Стволовые клетки

Изолирование линий эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) человека и животных в конце ХХ века оказалось поворотным событием биологии и медицины. Впервые в руках экпериментатора оказалась та живая клеточная материя, которая не просто дышит, двигается, функционирует, но буквально ваяет многоклеточную жизнь. Если в природе новый цикл всегда начинается от «яйца», то лабораторный прототип этих событий стартовал от ЭСК. Впервые наука вплотную подошла к изучению главной загадки биологии: как клетка превращается в организм.

ЭСК – это клетки-близнецы оплодотворенной яйцеклетки, способные дублировать функции половых клеток. Они оказались серийными лабораторными кальками для расшифровки программ раннего развития и органогенеза в обход оплодотворению и беременности. ЭСК – это базисная модель для задач функциональной геномики в плане расшифровки языка превращения одиночных тотипотентных клеток в сотни миллионов клеток органов. Тут работают не только законы высокоаффинного молекулярного сродства, но и трехмерные изберательные межклеточные взаимодействия – платформа законов архитектуры эмбриогенеза.

Концепция стволовой клетки в начале ХХI сопоставима с концепцией гена, которая в 1901 году была введена в биологию Бейтсоном. Исторические аналоги тут не только правомерны, но и продуктивны. В самом начале ХХ века ген был новой абстрактной идеей, виртуальной единицей функции еще нематериализированного вещества наследственности. Ученые наблюдали наследование признаков по законам Менделя, но были не в состоянии верифицировать материальную природу этих сил. Еще в середине 30-х годов Морган с коллегами ожесточенно дискутировали полуматериальную природу гена с помощью количественного изучения признаков фенотипа. Ген оставался поразительно долго полумифической концепцией, поскольку не удавалось «привязать» силы наследственности к измененному классу молекул в клетках. Только после убедительных доказательств Эвери и Мак-Лсода внимание ученых стало направляться на изучение ДНК. Однако светового и электронного микроскопа оказалось недостаточно, чтобы понять устройство молекул наследственности. Только визуализация двухмерных рентгеновских снимков кристаллов в трехмерную двойную спираль ДНК позволила увидеть в реальном пространстве наследственные, информационные процессы в клетках.

Нечто подобное происходит с ЭСК в самом начале ХХI века. Концепция тотипотентных стволовых клеток – двойников оплодотворенной яйцеклетки – пока также имеет полумифические контуры. Уже известно, что эти клетки являются уникальным банком биоинформатики. Эти клетки могут копировать как построение органов и тканей (эмбриогенез), так и созревание специализированных линий соматических клеток (дифференцировка). Однако остается неизвестным, каким образом работает этот клеточный банк, при каких условиях возможна реализация По-вертикале поколений эта информация – сути к квинтэссенции эволюции? Каким путем достигается безошибочное копирование органов. Пока лишь сотые проценты программ, кодов ЭСК удалось дешифровать, материализовать и увидеть. ЭСК остается черным ящиком. Материальное воплощение этой программы будет продолжаться весь ХХI век.

2. История изучения стволовых клеток

Первое предположение о существовании стволовых клеток было высказано именно русским ученым!

Максимов Александр Александрович (04.02.1874 – 04.12.1928) – выдающийся русский ученый, один из создателей унитарной теории кроветворения. Максимов А. А. родился в Санкт-Петербурге, где в 1896 году с отличием окончил Военно-медицинскую академию. С 1903 по 1922 гг. Максимов А. А. занимал пост профессора кафедры гистологии Военно-медицинской академии.

Максимов А. А. во многом предопределил направление развития мировой науки в области клеточной биологии. Его труды стали мировой научной классикой и до настоящего времени остаются одними из наиболее часто цитируемых среди работ отечественных исследователей.

Термин "стволовая клетка" Максимов А. А. предложил еще в 1908 году, чтобы объяснить механизм быстрого самообновления клеток крови. Он выступил с новой теорией кроветворения в Берлине на съезде гематологов. Именно этот год можно по праву считать началом истории развития исследований стволовых клеток!

