Що таке стовбурові клітини та які їх типи бувають?

Стовбурові клітини – засновники кожного органу і тканини в нашому тілі. Вузькоспеціалізовані клітини, які утворюють печінку, серце, головний мозок і т.д. утворились внаслідок складного процесу спеціалізації початкового пулу стовбурових клітин, утворених одразу після запліднення.Протягом усього життя ми продовжуємо покладатись на роботу стовбурових клітин при травмуванні, заміні тканин і клітин, які втрачаються щодня, наприклад, шкіри, волосся, клітин крові і оболонки нашого кишківника. Отже, стовбурові клітини не є чимось штучним чи створеним в лабораторії, вони супроводжують нас усе життя від моменту запліднення і до смерті, будучи абсолютною фізіологічною необхідністю для нормального функціонування організму.
З іншого боку, стовбурові клітини – це особливий тип клітин, який відрізняється від всіх інших клітин дорослого організму щонайменше двома ключовими ознаками – здатністю до самовідновлення та здатністю давати початок спеціалізованим типам клітин (диференціюватися). Здатність до самовідновлення означає, що під час поділу стовбурова клітина може давати початок не двом ідентичним дочірнім клітинам, а одній такій же стовбуровій клітині та іншій більш спеціалізованій клітині. Завдяки здатності стовбурових клітин до самореплікації, їх пул залишається з нами на все життя.

Чи всі стовбурові клітини однакові? Ні, це не так. Основна відмінність, за якою можна виділити декілька категорій стовбурових клітин – потенціал до утворення різного спектру спеціалізованих клітин. Так, найбільш всемогутня клітина, яка здатна утворювати весь цілком організм, включаючи допоміжні структури, такі як плацента, пуповина є тотипотентною (лат. totus – цілий, увесь). Запліднена сперматозоїдом яйцеклітин (зигота) та клітини, що виникли внаслідок декількох перших раундів поділу зиготи (бластомери) є тотипотентними. З наступними поділами бластомерів формується бластоциста – порожниста куля, де всередині міститься 150-200 клітин, так звана «внутрішня клітинна маса». Саме клітини виділені із бластоцисти є ембріональними стовбуровими клітинами та мають здатність утворювати всі 200+ типів клітин дорослого організму, окрім позаембріональних структур, тобто є плюрипотентними (лат. Plures - багато). Ембріональні стовбурові клітини є безсмертними і можуть відтворюватись безкінечно, що дозволяє отримувати їх у великій кількості в лабораторії. Дослідження, які проводяться на ембріональних стовбурових клітинах є важливими з точки зору розуміння ранніх етапів розвитку людини, що неможливо зробити ніяким іншим способом, вивчення захворювань та встановлення стратегії, які в кінцевому рахунку можуть призвести до терапії.
Стовбурових клітин з плюрипотентним потенціалом немає у дорослому організмі. Всі стовбурові клітини дорослого організму, або їх ще називають соматичні стовбурові клітини, є вже дещо спеціалізованими і можуть давати початок лише декільком типам клітин в межах конкретної тканини чи органу. Через здатність стовбурових клітин генерувати кілька типів клітин їх характеризують як мультипотентні (лат. Multus- декілька). Стовбурові клітини дорослого організму здатні відтворюватися тривалий час, але не є безсмертними! Стовбурові клітини були знайдені в органах, які потребують постійного оновлення, такі як кров, шкіра, кишківник, та, навіть, менш регенеративних, наприклад, мозок.

Одна з найгарячіших тем у дослідженні стовбурових клітин сьогодні - дослідження індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (ІПСК). Ці клітини штучно створені в лабораторії із спеціалізованих клітин людини, таких як клітини шкіри, під дією суміші хімічних сполук. ІПСК по ряду характеристик відповідають ембріональним стовбуровим клітинам, а саме мають здатність утворювати всі типи клітин. За відкриття технології отримання ІПСК John B. Gurdon та Shinya Yamanaka в 2012 році були удостоєні Нобелівської премії з фізіології або медицини. Переваги ІПСК і причина чому дослідники дуже зацікавлені у їх вивченні – отримання стабільної лінії клітин, пацієнт-специфічної, для вивчення механізмів розвитку захворювань (напр. хвороба Паркінсона, Альцгеймера), одночасно виступаючи потужним інструментом для тестування лікарських засобів для індивідуалізованої терапії. З іншого боку, використання похідних ІПСК у якості лікарських засобів викликає ряд пересторог, а саме висока вартість технології отримання культури ІПСК з наступною її спеціалізацією у конкретний тип клітин та використання конструкцій на основі вірусів для репрограмування зрілих клітин у ІПСК.

