Стволовые клетки
материал по биологии на тему

Содержание:

1. Введение

2. История изучения стволовых клеток

3. Типы стволовых клеток

3.1 Эмбриональные стволовые клетки

3.2 Стволовые клетки взрослого организма

3.3 Гемопоэтические стволовые клетки

3.4 Стволовые клетки нервной ткани

3.5 Стволовые клетки кожи

3.6 Стволовые клетки скелетной мускулатуры

3.7 Стволовые клетки миокарда

3.8 Мезенхимные стволовые клетки

3.9 Тканеспецифичные стволовые клетки

4. Вывод

5. Словарь терминов по стволовым клеткам

6. Список литературы

1. Введение

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

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

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

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

2. История изучения стволовых клеток

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. Типы стволовых клеток

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

Стволовые клетки человека можно классифицировать в соответствии с их дифференцировочным потенциалом.   

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) и называются взрослыми, регионарными или тканевыми стволовыми клетками. Они варьируют по способности к дифференцировке от мульти- до унипотентных. 

Однако в последние годы чаще используется классификация стволовых клеток по источникам их выделения: эмбриональные, фетальные (выделенные из абортивного материала) и стволовые клетки взрослого организма. 

Первое применение стволовых клеток пуповинной крови в качестве альтернативы трансплантациям костного мозга произошло в 1988 году в Париже, когда ребенку с анемией Фанкони была произведена трансплантация стволовых клеток, выделенных из пуповинной крови сестры. 

С этого момента по всему миру - сначала в США и в Европе, а затем и в России, начали создаваться банки пуповинной крови и проводиться сотни исследований с применением терапии стволовыми клетками пуповинной крови. 

В 2005 году компания «Транс-Технологии» получила лицензию Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения и социального развития на применение новых клеточных технологий в здравоохранении, после чего был открыт первый в Санкт-Петербурге Банк стволовых клеток. За время работы компанией был накоплен огромный опыт как по хранению, так и по трансплантации стволовых клеток.    

3.1Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки - стволовые клетки выделяемые из ранних эмбрионов (а этапе бластоцисты или из полового зачатка 5-ти недельных эмбрионов) или тератокарциномы (опухолевой линии) in vitro. Они обладают рядом уникальных свойств (см. ниже), резко отличающих их от других клеток организма.

Все специализированные клетки взрослого организма происходят из эмбриональных стволовых клеток. Стволовые клетки - это «неприкосновенный запас» информации эмбриогенеза, которую нельзя свести только к генам, поскольку каждый этап развития не запрограммирован автоматически, а зависит от сигналов микроокружения. Полагают, что все нормальные органы и ткани человека сохраняют «реликты» зародышевой ткани в виде микровкраплений стволовых клеток.

Для генетиков эмбриональные стволовые клетки - это ключ к расшифровке языка и кодов органогенеза. Изучение эмбриогенеза человека ограничено биоэтикой, поскольку ранние зародыши человека не могут быть средством в руках ученого. Поскольку развитие других млекопитающих имеет свои особенности, эмбриональные стволовые клетки остаются единственной экспериментальной возможностью изучить аномалии органогенеза человека.

Современная генетика и фармакология нацелены на изучение биологии и сигналов стволовых клеток. Программы контролируемого поведения стволовых клеток оказались на порядок сложней и многообразней дифференцированных клеток.

Возможности эмбриональных стволовых клеток как нового лабораторного сырья для получения соматических клеток человека резюмированы на рисунках. В течение первых дней деления эмбрион растет и превращается в шарик из одинаковых, неспециализированных клеток. Примерно через шесть дней эта группа клеток превращается в бластоцисту. Бластоциста состоит из наружного сферического слоя клеток, окружающих полость, наполненную жидкостью и стволовыми клетками. Стволовые клетки собирают из так называемой внутренней массы, разрушая бластоцисту.

Собранные стволовые клетки размножаются в лаборатории в целый ряд специализированных клеток. Исследователей поддерживает надежда, что эти клетки могут быть сначала превращены в какую-либо ткань и затем трансплантированы.

