➤ Что такое стволовые клетки: виды и назначение стволовых клеток

Главная
Блог
Что такое стволовые клетки и какие их типы бывают

Стволовые клетки – основатели каждого органа и ткани в нашем теле. Узкоспециализированные клетки, образующие печень, сердце, головной мозг и т.д. которые образовались вследствие сложного процесса специализации начального пула стволовых клеток, образованных сразу после оплодотворения. На протяжении всей жизни мы продолжаем полагаться на работу стволовых клеток при травмировании, замене тканей и клеток, которые теряются каждый день, например, кожи, волос, клеток крови и оболочки нашего кишечника. Следовательно, стволовые клетки не являются искусственным или созданным в лаборатории, они сопровождают нас всю жизнь от момента оплодотворения и до смерти, являясь абсолютной физиологической необходимостью для нормального функционирования организма.
Кроме того, стволовые клетки – это особый тип клеток, который отличается от всех других клеток взрослого организма не менее чем двумя ключевыми признаками – способностью к самовосстановлению и способностью давать начало специализированным типам клеток (дифференцироваться). Способность к самовосстановлению означает, что во время деления стволовая клетка может давать начало не двум идентичным дочерним клеткам, а одной такой же стволовой клетке и другой более специализированной клетке. Благодаря способности стволовых клеток к саморепликации, их пул остается с нами на всю жизнь.

Все ли стволовые клетки одинаковы? Нет, это не так. Основное отличие, по которому можно выделить несколько категорий стволовых клеток – потенциал к образованию разного спектра специализированных клеток. Так, наиболее всемогущая клетка, которая способна образовывать весь организм, включая вспомогательные структуры, такие как плацента, пуповина является тотипотентной (лат. totus – целый, весь). Оплодотворенная сперматозоидом яйцеклеток (зигота) и клетки, возникшие в результате нескольких первых раундов разделения зиготы (бластомеры), являются тотипотентными. Со следующими делениями бластомеров формируется бластоциста – полый шар, где внутри содержится 150-200 клеток, так называемая «внутренняя клеточная масса». Именно клетки выделенные из бластоцисты являются эмбриональными стволовыми клетками и обладают способностью образовывать все 200+ типов клеток взрослого организма, кроме внеэмбриональных структур, то есть плюрипотентными (лат. Plures - много). Эмбриональные стволовые клетки бессмертны и могут воспроизводиться бесконечно, что позволяет получать их в большом количестве в лаборатории. Исследования, проводимые на эмбриональных стволовых клетках, важны с точки зрения понимания ранних этапов развития человека, что невозможно сделать никаким другим способом, изучения заболеваний и установления стратегии, которые в конечном счете могут привести к терапии.
Стволовых клеток с плюрипотентным потенциалом нет во взрослом организме. Все стволовые клетки взрослого организма, или их еще называют соматические стволовые клетки, уже несколько специализированными и могут давать начало лишь нескольким типам клеток в пределах конкретной ткани или органа. Из-за способности стволовых клеток генерировать несколько типов клеток их характеризуют как мультипотентные (лат. Multus – несколько). Стволовые клетки взрослого организма способны воспроизводиться длительное время, но не бессмертны! Стволовые клетки были обнаружены в органах, которые требуют постоянного обновления, таких как кровь, кожа, кишечник, и даже менее регенеративных, например, мозг.
Одна из самых горячих тем в исследовании стволовых клеток сегодня – исследование индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Эти клетки искусственно созданы в лаборатории из специализированных клеток человека, таких как клетки кожи, под действием смеси химических соединений. ИПСК по ряду характеристик соответствуют эмбриональным стволовым клеткам, а именно обладают способностью образовывать все типы клеток. За открытие технологии получения ИПСК John B. Gurdon и Shinya Yamanaka в 2012 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине. Преимущества ИПСК и причина, почему исследователи очень заинтересованы в их изучении – получение стабильной линии клеток, пациент-специфической, для изучения механизмов развития заболеваний (напр. болезнь Паркинсона, Альцгеймера), одновременно выступая мощным инструментом для тестирования лекарственных средств для индивидуализированной терапии. С другой стороны, использование производных ИПСК в качестве лекарственных средств вызывает ряд предосторожностей, а именно высокая стоимость технологии получения культуры ИПСК с последующей ее специализацией в конкретном типе клеток и использование конструкций на основе вирусов для перепрограммирования зрелых клеток в ИПСК.

