Стволовые клетки строение. Лечение стволовыми клетками различных заболеваний – общие принципы и эффекты. Чудеса медицинской и эстетической косметологии

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.

1. Это инфекционная безопасность реципиента. От донора через пуповинную кровь не передаются инфекционные заболевания (цитомегаловирус и прочие).
2. Если её собрали в момент рождения человека, то он сможет её использовать в любой момент для восстановления здоровья.
3. 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:

1. 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;
2. 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;
3. Клинические испытания в ведущих медицинских центрах подтвердили только то, что трансплантация костного мозга пока является единственным методом клеточной терапии;
4. 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;
5. 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.

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.

«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

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

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

Состав стволовых клеток - предшественников всех клеток организма.

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

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

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

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

Стволовые клетки - предшественники клеток организма

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

Стволовые клетки - предшественники всех клеток организма. В разных условиях они способны превращаться в другие клетки. Большая часть стволовых клеток взрослого организма находится в костном мозге. Как известно, костный мозг, прежде всего, - плацдарм кроветворения. Он состоит из двух видов стволовых клеток: тех, из которых получается все известное многообразие клеток крови (так называемые гемопоэтические стволовые клетки), и стромальных стволовых клеток, о которых и пойдет речь. Помимо костного мозга небольшое количество стволовых клеток (так называемые стволовые тканевые клетки) имеется непосредственно в тканях: мышечной (мио-бласты), костной (остеобласты) и других.

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

А вот о стволовых стромальных клетках костного мозга читатели вряд ли слышали. По сравнению с гемопоэтическими их в костном мозге совсем немного, и они представляют собой более сложные долгоживущие системы, которые обновляются достаточно редко. Пути превращения стромальных клеток только начинают изучать. Как показали последние исследования, стромальные клетки, так же как и предшественники клеток крови, постоянно циркулируют в кровотоке млекопитающих.

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

Стволовые клетки участвуют в восстановлении поврежденных тканей

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

Установлено, что в регенерации участвуют два вида стволовых клеток - специализированные тканевые и универсальные стромальные клетки костного мозга.

Неспроста мудрая природа наряду с "локальными депо" (тканевыми стволовыми клетками) создала и "центральный склад запчастей" (стромальные клетки костного мозга). Если тканевые стволовые клетки используются для восстановления поврежденных участков только в данном месте и для определенного вида ткани (костные - для костей, мышечные - для мышц и т. д.), то "запчасти центрального склада" - стромальные стволовые клетки костного мозга - универсальны. Они поступают с кровотоком в поврежденный орган или ткань и на месте под влиянием различных сигнальных веществ превращаются в нужные специализированные клетки, которые замещают погибшие.

Из стромальных клеток костного мозга можно вырастить любые клетки

Еще в 60-е годы Фриденштейн и его коллеги в экспериментах на животных клетках показали, что стромальные клетки способны превращаться в хрящевые (хондроциты), в жировые (адипоциты) и костные (остеобласты) клетки. Причем способность к таким превращениям у них сохраняется и при выращивании колонии из одной единственной стромальной клетки. То есть принципиально возможно вырастить большое количество стромальных клеток, а затем с помощью специальных сигнальных веществ направить их "по нужному пути" - для восстановления поврежденных тканей.

В случае тяжелых повреждений организму своих собственных стромальных клеток не хватает. Ему можно помочь, вводя стромальные клетки извне. Итальянские ученые поставили простой опыт: методом облучения мышам полностью удалили костный мозг, затем ввели специально помеченные стромальные клетки. Через несколько дней животным дали препарат, от которого у них начали разрушаться мышцы передних ног. Через две недели после инъекции стромальных клеток мышечная ткань передних лапок у мышей частично восстановилась. Оказалось, что большая часть новых мышечных клеток образовалась из введенных стромальных. Видимо, стромальные клетки подходят к месту повреждения, где получают "химический сигнал" о том, в какие клетки им нужно превратиться, чтобы компенсировать потери организма. Более того, ученые сумели "заставить" стромальные клетки под действием специальных сигнальных веществ превращаться в клетки гладких мышц прямо "в пробирке".

