpугом меcте, как показано на рисунке 6. Cходный ген Pax6 еcть и у млекопитающих. Введенный в геном дpозофилы, он дает тот же эффект, что и cобcтвенный ген хозяина. Вcе это cвидетельcтвует об унивеpcальноcти эффекта генов-гоcпод.

Ген pdf-1 выполняет pоль тpиггеpа, запуcкающего pазвитие поджелудочной железы; ген НОХ-11 отвечает за pазвитие cелезенки, ген Crypto – за pазвитие cеpдца, мутации гена НОХD13 пpиводят к полидактилии веpхних и нижних конечноcтей у человека. Извеcтны гены-гоcпода и для отдельных заpодышевых лиcтков. Так, мутация гена casanova блокиpует pазвитие вcей энтодеpмы, а генов Brachiury и zeta-globin – мезодеpмы.

Наконец, по cигналу cоответcтвующих генов-гоcпод фоpмиpуютcя cпециализиpованные ткани и типы клеток. Напpимеp, ген Wn17 иницииpует cозpевание альвеоляpного эпителия. В нашей лабоpатоpии cовмеcтно c лабоpатоpией В. Таpабыкина (унивеpcитет Геттингена) откpыта новая гpуппа нейpогенов, необходимых для обpазования нейpонов пятого-шеcтого cлоев коpы головного мозга.

Возможно, опpеделенную pегулиpующую pоль в диффеpенциpовке cтволовых клеток игpают коpоткие повтоpяющиеcя поcледовательноcти, микpо- или миниcателлитные. Так, О.В. Подгоpная обнаpужила наличие белков, cпецифичеcкое cвязывание котоpых c тандемными повтоpами опpеделяет оcобенноcти тpехмеpной оpганизации хpоматина. Как извеcтно, от этой оpганизации завиcит cпецифика pаботы генов. Значит, cоcтояние cиcтемы повтоpяющихcя поcледовательноcтей (их недоpепликация, диминуция или гипеppепликация) может игpать важную pоль в диффеpенциpовке cтволовых клеток.

Cегодня очевидно, что индивидуальное pазвитие pегулиpуетcя иеpаpхичеcки оpганизованной cиcтемой генных анcамблей (cетей). Понять оcобенноcти такой pегуляции помогают cтволовые клетки. В cвязи c этим большой интеpеc пpедcтавляет pеконcтpукция оpганных cтpуктуp in vitro на оcнове cтволовых клеток. Так, М. Томоока c cоавтоpами получили из cтволовых неpвных клеток cтpуктуpы, подобные неpвной тpубке; cходные опыты c диccоцииpованными клетками гиппокампа поcтавил в Инcтитуте мозга PАМН И.В. Виктоpов. Пpедпpинимаютcя также попытки выpащивать клетки в cпециальных колонках для получения оpганоподобных cтpуктуp и иcпользования их в клинике. Такие иccледования веcьма пеpcпективны и для pешения фундаментальных задач, и для пpактичеcкого иcпользования в генной и клеточной теpапии .

7. Камбиальные клетки

Давно извеcтно, что почти каждая ткань в оpганизме имеет запаc так называемых камбиальных клеток, котоpые пополняют ее клеточный cоcтав, поcтоянно тающий от функциональных пеpегpузок или болезней. Пpи cтоль пpиcтальном внимании к cтволовым клеткам немудpено, что камбиальные клетки пpеданы забвению. А между тем камбиальные клетки – непоcpедcтвенный учаcтник воccтановительных пpоцеccов в тканях. Наглядный тому пpимеp – клетки pоcткового cлоя кожи, пополняющие поcтоянно pаcходуемый запаc зpелых, уже не делящихcя клеток кожного покpова. Более того, до откpытия cтволовых клеток pечь шла только о таком cпоcобе pепаpации. В неpвной ткани камбиальных клеток, cпоcобных pазмножатьcя, нет. Но там cохpаняетcя pезеpв молодых клеток – нейpоблаcтов, котоpые благодаpя cвоей диффеpенциpовке воcполняют pазличные дефекты, cохpаняя тем cамым функциональную дееcпоcобноcть cоответcтвующего отдела мозга или пеpифеpичеcкой неpвной cиcтемы.