Стволовые клетки: виды и типы

Если учесть, как меняется популяция стволовых клеток с индивидуальным развитием человека, то можно выделить следующие подтипы:● Эмбриональные стволовые клетки – плюрипотентные, присутствуют только на стадии бластоциста, а это ориентировочно 5 сутки после оплодотворения, до имплантационный период.● Пренатальные стволовые клетки – стволовые клетки плода, плюрипотентные, в частности были выделены стволовые клетки нервного гребня, фетальные гемопоэтические стволовые клетки и предшественники клеток поджелудочной железы.● Постнатальные стволовые клетки – стволовые клетки, выделенные из внеэмбриональных структур (амнион, плацента, пуповина) после рождения ребенка. Постнатальные стволовые клетки мультипотентны.● Стволовые клетки взрослого организма (соматические) – стволовые клетки, которые присутствуют в спящем состоянии в органах и тканях взрослого организма, например, гемопоэтические стволовые клетки, мезенхимальные стволовые клетки, нейральные стволовые клетки и т.д. Потенциал таких стволовых клеток варьирует от мультипотентного (МСК) до унипотентного (предшественники эндотелия).
Наибольшим мифом и страхом перед применением стволовых клеток в терапии заболеваний является предположение, что они могут неконтролируемо делиться и дать начало опухоли. Однако только эмбриональные стволовые клетки, которые не применяются для терапии, будучи плюрипотентными, способны после трансплантации мышам, формировать тератомы, эмбриональные опухоли. В регенеративной медицине используются исключительно мультипотентные стволовые клетки, постнатального происхождения или полученные из взрослого организма, не способные формировать опухоли, что было подтверждено тысячами доклинических и сотнями клинических исследований. Поскольку использование стволовых клеток является инновационным подходом, их применение очень тщательно контролируется U.S. FDA (Food and Drug Administration) и другими организациями.

Где находятся стволовые клетки? Откуда берут стволовые клетки у взрослых

Несмотря на мифы, во взрослом организме много тканей, где находятся стволовые клетки. Ученые выделяют следующие их типы:1. ГСК (гемопоэтические стволовые клетки) – стволовые клетки, которые дают начало всем клеткам крови. Трансплантация костного мозга – это и есть трансплантация гемопоэтических стволовых клеток, которая началась еще с 1950-х годов. Сегодня, кроме костного мозга, источником гемопоэтических стволовых клеток может быть пуповинная кровь и плацента. Стволовые клетки пуповинной крови очень важны для лечения многих заболеваний, связанных с проблемами кроветворения.2. МСК (мезенхимальные стволовые клетки) – мультипотентные стволовые клетки, способные восстанавливать элементы соединительной ткани – кости, хрящи, жировые отложения, а также важную часть кожи – дерму. МСК были впервые выделены из костного мозга А. Фриденштейном в 1960-х годах, как адгезивные клетки, фибробластовидной морфологии с клоногенным потенциалом и мультипотентным потенциалом к дифференциации (превращению). Позже стало понятно, что почти все ткани и органы в своих периваскулярных нишах содержат клетки, похожие на МСК. Чтобы избежать недоразумений между исследователями при изучении МСК, полученных из разных тканевых источников, международное общество клеточной терапии в 2006 г. рекомендовало использовать термин мезенхимальные стромальные клетки вместо мезенхимальных стволовых клеток. В последние 30 лет, благодаря потенциалу к многолинейной дифференциации, иммуномодулирующим свойствам, секреции большого количества растворимых факторов роста, цитокинов и микроРНК, МСК становятся ключевым игроком в быстро растущей области клеточной терапии. Более 950 клинических испытаний, в течение 2011-2018 годов, на основе использования МСК, было зарегистрировано по всему миру (https://doi.org/10.1038/s41536-019-0083-6). Наиболее значительный терапевтический эффект МСК был показан при лечении реакции трансплантата против хозяина (РТПХ). В Канаде и Новой Зеландии, Prochymal MSCs были одобрены для лечения тяжелой формы РТПХ у детей, которая резистентна к лечению стероидами, сложных форм свищей при болезни Крона, остеоартрита, диабета II типа. Наиболее оптимальными источниками для изоляции и масштабирования МСК с последующим использованием в целях регенеративной медицины, учитывая избегание ряда этических проблем, достаточное количество материала необходимого для выделения МСК являются костный мозг, жировая ткань, пуповина и плацента.3. Стволовые клетки-производные нервного гребня – это особая популяция мультипотентных стволовых клеток взрослого организма, которая присутствует в волосяном фолликуле, дерме, пульпе зуба и других тканях, и которая характеризуется рядом признаков клеток нервного гребня и является очень перспективной в лечении заболеваний нервной системы.