Оказалось, что введение стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы (зону инфаркта) практически полностью устраняет явления послеинфарктной сердечной недостаточности у эксперимен тальных животных. Так, стромальные клетки, введенные свиньям-"инфарктникам", уже через восемь недель полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая ее функции практически полностью.

Результаты такого лечения инфаркта у животных просто поразительны. По данным American Heart Association (Американского кардиологического общества) за 2000 год, у крыс с искусственно вызванным инфарктом 90% стромальных клеток костного мозга, введенных в область сердца, полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы.

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

Такая клеточная терапия для восстановления повреждений сердечной мышцы после инфаркта весьма перспективна, потому что для нее используются собственные стволовые стромальные клетки организма. А они не отторгаются, кроме того, при введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность их злокачественного перерождения.

И уж совсем невероятная метаморфоза - стромальные клетки могут настолько "забыть" о своем костномозговом происхождении, что под влиянием определенных факторов превращаются даже в нервные клетки (нейроны). Через две недели после добавления специального сигнального вещества в культуру стромальных клеток они уже на 80% состоят из нейронов! Это пока лишь "пробирочное" достижение, но оно вселяет надежду на излечение больных с тяжелыми поражениями спинного и головного мозга. Тем более, что (как показали многие исследователи) при введении собственных стромальных клеток костного мозга в спинномозговой канал человека они равномерно распределяются по всем отделам головного мозга, не нарушая его структуры.

Чрезвычайно важный эксперимент провели американские исследователи. У мышей искусственным образом вызывали инсульт, после чего вводили им собственные стромальные клетки в спинномозговой канал. В 100% случаев у мышей происходило частичное восстановление двигательной активности конечностей. Результат многообещающий, поэтому неудивительно, что система Национальных Институтов Здоровья США выделила на разработку проблемы превращения стромальных клеток в нейроны огромные средства. Инсульт - болезнь распространенная и пока неизлечимая.

Стромальные клетки превращаются и в печеночные. Установлено, что при повреждении печени новые печеночные клетки (гепатоциты) и их предшественники формируются в основном из донорских стромальных клеток костного мозга.

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

Стромальные клетки в клинической практике - это уже реальность

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

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

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

Интересный эксперимент с использованием тканевых стволовых клеток провели американские исследователи. Они вырастили стволовые клетки мышечной ткани (миобласты) из бедренных мышц 72-летнего пациента-инфарктника. Затем эти клетки ввели ему непосредственно в зону инфаркта, после чего у больного было отмечено значительное улучшение сократительной способности сердца.

Источники стромальных клеток для восстановительной терапии

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

Как же осуществлять восстановление поврежденных клеток на практике? Откуда взять препарат собственных стволовых стромальных клеток костного мозга? Ведь когда с человеком уже что-то случилось - например, сломал ногу или пережил инфаркт, - уже поздно отбирать костный мозг и выращивать из него культуру стромальных клеток для последующего введения в пораженный участок. А убедить человека сдать образец костного мозга для того, чтобы получить из него культуру стромальных клеток на "всякий случай", довольно трудно. Лимитирующий фактор в лечении стромальными клетками - время. Когда случился инфаркт, свои или совместимые с организмом клетки нужны немедленно и в большом количестве.

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

Нужно ли создавать индивидуальные или донорские банки стромальных клеток для восстановительной медицины будущего? Без сомнения. В принципе, доноров найти нетрудно. Есть еще другая проблема. Когда мы рождаемся, у нас в костном мозге на 10 тысяч стволовых кроветворных клеток приходится одна стромальная клетка. У подростков стромальных клеток уже в 10 раз меньше. К 50-ти годам на полмиллиона стволовых - одна стромальная клетка, а в 70 лет отбирать пробу костного мозга просто бессмысленно - там всего лишь одна стромальная клетка на миллион стволовых. То есть сдавать костный мозг имеет смысл только в молодом возрасте, старикам придется использовать чужие культуры стромальных клеток. Причем донорские стромальные клетки удобнее всего получать прямо при рождении из пуповины и плаценты, где они тоже содержатся в достаточном количестве.

