В течение жизни во взрослом организме постоянно происходит гибель клеток различных тканей, как при естественном обновлении (апоптоз), так и при повреждениях (некроз). Восстановление утраченных клеток происходит за счет камбиальных элементов. В кишечнике, коже, мышцах, красном костном мозге, печени, головном мозге существуют пролиферирующие тканеспецифические популяции клеток.
Открытие региональных стволовых клеток взрослого организма позволяет по-новому подойти к проблеме обновления сформировавшихся тканей, изменить концепцию клеточной и генной терапии различных заболеваний. Изучение свойств стволовых клеток и их влияния на репаративные процессы в организме - одна из наиболее актуальных задач современной клеточной биологии. Особая значимость исследований в данной области связана с применением клеточных технологий для лечения человека.
Сферы применения клеточной технологии:
- онкология и гематология;
- сердечно-сосудистые заболевания;
- болезни головного мозга;
- болезни спинного мозга;
- трансплантология;
- тестирование новых лекарств.
Региональные стволовые клетки: определение понятия, история открытия и изучения.
Региональные (зрелые) стволовые клетки - взрослые соматические плюрипотентные стволовые клетки различных органов, способные к дифференцировке в клетки "своего" органа и трансдифференцировке.
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. А.А. Макcимов пpедложил 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.
Cоветcкие ученые А. Фpиденштейн и И. 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.
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.
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 1998 году ученые нашли cпоcоб выpащивать cтволовые клетки в питательной cpеде.
2.2. Региональные стволовые клетки: классификация, характеристика и свойства.
По происхождению:
1. Фетальные стволовые клетки (ФСК): клет ки, находящиеся в пуповинной крови, плаценте, способные трансформироваться в разные типы клеток (мультипотентные клетки).
2. Клетки взрослого организма.
a) гемопоэтические стволовые клетки — находящиеся в кроветворных органах и крови, способные давать начало, в основном, различным росткам кроветворения. Клетки из которых образуются клетки крови имеют на своей поверхности маркеры CD34, CD59 и Thy1, по которым могут быть идентифицированы.
b) мезенхимальные [стромалъные] стволовые клетки (МСК), находящиеся в костном мозге, обладающие способностью к дифференцировке в остеобласты, сустеноциты, хондроциты, теноциты, адипоциты, миобласты, фибробласты;
c) тканеспецифические [регионарные] (кожи, сосудов, нервной ткани, яичек, яичников, простаты и других) находятся в соответствующих тканях и дифференцируются в клетки этих тканей.
Виды тканеспецифичных стволовых клеток:
2. Нейрональные стволовые клетки в головном мозге -дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум группам не нейрональных клеток - астроцитам и олигодендроцитам. Нейральные стволовые клетки (NSC) Нейрогенез в мозге происходит в двух местах: субвентрикулярная зона (СВЗ), из которой были изолированы первые с.к., и зубчатая извилина. Зрелые нейроны образуются в обонятельной луковице, область в которую мигрируют клетки из СВЗ различными путями называемыми ростральной миграционной системой. СВЗ содержит эпиндимальные клетки и астроциты со схожей ролью с клетками стромы в костном мозге. Эпидимальные клетки и астроциты образуют каналы называемые глиальные трубки по которым происходит миграция нейробластов к обонятельной луковице, где дифференцируются в перигломерулярные или гранулярные нейроны, которые выстраиваются цепочкой. Астроциты в трубках обеспечивают питание клеток.
3. 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.
4. 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.
5. Стволовые клетки миокарда - способны дифференцироваться в кардиомиоциты и эндотелий сосудов.
6. 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.
7. 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.
8. Эпителиальные стволовые клетки пищеварительного тракта расположены в глубоких складках оболочек кишечника и могут давать начало разным типам клеток пищеварительного тракта.
Классификация по способу получения: 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.
Региональные стволовые клетки: характеристика и свойства.
- По мере старения организма число РСК в органах прогрессивно уменьшается. Возрастное снижение пула СК в органах. Так, если в зародыше млекопитающих на стадии органогенеза половина всех клеток приходится на провизорные некоммитированные клоны СК, то уже в фетальной печени 1 стволовая гемопоэтическая клетка приходится на 100000 гематогенных клеток. В кроветворной ткани взрослого человека 1 стволовая клетка приходится на 2-10 млн. коммитированных гемапоэтических клеток (т.е. клеток разной степени дифференцировки).
С возрастом в костном мозге уменьшается не только общее количество гемопоэтичнеских СК, но особенно количество мезенхимальных Ск.
Так, если сразу после рождения в костном мозге на 10 000 гемопоэтических СК приходится одна стромальная СК, то у подростков этих клеток уже в 10 раз меньше; к 50 годам 500 000 кроветворных СК – приходится 1 стромальная СК, а в 70 лет 1 стромальная СК приходится на 1 млн. гемопоэтических СК.