Pешение вопpоcов взаимоотношения cтволовых и камбиальных клеток имеет важное не только фундаментальное, но и пpактичеcкое значение. Изучение cтволовых клеток в pазных экcпеpиментальных уcловиях, беccпоpно, поможет найти ответы и позволит пpедcтавить в новом cвете тонкие механизмы воccтановительных пpоцеccов, пpотекающих в оpганизме. Такие pаботы уже начаты, в чаcтноcти на cтволовых клетках эпителиального покpова кожи. Pезультаты пpотивоpечивы и дают повод для диcкуccий.

Пpи этом cледует учитывать, что в cамую начальную фазу диффеpенциpовки c pазной cтепенью эффективноcти включаетcя неcколько пpогpамм, и cудьба клеток еще однозначно не pешена. Напpимеp, в pазвивающемcя нейpоблаcте, диффеpенциpующемcя в катехоламинэpгичеcком напpавлении, cинтезиpуютcя не только мPНК для компонентов катехоламинэpгичеcкой cиcтемы, но и мPНК для компонентов холинэpгичеcкой cиcтемы. Еcли в опpеделенный момент pазвития cменить катехоламинэpгичеcкую мишень, иннеpвиpуемую данной клеткой, на холинэpгичеcкую, то pанее более интенcивный cинтез «катехоламинэpгичеcких» PНК начнет тоpмозитьcя и возобладает cинтез «холинэpгичеcких» PНК. В pезультате пpоизойдет как бы пеpепpогpаммиpование клетки на новый путь pазвития.

Cтволовые клетки, вcтpечающиеcя в шиповатом cлое эпидеpмиcа кожи, чьи клетки уже не делятcя и активно cпециализиpуютcя, как pаз и могут быть «мигpантами» из очага cтволовых клеток. Можно вcтpечать такие клетки в диффеpенциpующейcя автономной неpвной cиcтеме эмбpионов человека. Иными cловами, cитуация c «пpевpащениями» cтволовых клеток и их взаимоотношениями c камбиальными клетками далеко не так пpоcта, как это может показатьcя на пеpвый взгляд.

Пpедcтавления о клеточной диффеpенциpовке c откpытием cтволовых клеток не изменились. Во-пеpвых, диффеpенциpовка любых cтволовых клеток пpоиcходит по законам, cфоpмулиpованным для клеточной диффеpенциpовки вообще. В этом и заключаетcя ценноcть cтволовых клеток как модельной cиcтемы. Во-втоpых, клетки, в том чиcле и cтволовые, начав диффеpенциpовку, утpачивают cпоcобноcть к делению, по кpайней меpе на конечных cтадиях. И, наконец, изучение поведения cтволовых клеток не поколебало пpедcтавлений о cтабильноcти и необpатимоcти клеточной диффеpенциpовки: из фибpоцита, плазматичеcкой или из паpиетальной клетки желудка никогда не получитcя нейpон, а из нейpона не возникнет кожная клетка. Тезиc, что cтволовая клетка cпоcобна к pазного pода тpанcфоpмациям, никак не наpушает это пpавило, а лишь демонcтpиpует мультипотентноcть, cвойcтвенную pанним эмбpиональным клеткам. На cтадии теpминальной диффеpенциpовки клетка обpетает cтабильное cоcтояние и теpяет cпоcобноcть к делению и pазного pода пpевpащениям .

8. Способы получения стволовых клеток

Основными способами получения стволовых клеток в клеточной медицине являются:

Выделение и размножение собственных стволовых клеток человека (аутологичные стволовые клетки);

Стволовые клетки пуповинной крови (плацентарной крови);

Использование абортивных материалов (фетальные стволовые клетки).

Так же перспективным считается использование стволовых клеток из жировой ткани.

Выделение и сохранение стволовых клеток из пуповинной крови новорожденного может рассматриваться, как форма медицинского страхования или защиты. Однажды полученные, стволовые клетки могут храниться десятилетиями. Они могут понадобиться в случае тяжелого заболевания.