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

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

Стромальные клетки - основа восстановительной терапии будущего

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

Однако исследования в области эмбриональных стволовых клеток во многих странах сейчас "заморожены". Одна из причин в том, что введение эмбриональных клеток пациенту, к сожалению, иногда заканчивается возникновением злокачественной опухоли. Другая причина - этическая. Основной источник эмбриональных клеток - медицинские аборты. Католическая церковь, религиозные общины, различные общественные организации - все, кто борется за запрещение абортов, оказывают колоссальное давление на правительства и президентов, призывая вместе с абортами запретить и лечение с применением эмбриональных стволовых клеток. Этические проблемы сослужили плохую службу изучению эмбриональных клеток, но вместе с тем привлекли новые научные силы к исследованиям в области стволовых клеток взрослого организма.

В отличие от эмбриональных стромальные стволовые клетки - проверенный природой собственный восстановительный резерв организма. Риск иммунного отторжения собственных стромальных клеток отсутствует, да и возможность их злокачественного перерождения минимальна. Применение стромальных клеток безупречно и с морально-этической точки зрения. Вот почему стромальные клетки должны стать основой восстановитель ной медицины будущего столетия.

Недифференцированные стволовые клетки, которые активно используются в медицине, представляют собой основу для развития клеток мозга, крови или любого другого органа. В современной фармакологии и косметологии этот биологический материал является ценным лекарством. Специалисты научились самостоятельно выращивать его для разных нужд: например, брать материал пуповинной крови, который широко применяют для восстановления и укрепления иммунной системы.

Что такое стволовые клетки

Если объяснять понятным языком, то СТ (стволовые недифференцированные клетки) представляют собой «прародителей» обычных клеток, которых насчитывается сотни тысяч видов. Обычные клетки отвечают за наше здоровье, обеспечивают исправную работу жизненно необходимых систем, заставляют наше сердце биться и работать мозг, они ответственны за пищеварение, красоту кожи и волос.

Где находятся стволовые клетки

Невзирая на внушительную цифру в 50 миллиардов штук, такой ценный материал у взрослого человека имеется в очень малых количествах. В основной массе клетки содержатся в костном мозге (мезенхимальные клетки и стромальные клетки) и подкожном жире, остальные равномерно распределены по всему телу.

По-другому сформирован эмбрион. Миллиарды стволовых клеток образуются после деления зиготы, которая является результатом слияния мужской и женской гамет. Зигота хранит в себе не только генетическую информацию, но и план последовательного развития. Однако в процессе эмбриогенеза ее единственной функцией является деление. Других задач, помимо передачи генетической памяти следующему поколению, нет. Клетки деления зиготы и являются стволовыми, точнее, эмбриональными.

Свойства

Взрослые клетки находятся в состоянии покоя, пока какая-либо из регулирующих систем не подаст сигнал об опасности. СТ активируются и по кровотоку добираются до пораженного места, где, считывая информацию с «соседок», превращаются в костные, печеночные, мышечные, нервные и другие составляющие, стимулируя внутренние резервы организма к восстановлению тканей.

Количество чудо-материала с возрастом уменьшается, притом начало сокращения приходится на совсем юный возраст – 20 лет. К 70 годам клеток остается очень мало, этот мизерный остаток поддерживает функционирование систем жизнеобеспечения организма. Помимо этого, «постаревшие» СТ частично теряют свою универсальность, они уже не могут перевоплощаться в любой тип ткани. Например, исчезает возможность превращения в нервные и кровяные составляющие.

По причине недостачи гемопоэтических составляющих, отвечающих за кровообразование, человек на старости лет покрывается морщинами и иссыхает из-за того, что кожа уже не получает достаточного питания. Эмбриональный материал самый способный в деле перевоплощения, значит, самый ценный. Такие СТ могут переродиться в любой вид ткани в организме, быстро восстановить иммунитет, стимулировать орган к регенерации.

Разновидности

Может показаться, что разновидностей стволовых клеток только две: эмбриональные и клетки, находящиеся в организме родившегося человека. Но это не так. Их классифицируют по полипотентности (способности перевоплощаться в другие виды тканей):

• тотипотентные клетки;
• плюрипотентные;
• мультипотентные.

Благодаря последнему виду, как можно понять по названию, можно получить любые ткани в организме человека. Это не единственная классификация. Следующее различие будет заключаться в способе получения:

• эмбриональные;
• фетальные;
• постнатальные.