Каждые сутки в крови погибают несколько миллиардов клеток, а им на смену приходят новые популяции эритроцитов, лейкоцитов и лимфоцитов. Максимов А. А. первый догадался, что обновление клеток крови — это особая технология, отличная от простых клеточных делений. Если бы клетки крови самообновлялись простым клеточным делением, это потребовало бы гигантских размеров костного мозга.

Несколько позже профессор московского НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи А.Я. Фриденштейн подтвердил предположение коллеги и, изучая возможности этих особых клеток, стал разрабатывать сферу их применения. Первые эксперименты по практическому использованию стволовых клеток были начаты еще в начале 1950-х годов. Именно тогда было доказано, что с помощью трансплантации костного мозга (основного источника стволовых клеток) можно спасти животных, получивших смертельную дозу радиоактивного облучения.

Понадобилось почти 20 лет, чтобы трансплантация костного мозга вошла в арсенал практической медицины. Только в конце 60-х были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации костного мозга при лечении острых лейкозов.

В начале века ученые уже подозревали, что во многих тканях существуют клетки, способствующие регенерации (восстановлению) этих тканей и активизирующие деление обычных клеток. В 60-х годах советские ученые Александр Фриденштейн и Иосиф Чертков заложили основы науки о стволовых клетках костного мозга, доказав, что именно там главным образом и находится своеобразное депо замечательных клеток. Потом стало известно, что часть стволовых клеток мигрирует в крови, есть они и в различных тканях, в частности в кожной и жировой.

1970 год - Первые трансплантации аутологичных (своих собственных) стволовых клеток. Есть сведения, что в 70-х годах в бывшем СССР делали «прививки молодости» пожилым членам Политбюро КПСС, вводя им 2-3 раза в год препараты стволовых клеток.

1988 год - Стволовые клетки были впервые использованы для трансплантации; мальчик, которому была проведена операция, по сей день, жив и здоров.

1992 год - Первая именная коллекция стволовых клеток. Профессор Дэвид Харрис "на всякий случай" заморозил стволовые клетки пуповинной крови своего первенца. Сегодня Дэвид Харрис – директор крупнейшего в мире банка стволовых клеток пуповинной крови.

1996 год - За период с 1996 года по 2004 год были выполнены 392 трансплантации аутологичных (собственных стволовых клеток человека) стволовых клеток. Так в 1996 году преимущественно осуществлялась трансплантация костного мозга.

1996 год – Доказано, что облучение уничтожает раковые клетки, но убивает и только что пересаженные из костного мозга донора стволовые клетки. С начала 1996 года в РФ действует Закон "О радиоактивной безопасности населения".

1997 год - За предшествующие 10 лет в 45 медицинских центрах мира проведено 143 трансплантации пуповинной крови. В России проведена первая операция онкологическому больному по пересадке стволовых клеток из пуповинной крови младенцев.

1998 год - Первая в мире трансплантация "именных" стволовых клеток пуповинной крови девочке с нейробластомой (опухоль мозга). Биологическая страховка сработала – ребенок спасен. Общее число проведенных трансплантаций пуповинной крови превышает 600.

В этом же году американскими учеными Джеймсом Томсоном и Джоном Беккером удалось выделить человеческие эмбриональные стволовые клетки и получить их первые линии.

В 1998 г. ученые нашли способ выращивать стволовые клетки в питательной среде.

1999 год - Журнал «Science» признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».

В 1999 году между Санкт-Петербургским Государственным Медицинским Университетом имени академика И. П. Павлова и Европейским институтом поддержки и развития трансплантологии был заключен договор, согласно которому в Университете создается отделение трансплантации костного мозга, соответствующее всем международным требованиям. Открытие отделения произошло в июне 2000 года. Основная цель - выполнение трансплантации гемопоэтических стволовых клеток, в том числе и от неродственных доноров.