Первым, и основным, источником сырья для получения лабораторных соматических клеток остаются клоны эмбриональных стволовых клеток, выделенные из бластоцист человека (левая часть рис.3). Часть наиболее быстро растущих клонов переводят в линию эмбриональных СК. Затем начинается многоэтапная дифференцировка клеток в нейроны, кардиомиоциты, клетки кроветворения, эпителий тонкой кишки или эпителий эндокринных желез ( производные экто-, мезо-, и эндодермы) и др. клеточные типы. Дифференцировка эмбриональных СК в указанные соматические клетки идет в обход гаструляции и без образования трех зародышевых листков.

Вторым источником ЭСК является половой зачаток плодов (фетусов) 4-5-й недели развития или половые клетки ( правая часть рисунка).

Хотя концепция стволовой клетки была предложена Александром Максимовым в 1908 году для кроветворной ткани, статус большой науки эта область получила в последнее десятилетие ХХ века. Первая попытка лабораторного оплодотворения яйцеклетки млекопитающих датирована 1878 годом. Но лишь в 1959 году в США был получен первый кролик путем искусственного оплодотворения. Первые природные тотипотентные клетки человека оказались в руках экспериментаторов только в начале 60-х годов.

 С середины 90-х годов не прекращались попытки получения линий эмбриональных стволовых клеток человека в нескольких лабораториях США, Великобритании, Канады, Индии, Австралии, Сингапура, Японии.В 1998 году институт репродуктивной биологии в Норфолке (Канада) первым наладил производство бластоцист человека из банка спермы и яйцеклеток. На втором этапе бластоцисты использовались для выделения линий эмбриональных СК человека. Однако канадцы не успели первыми изолировать линию эмбриональных стволовых клеток человека из «лабораторных» бластоцист.

В 1998 году Джеймс Томсон и Джон Беккер (Висконсинский университет, США) изолировали 5 линий ЭСК из замороженных бластоцист человека, оставшихся неиспользованными после суперовуляции и получения яйцеклеток, оплодотворенных с целью беременности. Опубликованные в 1999 году в журнале «Science» результаты экспериментов были признаны третьим по важности событием в биологической науке ХХ века после открытия двойной спирали ДНК и расшифровки генома человека. Уникальное свойство эмбриональных стволовых клеток —тотипотентность, то есть способность дать начало, по меньшей мере, 350 различным типам клеток, а также внеэмбриональным тканям (плацента, эмбриональные оболочки) и эмбриону в целом. Но большая часть исследователей считает ЭСК всё-таки плюрипотентны, т.к. на сегодняшний день ещё не удалось получить экстраэмбриональные ткани. Это свойство ЭСК, послужило толчком к бурной исследовательской деятельностипо изучению эмбриональных стволовых клеток и открыла широкие перспективы их практического использования в биологии и медицине, в первую очередь в трансплантологии, иммунологии и геронтологии. Оригинальный метод получения эмбриональных СК из бластоцисты человека изложен в знаменитом патенте № 6.200.806, полученном в марте 2001 года Висконсинским фондом питомцев. Патент продан фирме Geron частично, на получение некоторых специализированных клеток человека (нейроны, кардиомиоциты, клетки печени, клетки поджелудочной железы).

Кроме того, эмбриональная стволовая клетка отличается от других (взрослых) клеток тем, что, теоретически, для нее лимит делений неисчерпаем, и клетка может делиться бесконечно, но без образования злокачественной опухоли. Таким образом, второе важное свойство эмбриональных СК — фактическое бессмертие (иммортальность).

 Итак, весьма заманчиво взять стволовую клетку, заставить ее пройти путь дифференцировки, получить из нее готовые ткани (органы) и пересадить их в живой организм. Какие же проблемы возникнут у экспериментатора на пути к осуществлению задуманного?

