Правда про стовбурові клітини

Стовбурові клітини – "засновники" кожної клітини нашого організму 

Стовбурові клітини (СК) – "точка відліку" кожного органу і тканини в нашому тілі. Вузькоспеціалізовані клітини, які дають початок іншим типам клітин, що, у свою чергу утворюють органи: печінку, серце, головний мозок тощо. Клітини організму утворюються внаслідок складного процесу спеціалізації початкового пулу стовбурових клітин, утворених одразу після запліднення. Протягом життя ми продовжуємо покладатись на роботу стовбурових клітин при травмуванні, оновленні тканин і клітин, які втрачаються щодня, наприклад, шкіри, волосся, клітин крові чи оболонки нашого кишківника.
Таким чином, стовбурові клітини не є чимось штучним чи створеним у лабораторії. Вони є в організмі людини все життя від моменту запліднення і до смерті та є абсолютно необхідними для нормального функціонування організму.З іншого боку, стовбурові клітини – це особливий тип клітин, який відрізняється від усіх інших клітин дорослого організму щонайменше двома ключовими ознаками: ● здатністю до самовідновлення;● здатністю давати початок спеціалізованим типам клітин (диференціюватися).
Здатність до самовідновлення означає, що під час поділу стовбурова клітина може давати початок не двом ідентичним клітинам, а одній подібній собі - стовбуровій, та іншій більш спеціалізованій клітині. Саме завдяки такій здатності відтворювати саму себе пул стовбурових клітин зберігається протягом усього життя людини та забезпечує процеси фізіологічного відновлення пошкоджених тканин чи органів.

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.
Клітина, яка здатна утворювати весь організм, включно з допоміжними структурами, такими як плацента, пуповина є тотипотентною (лат. totus – цілий, увесь). Запліднена сперматозоїдом яйцеклітина (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 з бластоцисти, є ембріональними стовбуровими клітинами (ЕСК) 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 відтворюватися нескінченно, що дозволяє отримувати їх у великій кількості в лабораторії. Дослідження, які проводяться за участю ембріональних стовбурових клітин, є важливими з точки зору розуміння ранніх етапів розвитку людини, що не можливо зробити ніяким іншим способом, вивчення причин розвитку захворювань та пошуку шляхів терапії. Стовбурових клітин з плюрипотентним потенціалом немає у дорослому організмі. Всі стовбурові клітини дорослого організму (інша назва - 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 стовбурові клітини (лат. multus- декілька).
Стовбурові клітини були знайдені в органах, які потребують постійного оновлення, такі як кров, шкіра, кишківник, та навіть мозок. Стовбурові клітини дорослого організму здатні відтворюватися тривалий час, але їх кількість не є необмеженою!

Чи можливо штучно створити стовбурові клітини?

Одна з найгарячіших тем у дослідженні стовбурових клітин сьогодні – дослідження індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (ІПСК). Ці клітини штучно створені в лабораторії зі спеціалізованих клітин людини, таких як клітини шкіри, під дією суміші хімічних сполук. ІПСК за низкою характеристик відповідають ембріональним стовбуровим клітинам, а саме мають здатність утворювати всі типи клітин.
За відкриття технології отримання ІПСК John B. Gurdon та Shinya Yamanaka у 2012 році були відзначені Нобелівською премією з фізіології або медицини. Переваги ІПСК і причина, чому дослідники дуже зацікавлені в їх вивченні – отримання стабільної лінії клітин, пацієнт-специфічної, для вивчення механізмів розвитку захворювань (напр. хвороби Паркінсона, Альцгеймера). Ці клітини одночасно виступають потужним інструментом для тестування лікарських засобів для індивідуалької 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 перепрограмування зрілих клітин в ІПСК.

Як змінюється потенціал стовбурових клітин із індивідуальним розвитком людини?

Якщо взяти до уваги, як змінюється популяція стовбурових клітин з 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 стовбурові 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 тощо. Потенціал таких стовбурових клітин варіює від мультипотентного (МСК) до уніпотентного (попередники ендотелію).

Стовбурові клітини дорослого організму

Серед стовбурових клітин дорослого організму, що володіють мультипотентним потенціалом, можна виділити наступні групи:
● гемопоетичні стовбурові клітини;● мезенхімальні стовбурові клітини;● стовбурові клітини-похідні нервового гребня.

Гемопоетичні стовбурові клітини

Гемопоетичні стовбурові клітини (ГСК) – стовбурові клітини, які дають початок всім клітинам крові. Трансплантація кісткового мозку – це і є трансплантація ГСК, яка розпочалась ще з 1950-х років. Сьогодні, окрім кісткового мозку, джерелом ГСК може бути пуповинна кров та плацента. У порівнянні з ГСК кісткового мозку, ГСК пуповинної крові мають більший терапевтичний потенціал, оскільки вони "молодші". Більше того, ГСК пуповинної крові не потребують жорсткої типізації антигенів, а частота відторгнення після трансплантації є значно меншою, у порівнянні з ГСК кісткового мозку.