2000 год - В мире проведено 1.200 трансплантаций стволовых клеток пуповинной крови, из них двести родственных. Шестилетний ребенок с анемией Фанкони вылечен с помощью стволовых клеток пуповинной крови своего новорожденного брата. В этой истории интересно то, что второй ребенок был рожден после искусственного оплодотворения (ЭКО). Среди полученных эмбрионов был выбран один наиболее совместимый с реципиентом и не содержащий признаков болезни.

2001 год - Опубликованы первые официальные данные о возможности применения трансплантации стволовых клеток пуповинной крови у взрослых пациентов. Из них более 90% с хорошим результатом.

В этом же году показана способность взрослых гемопоэтических и стромальных клеток костного мозга человека дифференцироваться в кардиомиоциты и гладкомышечные клетки, эта способность используется в регенеративной кардиологии.

2003 год - Журнал Национальной Академии Наук США (PNAS USA) опубликовал сообщение о том, что через 15 лет хранения в жидком азоте стволовые клетки пуповинной крови полностью сохраняют свои биологические свойства. С этого момента криогенное хранение стволовых клеток стало рассматриваться, как "биологическая страховка". Мировая коллекция стволовых клеток, хранящихся в банках, достигла 72.000 образцов. По данным на сентябрь 2003 г. в мире произведено уже 2.592 трансплантаций стволовых клеток пуповинной крови, из них 1.012 – взрослым пациентам.

В выпуске The Lancet от 4 января 2003 г. опубликовано два сообщения о результатах инъекции аутологичных (собственных) стволовых клеток костного мозга больным, страдающим тяжелой стенокардией или перенесшим инфаркт миокарда. Источником культивированных мононуклеарных клеток служил костный мозг, взятый из гребня подвздошной кости больного. Через несколько месяцев отмечено заметное улучшение перфузии миокарда и функции левого желудочка.

2004 год - Общая мировая коллекция стволовых клеток пуповинной крови приближается к 400.000 образцов. В мире произведено около 5.000 трансплантаций пуповинной крови. Для сравнения, число трансплантаций костного мозга за тот же период составило около 85.000.

2005 год - Перечень заболеваний, при лечении которых может быть успешно применена трансплантация стволовых клеток, достигает нескольких десятков. Основное внимание уделяется лечению злокачественных новообразований, различных форм лейкозов и других болезней крови. Появляются сообщения об успешной трансплантации стволовых клеток при заболеваниях сердечно-сосудистой и нервной систем. Разработаны международные протоколы лечения рассеянного склероза. Проводятся многоцентровые исследования при лечении инфаркта миокарда и сердечной недостаточности. Ищутся подходы к лечению инсульта, болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Исследования, как эмбриональных стволовых клеток, так и стволовых клеток взрослого организма ведутся чрезвычайно активно, в мировой научной прессе что ни день появляются все новые сообщения о достижениях ученых: одним удалось получить из стволовых клеток нейроны, другим - кожную или хрящевую ткань, третьим - вырастить сосуды, кость или даже челюсть!

Следующие 20 лет биология будет расшифровывать, как план строения организма упаковывается в одну клетку.

3. Типы стволовых клеток

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

3.1Эмбриональные 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.

3.2 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.

3.3 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 /4/.

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.