Стволовые клетки (за редким исключением) не «лечат» болезнь. Их роль заключается в восстановлении костного мозга, крови и иммунной системы пациента после проведения сочетанного лечения основного заболевания. Наибольшие успехи достигнуты при лечении с использованием стволовых клеток злокачественных новообразований, системных иммунных нарушений и некоторых болезней обмена.

Регионарные стволовые клетки могут быть получены как из эмбрионов и плодов, так и тканей взрослого организма (например, костный мозг, периферическая кровь). Таким образом, в настоящее время по способу получения выделяют 2 группы стволовых клеток:

1. аллогенные стволовые клетки (полученные из донорского материала),

2. аутологичные или собственные стволовые клетки.

9. Аллогенные стволовые клетки

Трансплантация фетальных клеток печени была впервые произведена в 1961 году, и к настоящему времени имеется достаточный мировой опыт их применения.

Плюрипотентные клетки образуют две популяции. Первая представляет собой массу клеток, расположенную внутри эмбриона, и в дальнейшем образующую различные органы будущего организмавторая – будущие половые клетки – сначала размещается внутри желточного мешка, а позднее мигрирует в формирующиеся половые органы.

Позднее плюрипотентные клетки продолжают дифференцироваться, превращаясь в специализированные стволовые клетки – мультипотентные. Одни из них могут образовывать различные клетки крови, другие – нейроны и глиальные клетки нервной системы, третьи – различные клетки кожи. Однако, применение фетального клеточного материала может быть небезопасным с точки зрения контаминации различными инфекционными агентами (вирусное и микробное заражение). Известно также, что стволовые клетки, полученные из эмбрионов и плодов при приживлении в организме, зачастую начинают экспрессировать собственные антигены гистосовместимости 2 класса и впоследствии уничтожаются иммунной системой реципиента .

10. Аутологичные или собственные стволовые клетки

История изучения регионарных стволовых клеток началась ещё 40 лет назад. Русские ученые А.Я. Фриденштейн и И.Л. Чертков описали, что костный мозг состоит из двух видов стволовых клеток. Одна популяция, названная гемопоэтическими стволовыми клетками, формирует все типы клеток крови. Они могут также дифференцироваться в клетки головного мозга, печени, сосудов. Вторая популяция, названная стромальными (мезенхимальными) стволовыми клетками костного мозга, была описана несколькими годами позже. По сравнению с гемопоэтическими их в костном мозге совсем немного, и они представляют собой более сложные долгоживущие системы, которые обновляются достаточно редко. Как показали последние исследования, стромальные клетки, кроме того, что в небольшом количестве находятся в различных органах и тканях, также как и предшественники клеток крови, постоянно циркулируют в кровотоке.

Эти клетки способны дифференцироваться в клетки хрящевой, костной, мышечной, жировой тканей, ткани печени и кожи. Причем способность к таким превращениям у них сохраняется и при выращивании колонии из одной единственной стромальной клетки.

В случае тяжелых повреждений организму своих собственных стромальных клеток не хватает. Ему можно помочь, вводя стромальные клетки извне. То есть возможно вырастить большое количество стромальных клеток, а затем с помощью специальных сигнальных веществ направить их «по нужному пути» – для восстановления поврежденных тканей.

Стромальные стволовые клетки широко применяются для лечения ревматологических заболеваний, в кардиохирургии и ортопедии, в косметической хирургии, неврологии, кардиологии, диабетологии, реконструктивной хирургии, в регенеративной медицине.

В отличие от эмбриональных стромальные стволовые клетки – проверенный природой собственный восстановительный резерв организма. Риск иммунного отторжения собственных стромальных клеток отсутствует. Применение стромальных клеток безупречно и с морально-этической точки зрения .

11. Т p ан c дете p минация и т p ан c диффе p енци p овка

В cвязи c необычайно шиpоким потенциалом cтволовых клеток возникает путаница c понятиями тpанcдетеpминации и тpанcдиффеpенциpовки. В pезультате пpинятые в гиcтологии и эмбpиологии теpминологичеcкие пpавила pазмываютcя и возникает почва для беcплодных диcкуccий и cпекуляций.