Как происходит выращивание стволовых клеток в лаборатории

Выращивание клеток в лаборатории называется культивированием клеток или культурой клеток. Важно отметить, что лаборатория оснащена специальным оборудованием, которое обеспечивает полную стерильность от загрязнения микроорганизмами или вирусами. Стволовые клетки, выделенные из определенной ткани, могут размножаться в лабораторных условиях в культуральной посуде, которая содержит питательный бульон, известный как культуральная среда, оптимизированная для выращивания различных типов стволовых клеток. Большинство стволовых клеток, кроме гемопоэтических стволовых клеток, прикрепляются к пластиковой поверхности культуральной посуды, постепенно заполняя ее площадь, активно делясь. Когда стволовые клетки полностью заполняют поверхность посуды, их пересаживают, что называется субкультивированием. Один раунд субкультивирования называется пассажем – (P0,1,2,3……10). Такой процесс может длиться недели и месяцы до наращивания необходимого количества клеток. На любой стадии процесса, партии клеток можно замораживать. Чтобы генерировать культуры специфических типов дифференцированных клеток (например нейроны, клетки хряща, костной ткани), ученые могут изменить химический состав культуральной среды, изменить поверхность культурального сосуда или модифицировать клетки, заставляя экспрессировать конкретные гены. За годы экспериментов ученые создали некоторые основные протоколы или «рецепты» для дифференциации стволовых клеток на некоторые конкретные типы клеток.

Все типы культур стволовых клеток проходят несколько тестов на проверку их идентичности и чистоты.● Проверка экспрессии нескольких генов, которые специфичны и важны для функции● конкретного типа стволовых клеток.● Проверка частоты пролиферации (размножение)● Проверка способности воспроизводить самих себя (колониеобразования)● Проверка целостности генома● Демонстрация потенциала дифференцировки● Проверка на наличие инфекционных поражений

Применение стволовых клеток в науке и медицине

В последние несколько десятилетий исследования стволовых клеток ведутся очень активно. В 1999 году журнал “Science”, один из самых авторитетных научных журналов, признал открытие стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Что же нам дают эти стволовые клетки?1. Стволовые клетки – это, в первую очередь, уникальное средство для исследования понимания механизмов эмбрионального развития, выбора судьбы клеток, механизмов развития заболеваний и поиска путей их преодоления.2. Клеточная терапия – новое инновационное направление в медицине с использованием стволовых клеток в качестве терапевтических агентов. Стволовые клетки восстанавливают поврежденные ткани благодаря клеточной регенерации, секреции ряда соединений, факторов роста, цитокинов и т.п. и регуляции микроокружения.3. Исходные материалы для 3D-печати и 3D-плетения – использование стволовых клеток в программах 3D-печати, включая 3D-печать тканей/органов, усеянных живыми клетками.4. Валидация целевого препарата – валидация нового препарата, который предполагается должен быть эффективным при лечении определенного заболевания на специализированных дифференцированных клетках, полученных из стволовых клеток в лаборатории.5. Доставка лекарственных препаратов – доставка терапевтических препаратов через стволовые клетки и экзосомы стволовых клеток.6. Токсикологический скрининг – использование стволовых клеток для оценки влияния лекарства на биологические системы.