3.4 Стромальные стволовые клетки

Созданы линии человеческих мезенхимальных стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в различные тканевые клетки, включая кость, нервные клетки, стромальные клетки костного мозга, поддерживать рост гемопоэтических стволовых клеток и так называемых “стромальных опухолевых клеток”, смешанных с опухолевыми клетками. Обладающие теломеразой человеческие стромальные клетки из костного мозга обладают повышенной продолжительностью жизни и поддерживают рост гемопоэтических клоногенных клеток. Перенос гена индийского ежа (дикобраза) существенно увеличил экспансию гемопоэтических стволовых клеток, поддерживаемую человеческими стромальными клетками костного мозга. Генномодифицированные мезенхимальные стволовые клетки полезны, как терапевтические инструменты для лечения повреждения мозговых тканей (например, в результате инфаркта мозга) и злокачественных мозговых неоплазм. Трансплантация мезенхимальных стволовых клеток защищает мозг от острого ишемического повреждения при окклюзии среднемозговой артерии на животной модели. Полученный из мозга нейротропный фактор (BDNF)-генной трансдукции еще больше увеличил протективную эффективность против ишемического повреждения. Мезенхимальные стволовые клетки обладают отличной способностью к миграции и оказывают ингибиторный эффект на клетки глиомы. Генная модификация мезенхимальных стволовых клеток терапевтическими цитокинами увеличивает антиопухолевый эффект и пролонгирует выживание животных с опухолями. Генная терапия, использующая мезенхимальные стволовые клетки, как тканепротективный и направленный цитореагент является многообещающим подходом.

Этот обзор посвящен стволовым клеткам костного мозга. Методы индентификации, культивирования, накопления клеточной массы и пересадки стволовых клеток описаны, включая выделение линий гемопоэтических и мезенхимальных линий стволовых клеток и детальный анализ, использующий многочисленные CD и другие маркеры для идентификации малых субпопуляций стволовых клеток. За секцией, посвященной стволовым клеткам крови пуповины, следует детальное обсуждение современной ситуации в клиническом использовании стволовых клеток, его последние неудачи, связанные с эпигенетическими факторами, различные подходы к открытию высокомультипотентных стволовых клеток костного мозга, и краткое описание эмбриологических подходов к идентификации базовых стволовых клеток костного мозга на самых ранних стадиях развития эмбрионов млекопитающих .

Костный мозг взрослых млекопитающих содержит не одну, а две отдельные популяции взрослых стволовых клеток. Первой и наиболее хорошо охарктеризованной является популяция гемопоэтических стволовых клеток, ответственная за поддержание продукции в течение всей жизни клеток крови. Биологические характеристики и свойства второй резидентной популяции стволовых клеток костного мозга, называемых стромальными клетками костного мозга или мезенхимальными стволовыми клетками, значительно менее понятны. In vitro культуры, произошедшие из суспензии разделенного на отдельные клетки костного мозга различных видов млекопитающих, образуют колонии стромальных клеток костного мозга, каждая из которых происходит от одной клетки – предшественника, называемой колониеобразующий фибробласт. Были разработаны условия культивирования для выращивания стромальных клеток костного мозга in vitro, которые сохраняли способность дифференцироваться в кость, жир и хрящ. Значительная доля современных знаний об этой популяции клеток базируется на анализе свойств этих культур клеток, а не на свойствах первичных инициирующих рост колонии клеток. Современные данные заставляют предположить, что стромальные прогениторы в костном мозге in situ ассоциированы с внешней поверхностью сосудов и могут делить идентичность с сосудистыми перицитами.

Таким образом, стромальные стволовые клетки костного мозга являются одним из видов мезенхимальных стволовых клеток.

3.5 Тканеспецифичные стволовые клетки

Полагают, что стволовые клетки важны для регенерации нескольких взрослых тканей. В последнее время были идентифицированы взрослые стволовые клетки с очень широким потенциалом дифференцировки, хотя не известно представляют ли они примитивные стволовые клетки или продукты исключительно редких событий дедифференцировки, включающие тканевоспецифичные стволовые клетки. Была также продемонстрирована трансдифференцировка тканевоспецифичных стволовых клеток за границы линии, но относительная неэффективность процесса in vivo, даже в присутствии тканевого повреждения, подвергает сомнению физиологическое значение такого механизма. Интересно, что среди взрослых стволовых клеток. которые культивируются ex vivo продолжительные периоды времени, способность изменять линию наибольшая. Если решения о судьбе нормальных разнообразных стволовых клеток могут быть изменены с высокой частотой in situ, могут быть представлены возможные регенеративные терапии для большого разнообрзия болезней. Интегральное понимание транкрипционной регуляторной сети, которая включает различные взрослые стволовые клетки, также, как и сигнальных путей, управляющих их дифференцировкой в терапевтически полезные клеточные типы, будет способствовать клиническому приложению этих волнующих открытий.