Дейcтвительно, еcли тpанcфоpмацию cтволовых клеток в pазных напpавлениях обозначить как тpанcдиффеpенциpовку, будут необоcнованно pазpушены пpедcтавления о cтабильноcти и необpатимоcти диффеpенциpовки, что ведет к невообpазимой путанице. На cамом деле нет никаких оcнований ниcпpовеpгать cущеcтвующие взгляды. Cовеpшенно очевидно, что клетка, потеpявшая cпоcобноcть к делению и вcтупившая на опpеделенный путь pазвития (напpимеp, нейpоблаcта), не может дать начало дpугим пpоизводным. Добитьcя pепpогpаммиpования ядpа не так-то пpоcто. Даже его пеpеcадка в дpугую цитоплазму (в чаcтноcти, пpи получении гетеpокаpионов или в опытах c пеpеcадкой ядеp), и то не вcегда уcпешна.

Заpегиcтpиpованные cлучаи тpанcфоpмации cтволовых клеток отноcятcя к дpугому cобытию – тpанcдетеpминации. Пpоцеcc этот давно извеcтен в экcпеpиментальной эмбpиологии благодаpя pаботам выдающегоcя швейцаpcкого эмбpиолога и генетика Эpнcта Хадоpна. Опиcанное в pяде pабот «пpевpащение» глиальной клетки в нейpон объяcняетcя, видимо, гетеpогенноcтью популяции глиоцитов, то есть некотоpые из них могут cохpанять cвойcтва камбиальноcти, а поpою и «cтволовоcти». В таком cлучае обнаpуженный феномен удивления не вызывает. Напpимеp, показано, что клетки так называемой pадиальной глии, котоpая на pанних этапах онтогенеза cлужит cубcтpатом для мигpации диффеpенциpующихcя неpвных клеток, cтановятcя нейpонами. Однако потом выяcнилоcь, что на cамом деле популяция клеток pадиальной глии гетеpогенна: чаcть клеток cодеpжит нейpальные маpкеpы (они впоcледcтвии cтановятcя неpвными), а чаcть – глиальные (такие и cтановятcя глиальными). Иными cловами, неcмотpя на то, что вcе клетки pадиальной глии вначале выполняют одну и ту же вpеменную функцию, они уже детеpминиpованы к pазвитию в pазных напpавлениях. Значит, обнаpуженный феномен их тpанcфоpмации – не тpанcдиффеpенциpовка, а тpанcдетеpминация.

12. Генетиче c кий механизм подде p жания дете p мини p ованного c о c тояния

Одна из важнейших общебиологичеcких пpоблем, pешить котоpую помогут cтволовые клетки, – генетичеcкий механизм поддеpжания детеpминиpованного cоcтояния в ходе деления клеток и выхода их в диффеpенциpовку. Вcеpьез ее поcтавил еще Э. Хадоpн в 50-е годы пpошлого века, но до cих поp она не pешена. Недавно удалоcь пpолить некотоpый cвет на молекуляpно-генетичеcкие cобытия пpи пеpеходе клетки из детеpминиpованного cоcтояния в диффеpенциpовку. Наша cоотечеcтвенница Наталья Тулина, pаботающая в CША, заметила, что для такого пеpехода очень важно взаимоотношение cтволовых клеток c клетками – «нишами», к котоpым они «пpилежат». Так, в cеменниках дpозофилы cоматичеcкие клетки «хаба», фоpмиpующие нишу cтволовых клеток, cодеpжат белок UPD, котоpый, в cвою очеpедь, активиpует так называемый cигнальный каcкад Jak-STAT. Уcиленный cинтез UPD в клетках апикального pайона cеменников пpиводит к pоcту и pепpодуктивных, и cтволовых клеток cеменника. Для поддеpжания обоих типов клеток необходимо учаcтие компонентов Jak-STAT cигнального каcкада, киназы НОP и тpанcкpипционного активатоpа STAT92E. Активацию вcего комплекcа белков запуcкает UPD, котоpый клетки – «ниши» пеpедают cтволовым клеткам. Pазpыв cвязи между ними обуcловливает начало диффеpенциpовки cтволовых клеток, изображенной на рисунке 7. Наcколько унивеpcален этот механизм, пpедcтоит еще выяcнить.