Механизм действия стволовых клеток как терапевтического агента

Стволовые клетки, попадая в организм больного человека, реализуют свой терапевтический потенциал несколькими путями. Первый – прямой, то есть стволовая клетка сама превращается в утраченную клетку организмом. Второй – опосредованный – стволовая клетка выделяет ряд факторов, регулирующих поведение окружающих клеток в месте повреждения, стимулируя их к пролиферации, дифференциации, индуцируя воспаление, или наоборот, подавляя иммунный ответ.
При клеточной терапии стволовые клетки вводят системно (внутривенно) или локально (непосредственно в место повреждения). Если по последним вопросам не возникает, то первый вариант остается непонятным, как стволовая клетка знает, где место повреждения? Следует помнить, что стволовые клетки – это не микроскопические голые шарики, а на их поверхности содержится тысячи разнообразных молекул (рецепторов), это как молекулярные органы чувств, именно благодаря им они и воспринимают окружение, в которые попадают, и решают куда идти. Способность найти место повреждения – это естественная способность стволовых клеток, так называемый, хоуминг. Когда организм имеет большое поражение, с которым не справляются местные стволовые клетки, к ним на помощь отправляются стволовые клетки из отдаленных мест по градиенту выделяемых из поврежденной ткани цитокинов. На месте повреждения, стволовая клетка также продолжает сканировать ситуацию через свои рецепторы, которые взаимодействуют с рядом факторов и принимают наконец решение: в данной ситуации достаточно превратиться разово в клетку кожи или необходимо привлечь союзников для борьбы.
Регенеративная медицина является важным лечебным направлением многих людей со сложными патологиями. Стволовые клетки, где находятся уникальные терапевтические свойства, являются прямым доказательством этого.
Для пациентов с сахарным диабетом I и II типа, болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона, поражением спинного мозга, аутоиммунными заболеваниями, заболеваниями сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата, успехи в клеточной терапии выглядят очень обнадеживающими, а иногда единственно возможным шансом на жизнь.
Преимущества терапии стволовыми клетками:
1. Отсутствие передачи инфекционных агентов донором стволовых клеток является сам пациент, даже в случае аллогенной трансплантации продукт проходит всестороннюю проверку.
2. Нет риска отторжения трансплантата – стволовые клетки низкоиммуногенны, то есть они не вызывают иммунный ответ, а наоборот, способны подавлять иммунную систему.
3. Избегание хирургической операции – трансплантацию стволовых клеток, как правило, проводят путем инфузии или инъекций. Не существует риска порезов и рубцов после операции.
4. Минимальное время обновления. Время восстановления после операций и других видов лечения, как правило, занимает много времени. После терапии стволовыми клетками пациент может вернуться к привычной жизни в тот же день.
Важно отметить также использование стволовых клеток для лечения патологий, при которых традиционная медицина не может помочь. Часто последней надеждой таких пациентов являются стволовые клетки, лечение которыми дает шансы даже в самых сложных случаях.

Какие вопросы вы должны задать врачу перед лечением стволовыми клетками

● Являются ли стволовые клетки обычным методом лечения этого конкретного заболевания или состояния?● Является ли лечение частью формального клинического испытания?● Какие альтернативные варианты лечения моего заболевания или состояния?● Какие возможные выгоды я могу ожидать?● Какое еще лекарство или особый уход мне могут понадобиться?● Какой источник стволовых клеток?● Как определяют, выделяют и выращивают стволовые клетки?● Дифференцируются ли клетки на специализированные клетки перед терапией?● Как клетки доставляются в поврежденное место в теле?● Если клетки не мои собственные, как моя иммунная система отреагирует на пересаженные клетки?

Если остались вопросы, заказывайте консультацию