 Проблема первая: где взять эмбриональные СК? Основной их источник — абортивный материал и остающийся от искусственного оплодотворения. Католическая церковь, религиозные общины, различные общественные организации, исходя из биоэтических соображений, призывают вместе с абортами запретить и исследование эмбриональных тволовых клеток. В связи с этим во многих странах проекты, касающиеся эмбриональных СК, на сегодняшний день заморожены. Другой вариант: если, как указывалось, эмбриональная стволовая клетка бессмертна и саморазмножается, тогда достаточно удобно использовать бесконечную клеточную линию ее потомков. Однако время от времени происходящие генетические мутации в эмбриональных СК будут передаваться дочерним клеткам и накапливаться в последующих клеточных поколениях

После получения эмбриональных стволовых клеток встает другая проблема: как направить их по пути дифференцировки. Потенциально из клеток-предшественников можно вырастить массу любых тканей и, в принципе, любой человеческий орган. Вопрос заключается в том, как создать соответствующие условия и подобрать сочетание индукторов, чтобы развитие эмбриональных СК пошло в нужном направлении. Работы по выращиванию органов уже ведутся и достигнуты определенные успехи.

После того, как «выращен» трансплантат, возникает проблема иммунологической совместимости тканей трансплантата и реципиента. Каждый организм индивидуален и имеет набор генетических маркеров, по которым иммунная система распознает их: «свой» или «чужой».

Решить проблему антигенной несовместимости тканей можно двумя способами: либо внедряя гены будущего реципиента в культуру эмбриональных стволовых клеток на этапе выращивания органа (до сих пор этого никому не удавалось сделать), либо угнетая иммунную систему реципиента с помощью иммуносупрессоров. Последний метод имеет большое количество негативных последствий в связи с риском развития инфекционных осложнений, опухолеобразования и не гарантирует приживление трансплантата. Есть и третий вариант — пересадка трансплантата, который заведомо не столкнется с иммунной системой реципиента, например нейротрансплантация, успешно осуществляемая при болезни Паркинсона (преградой для иммунной системы служит гематоэнцефалический барьер).

Кроме того, у эбриональных стволовых клеток есть ещё одно негативное свойство - давать опухолевый рост при подсадке мышам с дефектной иммунной системой. И хотя работа антигенов тканевой совместимости в эмбриональной ткани снижена (что соответственно, будет давать менее выраженную реакцию отторжения при трансплантации), тем не менее вести речь о введении эмбриональных стволовых клеток следует только после их дифференцировки в специализированные ткани.

ЭМБРИОНАЛЬНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ЗАПРЕЩЕНЫ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МИНИСТЕРСТВОМ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ.

3.2 Стволовые клетки взрослого организма: 

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. 

В последние годы в тканях сформировавшегося организма были выявлены клеточные элементы, способные к дифференцировке не только в тканеспецифических направлениях, но и в клетки иного тканевого происхождения. При этом происходит потеря первичных тканевых маркеров и функций и приобретение маркеров и функций вновь образованного клеточного типа. Это явление получило название трансдифференцировки или пластичности. Подобные клеточные элементы классифицируют как мультипотентные стволовые клетки взрослого организма. Ещё одно их свойство – способность к миграции в другие ткани in vivo. 

Открытие 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. 

К настоящему моменту выделены следующие типы стволовых клеток взрослого организма: гемопоэтические, мышечные, нервной ткани, кожи, эндотелия, кишечника, миокарда, гемопоэтические и мезенхимные стволовые клетки.

3.3 ГЕМОПОЭТИЧЕСКИЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ (ГСК)

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) - популяция мультипотентных стволовых клеток - в настоящее время охарактеризована наиболее полно. ГСК находятся в красном костном мозге взрослого организма. Впервые популяция ГСК была выделена из костного мозга (КМ) мыши около 30 лет назад. Клоногенные свойства этих клеток, доказанные позднее в экспериментах in vivo и in vitro, позволили выделять данные клетки с высоким уровнем чистоты (~85 %-95 %). Фенотипическим "портретом" чистых популяций ГСК считается присутствие на поверхности клетки маркеров CD34, CD133, c-kit (CD117), и отсутствие CD38, и специфических маркеров коммитированных клеток крови: гликофорина A, CD2,CD3, CD4, CD8, CD14, CD15, CD16, CD19, CD20, CD56 и CD66b (Lin-). Долгое время считалось, что ГСК способны дифференцироваться только в клетки крови. Однако исследования по выявлению мультипотентности ГСК, выполненные в последние годы, показали, что при трансплантации в кровоток ГСК могут дифференцироваться также в гепатоциты, клетки эпителия и эндотелий. 