Стовбурові клітини: види та типи

Якщо взяти до уваги, як змінюється популяція стовбурових клітин із індивідуальним розвитком людини, то можна виділити наступні підтипи:● Ембріональні стовбурові клітини - плюрипотентні, присутні лише на стадії бластоцисти, а це орієнтовно 5 доба після запліднення, доімплантаційний період.● Пренатальні совбурові клітини – стовбурові клітини плоду, плюрипотентні, зокрема, були виділені стовбурові клітини нервового гребеня, фетальні гемопоетичні стовбурові клітини та попередники клітин підшлункової залози.● Постнатальні стовбурові клітини – стовбурові клітини, виділені з позаембріональних структур (амніон, плацента, пуповина) після народження дитини. Постнатальні стовбурові клітини є мультипотентними. ● Стовбурові клітини дорослого організму (соматичні) – стовбурові клітини, що присутні у сплячому стані в органах та тканинах дорослого організму, наприклад, гемопоетичні стовбурові клітини, мезенхімальні стовбурові клітини, нейральні стовбурові клітини і т.д. Потенціал таких стовбурових клітин варіює від мультипотентного (МСК) до уніпотентного (попередники ендотелію).
Найбільший міф і страх перед застосуванням стовбурових клітин в терапії захворювань є припущення, що вони можуть не контрольовано ділитись та дати початок пухлині. Однак, лише ембріональні стовбурові клітини, які не застосовуються для терапії, будучи плюрипотентними, здатні після трансплантації мишам, формувати тератоми, ембріональні пухлини. В регенеративній медицині використовуються виключно мультипотентні стовбурові клітини, постнатального походження або отримані із дорослого організму, які не здатні формувати пухлини, що було підтверджено тисячами доклінічних та сотнями клінічних досліджень. Оскільки використання стовбурових клітин є інноваційним підходом, їх застосування дуже прискіпливо контролюється U.S. FDA (Food and Drug Administration) та іншими організаціями.

Де знаходяться стовбурові клітини? Звідки беруть стовбурові клітини в дорослих?

Попри міфи, у дорослому організмі є багато тканин, де знаходяться стовбурові клітини. Вчені виділяють наступні їх типи:
1. ГСК (гемопоетичні стовбурові клітини) – стовбурові клітини, які дають початок усім клітинам крові. Трансплантація кісткового мозку – це і є трансплантація гемопоетичних стовбурових клітин, яка розпочалась ще з 1950-х років. Сьогодні окрім кісткового мозку, джерелом гемопоетичних стовбурових клітин може бути пуповинна кров та плацента. Стовбурові клітини пуповинної крові є дуже важливими для лікування багатьох захворювань, пов’язаних з проблемами кровотворення.
2.МСК (мезенхімальні стовбурові клітини) – мультипотентні стовбурові клітини, які здатні відновлювати елементи сполучної тканини - кістки, хрящі, жирові відкладення, а також важливу частину шкіри – дерму. МСК були вперше виділені з кісткового мозку О. Фріденштейном в 1960-х роках, як адгезивні клітини, фібробластоподібної морфології з клоногенним потенціалом та мультипотентним потенціалом до диференціації (перетворення). Пізніше стало зрозуміло, що майже всі тканини та органи у своїх периваскулярних нішах містять клітини схожі на МСК. Щоб уникнути непорозумінь між дослідниками при вивченні МСК, отриманих з різних тканинних джерел, міжнародне товариство клітинної терапії у 2006 р. рекомендувало використовувати термін мезенхімальні стромальні клітини замість мезенхімальних стовбурових клітин. Протягом останніх 30 років, завдяки потенціалу до багатолінійної диференціації, імуномодулюючим властивостям, секреції великої кількості розчинних факторів росту, цитокінів та мікроРНК, МСК стають ключовим гравцем у швидко зростаючої галузі клітинної терапії. Більше ніж 950 клінічних випробувань, протягом 2011-2018 років, на основі використання МСК, були зареєстровані по всьому світу (https://doi.org/10.1038/s41536-019-0083-6). Найбільш значний терапевтичний ефект МСК було показано при лікуванні реакції трансплантат проти хазяїна (РТПХ). У Канаді та Новій Зеландії, «Prochymal MSCs» були схвалені для лікування важкої форми РТПХ у дітей, яка резистентна до лікування стероїдами, складних форм свищів при хворобі Крона, остеоартриту, діабету II типу. Найбільш оптимальні джерела для ізоляції та масштабування МСК з наступним використанням у цілях регенеративної медицини, враховуючи уникнення низки етичних проблем, достатню кількість матеріалу необхідного для виділення МСК є кістковий мозок, жирова тканини, пуповина і плацента.
3.Стовбурові клітини-похідні нервового гребеня – це особлива популяція мультипотентних стовбурових клітин дорослого організму, присутня у волосяному фолікулі, дермі, пульпі зуба та інших тканинах, яка характеризується рядом ознак клітин нервового гребня і є дуже перспективними в лікуванні захворювань нервової системи.