Мезенхімальні стовбурові клітини

Мезенхімальні стовбурові клітини (МСК) – 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 містять клітини, схожі на МСК. У літературі Ви можете зустріти різну термінологію, що позначає МСК – це мезенхімальні стромальні клітини або мультипотентні мезенхімальні стовбурові клітини.
Найбільш оптимальними джерелами для виділення та нарощування МСК з наступним використанням у цілях регенеративної медицини, враховуючи уникнення низки етичних проблем та достатню кількість матеріалу, необхідного для виділення МСК, є кістковий мозок, жирова тканина, пуповина та плацента.
Широкий спектр терапевтичного потенціалу МСК можна пояснити їх біологічними властивостями:
● проліферативна активність – МСК швидко розмножуються in vitro, що дозволяє біотехнологам маштабувати ці клітини до необхідної кількості для терапевтичного використання;● мультипотентність – здатність давати початок декільком типам клітин під впливом заданих стимулів і, таким чином, заміщувати пошкоджені клітини організму;● трофічна функція – секреція численних факторів росту, які захищають клітини від загибелі та стимулюють резидентні стовбурові клітини відновлювати пошкодженні органи та тканини;● хоумінг/міграція – здатність МСК знаходити власні природні ніші або пошкоджені тканини після системного введення в організм завдяки експресії унікального набору молекул на свої поверхні, включаючи молекули адгезії, рецептори хемокінів, металопротеїназ та ін;● імуномодулююча функція – МСК здатні впливати на клітини імунної системи, пригнічуюючи прозапальні та активуюючи антизапальні процеси.

Стовбурові клітини-похідні нервового гребня

Нейронний гребінь – це тимчасова структура під час ембріонального розвитку хребетних, що представлена популяцією клітин з унікальними міграційними властивостями та здатністю до диференціювання. Ембріональні клітини нервового гребня проходять процес, який називається епітеліально-мезенхімальним переходом, це передбачає відшарування та міграцію клітин до декількох різних областей ембріона, де вони породжують численні типи клітин і тканин, включаючи кісткову, хрящову тканину, гладку мускулатуру та сполучну тканину черепа, тканини зубів, нейрони та гліальні клітини периферичної нервової системи, меланоцити.
Численні дослідження показали, що стовбурові клітини нервового гребня (СК-ПНГ) ідентифіковані не тільки під час ембріонального розвитку, але і в зрілому віці. У людини стовбурові клітини з властивостями нервового гребня зберігаються у волосяному фолікулі, дермі шкіри, жировій тканині, кістковому мозку, піднебінні, слизовій оболонці носа, зубній пульпі тощо.
СК-ПНГ людини, виділені з різних тканинних джерел, характеризуються такими біологічними властивостями:
● високий рівень проліферації;● високий міграційний потенціал;● здатність до самовідновлення;● експресія унікального набору сигнальних молекул;● багатий спектр білків, які секретуються клітинами-похідними нервового гребня;● здатність давати початок не лише адипоцитам, хондроцитам, остеоцитам, а й клітинам м'язів, меланоцитам, нейронам, клітинам глії та ін.;● клітинна пластичність дозволяє СК-ПНГ правильно, структурно та функціонально інтегруватись у пошкоджений орган чи тканину реципієнта після трансплантації;● не утворюють пухлин in vivo.
Всі згадані вище біологічні властивості СК-ПНГ разом з кількома доступними джерелами для їх виділення в дорослому організмі роблять ці клітини привабливими кандидатами для задач регенеративної медицини, особливо в галузі неврології.

Вирощування стовбурових клітин

Вирощування клітин в лабораторії називається культивуванням клітин або культурою клітин. Важливо зазначити, 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, тобто у культуральному середовищі (що оптимізоване 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. Один раунд пересадки називається "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. Для того, щоб зі стовбурових клітин отримати культури спеціалізованих клітин (наприклад, нейрони, клітини хряща, кісткової тканини) біотехнологи 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.

Значення стовбурових клітин для науки та медицини

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 значущістю подією в біології після розшифровки подвійної спіралі ДНК і програми «Геном людини». Яке ж значення мають стовбурові клітини поза організмом?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 – інноваційний напрямок в медицині із використанням стовбурових клітин як терапевтичних агентів. Стовбурові клітини відновлюють пошкоджені тканини завдяки клітинній регенерації, секреції низки сполук, факторам росту, цитокінам і т.п., а також 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, який 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.

Як працюють стовбурові клітини?

Стовбурові клітини, потрапляючи в організм хворої людини, реалізують свій терапевтичний потенціал декількома шляхами. Перший – прямий, тобто, стовбурова клітина сама перетворюється на втрачену організмом клітину. Другий – опосередкований: стовбурова клітина виділяє ряд факторів, які регулюють поведінку оточуючих клітин в місці пошкодження, стимулюючи їх до проліферації, диференціації, захищаючи від загибелі та корегуючи відповідь імунної системи.
При клітинній терапії стовбурові клітини вводять системно (внутрішньовенно) чи локально (безпосередньо у місце пошкодження). Якщо з останнім питань не виникає, то перший варіант лишається незрозумілим, як стовбурова клітина знає, де місце пошкодження? Варто пам’ятати, що стовбурові клітини – це не мікроскопічні голі кульки, на їх поверхні міститься тисячі різноманітних молекул (рецепторів), це як молекулярні органи чуття, саме завдяки ним вони й сприймають оточення, в яке потрапляють та вирішують куди йти. Здатність відшукувати 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 з пошкодженої тканини. На місці пошкодження стовбурова клітина також продовжує сканувати ситуацію через свої рецептори, які взаємодіють з низкою факторів та приймають, врешті, рішення, чи в даній ситуації достатньо перетворитись разово на клітину шкіри, чи необхідно залучити союзників для боротьби.