         На основании экспериментальных работ, выполненных в течение последних лет, ГСК можно считать агентами клеточной терапии только при повреждениях печени и сосудов. Несмотря на разработанные протоколы выделения чистых популяций ГСК из взрослого организма, нет методик их культивирования in vitro(в лабораторных условиях). Существующие методы позволяют лишь сохранить или незначительно обогатить популяцию гемопоэтических стволовых клеток. Уже первые попытки их культивирования показали необходимость присутствия фидерного слоя из клеток стромы костного мозга. Как выяснилось позднее, именно клетки стромы костного мозга являются ключевыми регуляторами популяции ГСК. Стромальные элементы определяют пролиферацию и дифференцировку ГСК в костном мозге. Следует отметить, что стромальные клеточные элементы выделяют факторы, определяющие дифференцировку ГСК и миграцию ГСК в костный мозг. 

ГСК способны мигрировать не только в костный мозг, но и из костного мозга в кровоток. Показано, что выход ГСК из костного мозга происходит в ответ на воздействие факторов мобилизации: гранулоцитарно-макрафагального колоние-стимулирующего фактора (ГМ-КСФ), гранулоцитарного колоние-стимулирующего фактора (Г-КСФ). Эти факторы также выделяются клетками стромы. Воздействие ГМ-КСФ и Г-КСФ увеличивает количество ГСК в периферической крови на порядок. 

ГСК могут являться инструментом клеточной терапии при некоторых заболеваниях. Современный уровень развития биотехнологии позволяет исследователям использовать аутологичные ГСК, выделяя их из периферической крови в достаточном количестве. Однако механизмы трансдифференцировки ГСК в настоящий момент изучены недостаточно. 

До последнего времени костный мозг являлся единственным источником гемопоэтических стволовых клеток. После некоторых медицинских процедур и введения в организм так называемых факторов мобилизации (Г-КСФ и ГМ-КСФ) в периферической крови можно увеличить количество ГСК. Нехватка образцов костного мозга заставила исследователей обратить внимание на альтернативные источники стволовых клеток крови. Несомненно, одним из них является пуповинная/плацентарная кровь. В последние годы исследования применимости пуповинной крови шагнули далеко вперед и многие врачи сошлись во мнении, что трансплантация стволовых клеток пуповинной крови может быть альтернативой пересадки костного мозга при онкогематологических и гематологических заболеваниях. 

Итак, ГСК мультипотентны, могут дифференцироваться в клетки различных органов. При работе с ГСК можно использовать аутологичный материал, и как следствие нет риска отторжения при трансплантации реципиента. Они подвергаются криоконсервации, иными словами существует возможность хранения собственных клеток «про запас» с возможностью их использования через длительное время при сохранении всех свойств и возраста клеток на момент забора. Они не дают опухолей in vivo, при введении в организм не вызывают роста новообразований. На сегодняшний день их нельзя культивировать ex vivo, на настоящий момент не выработаны стабильно воспроизводимые методики увеличения количества гемопоэтических клеток в лабораторных условиях.    

3.4 СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ НЕРВНОЙ ТКАНИ 

Стволовые клетки нервной ткани (НСК) расположены в специфических областях мозга человека и других млекопитающих. 

Источником стволовых клеток нервной ткани является головной мозг как сформировавшегося, так и развивающегося организма. В результате проведенных экспериментов по трансплантации НСК клетки с донорской меткой были обнаружены в сердце, печени, центральной нервной системе, кишечнике и легких, что доказывает их мультипотентность. 

Несмотря на то, что НСК являются мультипотентными и существует возможность их культивирования in vivo, их применение влечет за собой массу сложностей. Выделение стволовых клеток нервной ткани связано с полным разрушением головного мозга, что делает невозможным применение аутологичного материала, а, как следствие этого, появляются те же проблемы этического и иммунологического характера, что и при использовании фетальных клеток. 