- уни-, ди- и мультипотентны лишь в специально созданных условиях микроокружения- ограниченный потенциал дифференцировки.
- трансдифференцировка - происходит потеря первичных тканевых маркеров и функций и приобретение маркеров и функций вновь образованного клеточного типа. А подобные клеточные элементы классифицируют как мультипотентные стволовые клетки взрослого организма.
Именно поэтому для РСК в условиях in vitro и in vivo особенно важны сигналы культурального и тканевого микроокружения, под влиянием которых РСК дифференцируются в соответствующие зрелые специализированные клетки, поддерживая стабильность процессов самообновления органов и тканей (физиологическая регенерация). Для некоторых типов РСК (СК костного мозга) доказана их способность к миграции в зону поражения.
- хоуминг – способность к миграции в другие ткани in vivo.
-сниженная популяционная активность (низкая активность теломеразы)
- трудности выявления чётких различий между РСК и клетками-предшественниками, которые, как известно, являются частично дифференцированными клетками, заставляет предполагать, что РСК в органах не являются истинными СК, а являются коммитированными клетками предшественниками.
Происхождение региональных СК, а также свойства этих клеток остаются пока недостаточно исследованными и поэтому представления о них не всегда точны и несколько различаются у разных авторов. Морфологически РСК трудно идентифицировать, однако эти клетки экспрессируют некоторые уникальные маркеры, которые позволяют выявлять их в тканях. Так, антиген CD34 представлен на большинстве гемопоэтических СК; Stro-1, CD117, CD133 – на мезенхимальных (стромальных) СК; белок промежуточных филаментов нестин – в цитоплазме нейральных СК и т.д.
История изучения регионарных стволовых клеток началась ещё 40 лет назад. Основу науки о стромальных клетках заложили русские ученые А. Я. Фриденштейн и И.Л.Чертков. Они 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 так же, 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 повреждeний 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 и др.
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.
Небольшие количества стволовых клеток присутствуют в тканях многих органов (например, в базальном слое эпидермиса - стволовые клетки эпидермиса, в криптах кишечника - стволовые клетки кишечника). Такие стволовые клетки называются региональными (соматическими). При повреждении тканей соответствующего органа находящиеся в нем стволовые клетки мигрируют к зоне повреждения, делятся и дифференцируются, образуя в этом месте новую ткань.
Таким образом, в регенерации повреждений организма участвуют два вида стволовых клеток - специализированные тканевые и универсальные стромальные клетки костного мозга. Неспроста мудрая природа наряду с "локальным депо" (регионарными стволовыми клетками) создала и "центральный склад запчастей" (стромальные клетки костного мозга). Если регионарные 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.
Попадая в пораженное инфарктом сердце, они преобразуются в клетки сердечной мышцы - миоциты, в пораженный инсультом головной мозг - в нейроны и глиальные клетки, в печень - гепатоциты и т. д.
Регионарные стволовые клетки могут быть получены как из эмбрионов и плодов, так и из тканей взрослого организма (например, костный мозг, периферическая кровь, жировая ткань).
Известны молекулярные маркеры, позволяющие идентифицировать как стволовые нервные клетки, так и последовательные фазы их развития, - это нестин для ство-ловой клетки, виментин для клетки-предшественника, бета-тубулин для нейробласта,
Большое внимание уделяется сейчас мультипотентным МСК взрослых органов, поскольку эти клетки хорошо мигрируют и многократно химеризуют ткани. В свою очередь, пересадки нейрональных стволовых клеток в печень, мышцу или иммунную систему сопровождались тканеспецифичной перестройкой фенотипа донорских клеток. Хорошо доказано, что сигналы микроокружения играют решающую роль в судьбе трансплантированных ЭСК/МСК in situ.
Вопросы по теме занятия.
1. Значение изучения РСК (региональных стволовых клеток).
2. Назовите сферы применения клеточной технологии РСК.
3. Дайте определение понятия «региональная стволовая клетка».
4. Назовите фамилии русских и российских учёных и их открытия, в области изучения РСК.
5. Дайте анализ классификации РСК по происхождению.
6. Определите потентность тканеспецифических РСК.
7. Поясните понятие «прогениторная клетка».
8. Назовите и поясните потентность РСК.
9. К какой группе потентности относятся мезенхимные стволовые клетки? Почему?
10. Какие две группы региональных клеток участвуют в регенерации повреждений организма?
11. Поясните, каким образом у РСК осуществляется трансдифференцировка.
12. Поясните понятие «хоуминг».
13. В чём проявляется низкая теломеразная активность РСК?.
14. Почему применение РСК в медицине считается безупречным с морально-этической точки зрения?
15. Каким образом выявляют региональные клетки в тканях?