Эмбриональные СТ берутся у эмбрионов, которым несколько дней. Фетальные клетки – это биологический материал, собранный из тканей эмбрионов после абортов. Их потентность по сравнению с трехдневными эмбрионами несколько ниже. Постнатальный вид – это биоматериал рожденного человека, добываемый, например, из пуповинной крови.

Выращивание стволовых клеток

Изучая свойства эмбриональных стволовых клеток, ученые пришли к выводу, что это материал, идеальный для трансплантации, так как им можно заменить любые ткани в организме человека. Эмбриональные составляющие получают из неиспользованной ткани эмбрионов, которых изначально выращивают для­ искусственного оплодотворения. Однако использование эмбрионов вызывает этические возражения, в результате ученые открыли новый тип стволовых клеток – индуцированные плюрипотентные.

Индуцированные плюрипотентные клетки (iPS) сняли этические проблемы без потери уникальных свойств, которыми обладают эмбриональные. Материалом для их выращивания служат не эмбрионы, а зрелые дифференцированные клетки пациента, которые извлекают из организма, а после проведения работ в специальной питательной среде, возвращают обратно, но уже с обновленными качествами.

Применение

Применение СТ очень широко. Определить области, где они употребляются, тяжело. Большинство ученых заявляет, что за лечением донорским биоматериалом будущее, однако дополнительные исследования следует продолжать проводить. На данный момент такие работы в большинстве своем успешные, они положительно отразились на лечении многих заболеваний. Взять, например, помощь в лечении рака, первые этапы которой уже дали надежду на выздоровление многим больным.

В медицине

Медицина не случайно возлагает огромные надежды на микротехнологии. Уже 20 лет врачи со всего мира используют мезенхимальные клетки костного мозга для лечения серьезных заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей. Донором такого материала с набором антиген может стать близкий родственник больного, у которого подходящая группа крови. Ученые проводят и другие исследования в области лечения таких заболеваний, как цирроз печени, гепатит, патологии почек, диабет, инфаркт миокарда, артроз суставов, аутоиммунные болезни.

Лечение стволовыми клетками различных заболеваний

Спектр использования в лечении поражает. Из СТ делают многие лекарства, но особым преимуществом пользуются трансплантации. Не все пересадки заканчиваются хорошо из-за индивидуального отторжения материала, но лечение в большинстве случаев успешно. Оно используется против таких недугов:

• острый лейкоз (острый лимфобластный, острый миелобластный, острый недифференцированный и другие виды острого лейкоза);
• хронические лейкозы (хронический миелоидный, хронический лимфоцитарный и другие типы хронического лейкоза);
• патологии пролиферации миелоидного ростка (острый миелофиброз, истинная полицитемия, идиопатический миелофиброз и другие);
• фагоцитарные дисфункции;
• наследственные нарушения метаболизма (болезнь Гарлера, болезнь Крабе, метахромная лейкодистрофия и другие);
• наследственные расстройства работы иммунной системы (дефицит адгезии лимфоцитов, болезнь Костманна и другие);
• лимфопролиферативные расстройства (лимфогранулематоз, неходжкинская лимфома);
• другие наследственные расстройства.

В косметологии

Методы использования стволовых клеток нашли свое применение в сфере красоты. Косметологические фирмы все больше выпускают средств с такой биологической составляющей, которая может быть, как животной, так и человеческой. В составе косметики ее маркируют как Stem Cells. Ей приписывают чудодейственные свойства: омолаживание, отбеливание, регенерация, восстановление упругости и эластичности. Некоторые салоны даже предлагают инъекции стволовых клеток, однако введение препарата под кожу будет дорогостоящим.

Выбирая то или иное средство, не ведитесь на «удочку» красивых высказываний. Данный биоматериал не имеет никакого отношения к антиоксидантам, да и провести омоложение на десяток лет за одну неделю не получится. Учтите, что такие крема и сыворотки не будут стоить копейки, ведь получение стволовых клеток - это процесс непростой и трудоемкий. Например, японские ученые пытаются заставить улиток выделять больше слизи с содержанием заветного материала в лабораториях. Вскоре эта слизь станет основой новой косметики.

Видео: Стволовая клетка