Для клеточной терапии НСК наиболее перспективны при использовании их ортодоксального дифференцировочного потенциала (нейроны и глия). К настоящему моменту разработаны коктейли химических индукторов коммитации НСК к дифференцировке в одном направлении (Bithell and Williams 2005). НСК локализованы в субэпендимном клеточном слое 3 и 4 желудочков головного мозга (Romanko et al., 2004). Таким образом, выделение НСК связано с разрушением головного мозга донора (Rietze et al., 2001). Но при этом возможно использование аллогенного материала для клеточной терапии ЦНС в связи с наличием гематоэнцефалического барьера и отсутствием иммунологических реакций на чужеродный материал, введенный в ЦНС реципиента. Эксперименты с применением фетального материала при терапии болезни Паркинсона к настоящему моменту уже проведены как на экспериментальных животных, так и в клинике (Burnstein et al., 2004).

3.5 СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ КОЖИ 

Стволовые клетки кожи выделяют из покровных тканей как эмбриона, так и взрослого организма. Клеточную терапию стволовыми клетками кожи связывают прежде всего с восстановлением кожных покровов, например, с восстановлением кожи после обширных ожогов. Сегодня подобные разработки уже применяют в клинике.

3.6 СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СКЕЛЕТНОЙ МУСКУЛАТУРЫ 

Стволовые клетки скелетной мускулатуры выделяют из поперечнополосатой мускулатуры. Эти клетки способны к дифференцировке в клетки нервной, хрящевой, жировой и костной тканей, а также, естественно, в клетки поперечнополосатой мускулатуры. Однако последние исследования показывают, что клетки скелетной мускулатуры являются не чем иным, как отдельной популяцией мезенхимных стволовых клеток (см. ниже).

3.7 СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ МИОКАРДА  

В 90-х гг. ХХ века из миокарда новорожденных крыс были выделены клеточные элементы, способные к дифференцировке в кардиомиоциты и эндотелий сосудов. Трансплантация таких клеток в область инфаркта миокарда приводит к развитию в зоне повреждения новых кардиомиоцитов и сосудов, в результате чего восстанавливаются функции органа. Однако методика выделения данных клеточных элементов очень сложна и связана с полным разрушением мышечной ткани сердца.

3.8 МЕЗЕНХИМНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ (МСК) 

Традиционным источником МСК является строма костного мозга. В результате проведенных исследований мезенхимные стволовые клетки были обнаружены также в подкожной жировой ткани, которая в больших количествах остается после пластических операций. 

В настоящее время ведется множество научно-исследовательских работ по выделению достаточного количества МСК из костной ткани и пуповинной крови. 

Мезенхимные стволовые клетки человека рассматривают как один из основных элементов клеточной терапии. Действительно, МСК плюрипотентны и могут дифференцироваться в клетки костной, жировой, мышечной, хрящевой, нервной и прочих тканей. Неоспоримым достоинством работы с МСК служит то, что существует возможность применения аутологичного материала.  

Источники МСК

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

3.9 Тканеспецифичные стволовые клетки

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

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

4. Вывод

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

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

Существует несколько классификаций стволовых клеток:

По их способу к дифференциации:

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

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

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

По источнику их выделения:

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

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

Стволовые клетки взрослого организма:

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

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

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

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

Виды тканеспецефичных стволовых клеток:

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

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

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

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

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

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

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

5. Словарь терминов по стволовым клеткам

СК (Стволовые клетки) - недифференцированная клетка, способная к самообновлению и дифференцировке в специализированные клетки.

Дифференцировка - необратимое развитие изначально однородных эмбриональных клеток в специализированные, образующие ткани и органы.

Самообновление стволовых клеток - способность стволовых клеток поддерживать себя в недифференцированном (незрелом, "стволовом") состоянии, за счёт микроокружения и влияния специфических ростовых факторов.

Тотипотентность - неограниченная способность дифференцировки: во все типы клеток, тканей и органов, эмбрион, эмбриональные оболочки. Важнейшее свойство эмбриональных стволовых клеток.

Эмбриональные (зародышевые) стволовые клетки - самые примитивные стволовые клетки, возникающие при развитии эмбриона, способные развиться во все клетки взрослого организма и к эмбриогенезу (т. е. обладающие тотипотентностью).