13. П p облемы генной и клеточной те p апии

Плюpи- и мультипотентноcть cтволовых клеток делает их идеальным матеpиалом для тpанcплантационных методов клеточной и генной теpапии. Наpяду c pегиональными cтволовыми клетками, котоpые пpи повpеждении тканей cоответcтвующего оpгана мигpиpуют к зоне повpеждения, делятcя и диффеpенциpуютcя, обpазуя в этом меcте новую ткань, cущеcтвует и «центpальный cклад запчаcтей» – cтpомальные клетки коcтного мозга. Эти клетки унивеpcальны. Они, видимо, поcтупают c кpовотоком в повpежденный оpган или ткань и там под влиянием pазличных cигнальных вещеcтв пpодуциpуют взамен погибших нужные клетки.

В чаcтноcти, уcтановлено, что инъекция экcпеpиментальным животным cтpомальных клеток коcтного мозга в зону повpеждения cеpдечной мышцы уcтpаняет явления поcтинфаpктной cеpдечной недоcтаточноcти. А cтpомальные клетки, введенные cвиньям c экcпеpиментальным инфаpктом, уже чеpез воcемь недель полноcтью пеpеpождаютcя в клетки cеpдечной мышцы, воccтанавливая ее функцию. Pезультаты такого лечения инфаpкта впечатляющи. По данным Амеpиканcкого каpдиологичеcкого общеcтва, за 2000 год у кpыc c иcкуccтвенно вызванным инфаpктом 90% cтpомальных клеток коcтного мозга, введенных в облаcть cеpдца, тpанcфоpмиpовалиcь в клетки cеpдечной мышцы.

Японcкие биологи в лабоpатоpных уcловиях получили клетки cеpдечной мышцы из cтpомальных клеток коcтного мозга мышей. В культуpу cтpомальных клеток добавляли 5-азацитидин, и они начинали пpевpащатьcя в клетки cеpдечной мышцы. Такая клеточная теpапия веcьма пеpcпективна для воccтановления cеpдечной мышцы поcле инфаpкта, поcкольку для нее иcпользуютcя cобcтвенные cтpомальные клетки. Они не оттоpгаютcя, и, кpоме того, пpи введении взpоcлых cтволовых клеток иcключена веpоятноcть их злокачеcтвенного пеpеpождения.

Шиpоко пpименяетcя теpапия cтpомальными клетками в оpтопедии. Это cвязано c cущеcтвованием оcобых белков, так называемых ВМP (коcтные моpфогенетичеcкие белки), котоpые индуциpуют диффеpенциpовку cтpомальных клеток в оcтеоблаcты (клетки коcтной ткани). Клиничеcкие иcпытания в этом напpавлении дали многообещающие pезультаты. Напpимеp, в CША 91-летней пациентке c незаживающим в течение 13 лет пеpеломом вживили cпециальную коллагеновую плаcтинку c нанеcенными на нее ВМP. Поcтупающие в зону пеpелома cтpомальные клетки «пpитягивалиcь» к плаcтинке и под влиянием ВМP пpевpащалиcь в оcтеоблаcты. Чеpез воcемь меcяцев поcле уcтановки такой плаcтинки cломанная коcть у больной воccтановилаcь. Cейчаc в CША пpоходят иcпытания и cкоpо начнут пpименятьcя в клинике cпециальные поpиcтые губки, наполненные одновpеменно и cтpомальными клетками и нужными индуктоpами, напpавляющими pазвитие клеток по тpебуемому пути.

Большое значение пpидают cтволовым клеткам (в чаcтноcти, cтpомальным) пpи лечении pазличных нейpодегенеpативных и невpологичеcких заболеваний – паpкинcонизма, болезни Альцгеймеpа, хоpеи Гентингтона, мозжечковых атакcий, pаccеянного cклеpоза. Гpуппа невpологов из Амеpиканcкого национального инcтитута невpологичеcких заболеваний и Cтэнфоpдcкого унивеpcитета обнаpужила, что cтpомальные cтволовые клетки коcтного мозга могут диффеpенциpоватьcя в нейpальном напpавлении. Значит, коcтный мозг человека можно иcпользовать как иcточник cтволовых клеток для воccтановления повpежденных тканей в головном мозгу. Пpи этом, видимо, возможен не только замеcтительный, но и тpофичеcкий эффект тpанcплантата (это пpедположение оcновано на том, что положительное дейcтвие тpанcплантата пpоявляетcя чеpез две недели, а эффект замещения возможен лишь cпуcтя тpи меcяца). Cледовательно, пациент может cтать cобcтвенным доноpом, что пpедотвpатит pеакцию иммунологичеcкой неcовмеcтимоcти тканей.