Як відбувається вирощування стовбурових клітин в лабораторії

Вирощування клітин в лабораторії називається культивуванням клітин або культурою клітин. Важливо відмітити, що лабораторія оснащена спеціальним обладнанням, яке забезпечує повну стерильність від забруднення мікроорганізмами чи вірусами. Стовбурові клітини, виділені із певної тканини, можуть розмножуватися в лабораторних умовах у культуральному посуді, який містить живильний бульйон, відомий як культуральне середовище, оптимізований для вирощування різних типів стовбурових клітин. Більшість стовбурових клітин, окрім гемопоетичних стовбурових клітин, прикріплюються до пластикової поверхні культурального посуду, поступово заповнюючи його площу, активно ділячись. Коли стовбурові клітини повністю заповнюють поверхню посуду, їх пересаджують, що зветься субкультивуванням. Один раунд субкультивування зветься пасажем – (P0,1,2,3……10). Такий процес може тривати тижні й місяці до нарощення необхідної кількості клітин. На будь-якій стадії процесу, партії клітин можна заморожувати. Щоб генерувати культури специфічних типів диференційованих клітин (наприклад, нейрони, клітини хряща, кісткової тканини), вчені можуть змінити хімічний склад культурального середовища, змінити поверхню культуральної посудини або модифікувати клітини, примушуючи експресувати конкретні гени. За роки експериментів вчені створили деякі основні протоколи, або «рецепти», для диференціації стовбурових клітин на деякі конкретні типи клітин.

Всі типи культур стовбурових клітин проходять декілька тестів на перевірку їх ідентичності та чистоти:● Перевірка експресії декількох генів, які є специфічними і важливими для функції конкретного типу стовбурових клітин.● Перевірка частоти проліферації (розмноження)● Перевірка здатності відтворювати самих себе (колонієутворення)● Перевірка цілісності геному● Демонстрація потенціалу диференціювання● Перевірка на наявність інфекційних уражень

Застосування стовбурових клітин у науці та медицині

Протягом останніх кількох десятиліть дослідження стовбурових клітин ведуться дуже активно. В 1999 році журнал “Science”, один із найавторитетніших наукових журналів, визнав відкриття стовбурових клітин третьою за значимістю подією в біології після розшифровки подвійної спіралі ДНК і програми «Геном людини». Що ж нам дають ці стовбурові клітини?1. Стовбурові клітини – це, в першу чергу, унікальний засіб для дослідження розуміння механізмів ембріонального розвитку, вибору долі клітин, механізмів розвитку захворювань та пошуку шляхів їх подолання.2. Клітинна терапія – новий інноваційний напрямок в медицині із використанням стовбурових клітин, як терапевтичних агентів. Стовбурові клітини відновлюють пошкоджені тканини завдяки клітинній регенерації, секреції низки сполук, факторів росту, цитокінів і т.п., та регуляції мікрооточення.3. Вихідні матеріали для 3D-друку та 3D-плетіння - використання стовбурових клітин у програмах 3D-друку, включаючи 3D-друк тканин / органів, засіяних живими клітинами.4. Валідація цільового препарату – валідація нового препарату, яких передбачається повинен бути ефективним при лікуванні певного захворювання на спеціалізованих диференційованих клітинах, які були отримані із стовбурових клітин в лабораторії.5. Доставка лікарських препаратів – доставка терапевтичних препаратів через стовбурові клітини та екзосоми стовбурових клітин.6. Токсикологічний скринінг – використання стовбурових клітин для оцінки впливу ліків на біологічні системи.