Плюри (мульти - ) потентность - способность стволовых клеток дифференцироваться в несколько типов клеток различных органов.

Соматические клетки - все клетки организма, кроме половых (мужских и женских).

Трансдифференцировка - способность взрослой региональной стволовой клетки дифференцироваться в клетки другого органа и/или другого зародышевого листка.

Региональные (зрелые) стволовые клетки - взрослые соматические плюрипотентные стволовые клетки различных органов, способные к дифференцировке в клетки "своего" органа и трансдифференцировке.

Мезенхима - 4-й зародышевый листок, образующийся из мезодермы, дающий начало дерме, костям, хрящам и всей соединительной ткани организма.

Мезенхимальные стволовые клетки- плюрипотентные 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 слоёв.

Гемопоэтические стволовые клетки - плюрипотентные региональные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови. Кроме костного мозга обнаружены в системном кровотоке и скелетных мышцах.

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

Стволовые клетки костного мозга - гемопоэтические и стромальные стволовые клетки.

Унипотентнотность - способность дифференцироваться только в один тип клеток. Например, базальные клетки эпидермиса.

Бипотентность - способность клетки развиться в 2 вида специализированных клеток. Например, эмбриональный гепатобласт при своём развитии дифференцируется в гепатоцит или в эпителий желчных протоков.

Зигота - клетка, образующаяся при слиянии мужской и женской половых клеток и дающая начало развития зародыша (эмбриона).

Бластоциста - преимплантационный эмбрион, состоящий из 30 - 150 клеток на 4 - 7 днях развития. Содержит внутреннюю клеточную массу, которая служит основным источником эмбриональных стволовых клеток.

Мезодерма - средний из 3-х зародышевых листков эмбриона. Из неё происходят: сердечно-сосудистая система, кровь, костный мозг, скелет, мышечные ткани, часть репродуктивной и выделительной системы.

Эктодерма - самый верхний (удалённый) из примитивных зародышевых листков эмбриона. Из него происходят: кожа, нервная система и сетчатка глаза.

Эндодерма - зародышевый внутренний листок развивающегося эмбриона. Даёт начало дыхательной системе, желудочно-кишечному тракту, печени, поджелудочной железе, мочевому пузырю.

Клонирование - искусственное создание генетически идентичных исходным: ДНК, клеток, тканей, организмов.

Терапевтическое клонирование - клонирование с целью получения клонов специализированных клеток, использующихся в клеточной терапии. Используется технологии фертилизации in vitro, переноса ядра соматической клетки.

Экстракорпоральное оплодотворение (фертилизация in vitro) - репродуктивная технология, заключающаяся в оплодотворении in vitro (вне организма). Технологии и материал ЭКО (яйцеклетки) используется при терапевтическом клонировании и получении эмбриональных стволовых клеток.

Партеногенез - развитие эмбриона без оплодотворения яйцеклетки. Технология, применяемая при терапевтическом клонировании.

Перенос ядра соматической клетки - основная технология терапевтического клонирования, заключающаяся в переносе ядра соматической клетки в энуклеированную яйцеклетку. После чего яйцеклетка оплодотворяется или развивается партеногенетически в эмбрион, из которого получают эмбриональные стволовые клетки с геномом исходной соматической клетки.

Пере(ре)программирование ядра соматической клетки - изменение генетической программы ядра при его переносе в цитоплазму: яйцеклетки человека и/или другого млекопитающего или эмбриональной стволовой клетки. Перепрограммирование ядра и клетки без клонирования происходит при трансдифференцировке.

Репродуктивное клонирование - клонирование с целью создания нового организма, генетически идентичного исходному.

Иммортализация - продление времени жизни клетки и увеличения числа её делений без трансформации в опухоль, за счёт введения различных генетических конструкций.

Трансфекция - введение в клетки генетической конструкции (ген + вектор).

Трансгенный организм (трансгеноз) - введение в геном и экспрессия экзогенного генетического материала.

6. Список литературы

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

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

3. www.stvolkletki.ru

4. www.cbio.ru

5. http://www.stem-cells.ru