Таким образом, тканевоспецифичные стволовые клетки способны дифференцироваться в другие типы клеток, но in vivo этот процесс малоэффективен. Тем не менее сейчас разрабатываются подходы, сделающие возможным использования этого источника стволовых клеток.

4. Вывод

Стволовая клетка - это незрелая клетка, способная к самообновлению и развитию во все специализированные типы клеток организма. Самое существенное свойство стволовых клеток заключается в том, что они могут самоподдерживаться в течение длительного времени и при этом производить дифференцированные клетки, которые выполняют в организме специфические функции. Таким образом, все клетки нашего организма возникают из стволовых клеток. Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Но так как. в процессе взросления человека наблюдается катастрофическое снижение количества стволовых клеток (при рождении - 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам - 1 на 100 тысяч, к 30-1 на 300 тысяч) регенерация тканей и органов за их счет весьма ограничена.

Термин "стволовая клетка" был введен в биологию Александром Максимовым в 1908 году на съезде гематологического общества в Берлине. Однако, родоначальником клеточной терапии общепринято считать русского врача-эмигранта С. Воронцова, который в 20-30-е годы в Париже пытался пересаживать фетальные ткани в случаях преждевременного старения. Несмотря на это, статус большой науки эта область клеточной биологии получила в последнее десятилетие XX века.

Существует несколько классификаций стволовых клеток:

По их способу к дифференциации:

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

Плюрипотентные клетки способны формировать все типы клеток эмбриона. К н6им относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином.

Другие типы стволовых клеток локализуются в сформировавшихся тканях взрослого организма. Они варьируют по степени дифференцировки от мульти- до унипотентных.

По источнику их выделения:

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

Фетальные стволовые клетки – клетки зародыша на 9 – 12 развития, выделенные из абортивного материала.

Стволовые клетки взрослого организма:

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

Мезенхимные стволовые клетки – мультипотентные региональные стволовые клетки содержащиеся во всех мезенхимальных тканей (главным образом в костном мозге) способные в дифференцировке в различные типы мезинхимальных тканей, а также в клетки других зародышевых слоев.

Стромальные стволовые клетки – мультипотентные стволовые клетки взрослого организма, образующие строму костного мозга, имеющие мезинхимальное происхождение.

Тканеспецефичные стволовые клетки – располагаются в различных видах тканей и в первую очередь отвечают за обновление их клеточной популяции, первыми активируются при повреждении. Обладают более низким потенциалом, чем стромальные клетки костного мозга.

Виды тканеспецефичных стволовых клеток:

- Нейрональные стволовые клетки в головном мозге – дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум другим группам не нейрональных клеток - астроцистам и олигодендроцистам

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

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

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

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

- Стромальные клетки спинного мозга (мезинхимальные стволовые клетки): дают начало разным типам клеток.

Актуальность проблемы стволовых клеток не вызывает сомнений, ведь потенциал стволовых клеток только начинает использоваться наукой. Ученые надеются в ближайшем будущем создавать из них ткани и целые органы, необходимые больным для трансплантации взамен донорских органов. Их преимущество в том, что их можно вырастить из клеток самого пациента, и они не будут вызывать отторжения. Потребности медицины в таком материале практически неограниченны.

5. Список литературы

1.Эмбриональные стволовые клетки: фундаментальная биология и медицина / Репин В. С., Ржанинова А. А., Шамянков Д. А. – Москва, 2002. – 225 стр.

2. Алберт Б., Брей Д., Льюс Дж., и др. – Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., М75 перераб. и доп. Т-3. пер с анг. – М.: Мир, 1994. – 504 с., ил.

3. www.stvolkletki.ru

4. www.cbio.ru