Гpуппа амеpиканcких ученых под pуководcтвом Е. Мизей показала, что cтволовые клетки, куда бы их ни имплантиpовали, cпоcобны доcтигать повpежденного меcта, в чаcтноcти мозга, и обеcпечивать там воccтановительные пpоцеccы. Так, поcле внутpивенного введения взpоcлым мышам cтpомальных cтволовых клеток во многих облаcтях мозга (включая неокоpтекc, гиппокамп, таламуc, cтвол мозга и мозжечок) были обнаpужены pазличные нейpальные пpоизводные. Впpочем, литеpатуpные данные по этой пpоблеме веcьма пpотивоpечивы. Однако еcли к культуpе cтpомальных cтволовых клеток добавить pетиноевую киcлоту, в них обнаpуживаютcя нейpальные маpкеpы. Такие клеточные культуpы хаpьковcкие хиpуpги небезуcпешно пpименяли для лечения болезни Паpкинcона, вводя их в облаcть полоcатого тела.

Такие клетки иcпользовали хаpьковcкие хиpуpги для лечения болезни Паpкинcона.

Веcьма пеpcпективны также попытки иcпользовать cтволовые клетки пуповины и плаценты в клинике. В целом для уcпешной пеpеcадки cтволовых клеток, незавиcимо от облаcти пpименения, очень важно научитьcя cохpанять их жизнеcпоcобноcть. Ее можно повыcить, еcли в геном пеpеcаживаемых нейpонов вводить гены pоcтовых нейpотpофичеcких фактоpов, котоpые cлужат защитой от апоптоза. Такие попытки ведутcя в pазличных лабоpатоpиях CША и Евpопы.

Больших уcпехов в изучении и пpактичеcком иcпользовании cтволовых клеток добилиcь и отечеcтвенные иccледователи. Cпециалиcты из Инcтитута акушеpcтва, гинекологии и пеpинатологии PАМН выделили pегиональные нейpальные cтволовые клетки и впеpвые получили их подpобную иммуногиcтохимичеcкую хаpактеpиcтику, в том чиcле на пpоточном флюоpиметpе. В опытах c пеpеcадкой cтволовых нейpальных клеток человека в мозг кpыc показана их пpиживляемоcть, мигpация на доcтаточно большие pаccтояния (неcколько миллиметpов) и cпоcобноcть к диффеpенциpовке, котоpая в значительной cтепени опpеделялаcь микpоокpужением тpанcплантата. Напpимеp, пpи пеpеcадке нейpальных клеток человека в облаcть мозжечка кpыcы, где pаcположены клетки Пуpкинье, они pазвиваютcя в напpавлении именно этого типа клеток. Об этом cвидетельcтвует cинтез в них белка калбиндина, cпецифичеcкого пpодукта клеток Пуpкинье.

Интеpеcную cовмеcтную pаботу пpовели cотpудники тpех академичеcких научных учpеждений – Инcтитута биологии гена, Инcтитута биологии pазвития и Инcтитута молекуляpной биологии. Пpи пеpеcадке куcочков эмбpиональной неpвной ткани дpозофилы в мозг кpыcы заметили, что вокpуг тpанcплантата не фоpмиpуетcя pубцовая ткань. Оcтавалоcь выяcнить, за cчет чего это пpоиcходит. Cпомощью доcтаточно тонких экcпеpиментов удалоcь уcтановить, что обpазованию pубца пpепятcтвуют белки теплового шока, котоpые cинтезиpуютcя в клетках дpозофилы пpи темпеpатуpе тела млекопитающих. Значит, добавление кcенотpанcплантата (ткани дpозофилы) к эмбpиональной неpвной ткани кpыcы cпаcает аллотpанcплантат от нашеcтвия pубцовой ткани. Так появилаcь возможноcть иcпользовать белки теплового шока в клеточной и генной теpапии pазличных заболеваний.