Механізм дії стовбурових клітин як терапевтичного агента

Стовбурові клітини, потрапляючи в організм хворої людини, реалізують свій терапевтичний потенціал декількома шляхами. Перший – прямий, тобто стовбурова клітина сама перетворюється на втрачену клітину організмом. Другий – опосередкований – стовбурова клітина виділяє ряд факторів, які регулюють поведінку оточуючих клітин в місці пошкодження, стимулюючи їх до проліферації, диференціації, індукуючи запалення, або навпаки, пригнічуючи імунну відповідь.
При клітинній терапії, стовбурові клітини вводять системно (внутрішньовенно) чи локально (безпосередньо у місце пошкодження). Якщо з останнім питань не виникає, то перший варіант залишається незрозумілим, як стовбурова клітина знає де місце пошкодження? Варто пам’ятати, що стовбурові клітини – це не мікроскопічні голі кульки, а на їх поверхні міститься тисячі різноманітних молекул (рецепторів), це як молекулярні органи чуття, саме завдяки ним вони і сприймають оточення, в яке потрапляють, та вирішують куди йти. Здатність відшукати місце пошкодження – це природна здатність стовбурових клітин, так званий, хоумінг. Коли організм має велике ураження, з яким не справляються місцеві стовбурові клітини, до них на допомогу вирушають стовбурові клітини з віддалених місць по градієнту цитокінів, що виділяються із пошкодженої тканини. На місці пошкодження, стовбурова клітина також продовжує сканувати ситуацію через свої рецептори, які взаємодіють із низкою факторів та приймають врешті рішення чи в даній ситуації достатньо перетворитись разово на клітину шкіри чи необхідно залучити союзників для боротьби.
Регенеративна медицина є важливим лікувальним напрямком для багатьох людей зі складними патологіями. Стовбурові клітини, де знаходяться унікальні терапевтичні властивості, є прямим доказом цього.
Для пацієнтів із цукровим діабетом І та ІІ типу, хворобою Альцгеймера, хворобою Паркінсона, ураженням спинного мозку, автоімунними захворюваннями, захворюваннями серцево-судинної системи та опорно-рухового апарату, успіхи в клітинній терапії виглядають дуже обнадійливими, а подекуди єдино можливим шансом на життя.
Переваги терапії стовбуровими клітинами:
1. Відсутність передачі інфекційних агентів – донором стовбурових клітин є сам пацієнт, навіть у випадку алогенної трансплантації продукт проходить всебічну перевірку.
2. Немає ризику відторгнення трансплантату – стовбурові клітини є низькоімуногенними, тобто вони не викликають імунну відповідь, а навпаки, здатні пригнічувати імунну систему.
3. Уникнення хірургічної операції - трансплантацію стовбурових клітин, як правило, проводять шляхом інфузії або ін'єкцій. Не існує ризику порізів та рубців після операції.
4. Мінімальний час відновлення. Час відновлення після операцій та інших видів лікування, як правило, забирає багато часу. Після терапії стовбуровими клітинами пацієнт може повернутись до звичного життя в той же день.
Важливо зазначити також використання стовбурових клітин для лікування патологій, при яких традиційна медицина не може допомогти. Часто останньою надією таких пацієнтів є саме стовбурові клітини, лікування якими дає шанси навіть в найскладніших випадках.

Які питання Ви повинні задати лікарю перед лікуванням стовбуровими клітинами?

● Чи стовбурові клітини є звичайним методом лікування цього конкретного захворювання чи стану?● Чи є лікування частиною формального клінічного випробування? ● Які альтернативні варіанти лікування мого захворювання чи стану?● Які можливі вигоди я можу очікувати? ● Які ще ліки чи особливий догляд мені можуть знадобитися?● Яке джерело стовбурових клітин?● Як визначають, виділяють і вирощують стовбурові клітини?● Чи диференціюються клітини на спеціалізовані клітини перед терапією?● Як клітини доставляються до ушкодженого місця в тілі?● Якщо клітини не є моїми власними, як моя імунна система відреагує на пересаджені клітини?