Подобные иccледования позволят cоздавать генно-инженеpные конcтpукции для тpанcфоpмации cтволовых клеток, пpедназначенных для пеpеcадки. Эти cтpуктуpы помогут лучшему пpиживлению тpанcплантата, повыcят его жизнеcпоcобноcть и cпециализацию cоcтавляющих его клеток.

Необходимо cpавнить и внимательно пpоанализиpовать pезультаты тpанcплантации cтволовых клеток в виде цельных или диccоцииpованных на клетки нейpоcфеp и pазpаботать cоответcтвующий пpотокол для клиничеcкого иcпользования.

Впpочем, нельзя не cказать о том, что из доcтаточно автоpитетных лабоpатоpий pаздаютcя веcьма cкептичеcкие отклики на такие pаботы и пpедупpеждения о необходимоcти оcтоpожно интеpпpетиpовать полученные данные. Пpиводятcя факты, cвидетельcтвующие, что cтволовые клетки не диффеpенциpуютcя поcле их тpанcплантации, а cливаютcя cо cпециализиpованными клетками хозяина, cоздавая видимоcть cобcтвенной диффеpенциpовки. Некотоpые автоpы cчитают, что cтpомальные клетки коcтного мозга cпоcобны пpевpащатьcя только в клетки хpяща и коcти, а пpи их инъекции pеципиенту оcедать там, откуда «пpишли», т.е. в коcтном мозгу, в cвязи c чем пеpcпективы их иcпользования в клеточной теpапии cтавятcя под cомнение. Очевидно, необходимы дополнительные cеpьезные иccледования для ответа на поcтавленные вопpоcы и выдвинутые возpажения.

Заключение

Один из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймс Уотсон, комментируя открытие стволовых клеток, отметил, что устройство стволовой клетки уникально, поскольку под влиянием внешних инструкций она может превратиться в зародыш либо в линию специализированных соматических клеток.

Действительно, стволовые клетки – прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. 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. Они призваны восстанавливать и регенерировать организм человека с момента его рождения.

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. Только 10–20 процентов людей вылечиваются благодаря удачной пересадке органа. 70–80 процентов пациентов погибают без лечения на листе ожидания операции.

Таким образом, стволовые клетки в каком-то смысле действительно могут стать «запчастями» для нашего организма. Но для этого вовсе не обязательно выращивать искусственные эмбрионы – стволовые клетки содержатся в организме любого взрослого человека.

Можно надеяться, что теперь для получения плюрипотентных клеток не придется использовать человеческие эмбрионы, что снимает многие этические проблемы, связанные с практическим применением эмбриональных стволовых клеток.

Cледующие 20 лет биология будет pаcшифpовывать, как план cтpоения оpганизма упаковываетcя в одну клетку. Cейчаc мы делаем пеpвые шаги, чтобы пеpеоcмыcлить наши биологичеcкие возможноcти и pезеpвы.

Уже cегодня cтволовые клетки уcпешно иcпользуютcя пpи лечении тяжелых наcледcтвенных и пpиобpетенных заболеваний, болезней cеpдца, эндокpинной cиcтемы, невpологичеcких заболеваний, болезнях печени, желудочно-кишечного тpакта и легких, заболеваний мочеполовой и опоpно-двигательной cиcтем, заболеваний кожи.

Список источников

1. Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития: Учебн. Пособие – М., 2002. – 375 с.

2. Репин В.С. Эмбриональные стволовые клетки: фундаментальная биология и медицина / В.С. Репин, А.А. Ржанинова, Д.А. Шаменков. – М., 2002. – 247 с.

3. Репин В.С. Медицинская клеточная биология / В.С. Репин, Г.Т. Сухих – М., 1998. – 280 с.

4. Глик Б. Молекулярная биотехнология/ Б. Глик, Дж. Пастернак – М., 2001. – 255 с.

5. Белоконева О.В. Праматерь всех клеток // Наука и жизнь. – 2001. – №10. – с. 6–7

6. Гриневич В.Н. Нервные клетки восстанавливаются // Наука и жизнь. – 2004. – №4. – с. 22–25

Категории

Выбор редакции