Правда о стволовых клетках

Стволовые клетки – "основатели" каждой клетки нашего организма

Стволовые клетки (СК) – "точка отсчета" каждого органа и ткани в нашем теле. Узкоспециализированные клетки, которые дают начало другим типам клеток, которые, в свою очередь, образуют органы: печень, сердце, головной мозг и т.д. Клетки организма образуются в результате сложного процесса специализации начального пула стволовых клеток, образованных сразу после оплодотворения. В течение жизни мы продолжаем полагаться на работу стволовых клеток при травмах, обновлении тканей и клеток, которые теряются каждый день, например, кожи, волос, клеток крови или оболочки нашего кишечника.

Таким образом, стволовые клетки не являются чем-то искусственным или созданным в лаборатории. Они в организме человека всю жизнь от момента оплодотворения и до смерти, и абсолютно необходимы для нормального функционирования организма.
Кроме того, стволовые клетки – это особый тип клеток, отличающийся от всех других клеток взрослого организма не менее чем двумя ключевыми признаками:
● способностью к самовосстановлению;
● способностью давать начало специализированным типам клеток (дифференцироваться).

Способность к самовосстановлению означает, что при разделении стволовая клетка может давать начало не двум идентичным клеткам, а одной подобной себе – стволовой, и другой более специализированной клетке. Именно благодаря такой способности воспроизводить самих себя, пул стволовых клеток сохраняется на протяжении всей жизни человека и обеспечивает процессы физиологического восстановления поврежденных тканей или органов.

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.
Клетка, которая способна создавать весь организм, включая вспомогательные структуры, такие как плацента, пуповина является тотипотентной (лат. totus – целый, весь). Оплодотворенная сперматозоидом яйцеклетка (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 (ЭСК) и обладают способностью образовывать все 200+ типов клеток взрослого организма, кроме внеэмбриональных структур, то есть являются плюрипотентными (лат. plures - много). Эмбриональные стволовые клетки бессмертны, и могут воспроизводиться бесконечно, что позволяет получать их в большом количестве в лаборатории. Исследования, проводимые с участием эмбриональных стволовых клеток, важны с точки зрения понимания ранних этапов развития человека, что невозможно сделать никаким другим способом, изучения причин развития заболеваний и поиска путей терапии. Стволовых клеток с плюрипотентным потенциалом нет во взрослом организме. Все стволовые клетки взрослого организма (другое название - соматические стволовые клетки) уже несколько специализированные 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 стволовые клетки (лат. multus – несколько).
Стволовые клетки были обнаружены в органах, которые нуждаются в постоянном обновлении, таких как кровь, кожа, кишечник, и даже мозг. Стволовые клетки взрослого организма способны воспроизводиться длительное время, но их количество не безгранично!

Возможно ли искусственно создать стволовые клетки?

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 отмечены Нобелевской премией 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. болезни Паркинсона, Альцгеймера). Эти клетки одновременно выступают мощным инструментом для тестирования лекарственных средств для индивидуальной 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 конкретный тип клеток и использование конструкций на основе вирусов для перепрограммирования зрелых клеток в ИПСК.

Как меняется потенциал стволовых клеток с индивидуальным развитием человека?

Если учесть, как меняется популяция стволовых клеток с индивидуальным развитием человека, то можно выделить следующие подтипы:
● эмбриональные стволовые клетки – плюрипотентные, присутствуют только на стадии бластоцисты, а это ориентировочно 5 суток 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).

Стволовые клетки взрослого организма

Среди стволовых клеток взрослого организма, которые обладают мультипотентным потенциалом, можно выделить следующие группы:
● гемопоэтические стволовые клетки;● мезенхимальные стволовые клетки;● стволовые клетки-производные нервного гребня.

Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) – стволовые клетки, которые дают начало всем клеткам крови. Трансплантация костного мозга – это и есть трансплантация ГСК, которая началась еще с 1950-х годов. Сегодня, кроме костного мозга, источником ГСК может быть пуповинная кровь и плацента. По сравнению с ГСК костного мозга ГСК пуповинной крови имеют больший терапевтический потенциал, поскольку они "младше". Более того, ГСК пуповинной крови не нуждаются в жесткой типизации антигенов, а частота отторжения после трансплантации значительно меньше по сравнению с ГСК костного мозга.

Мезенхимальные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) – 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 в качестве адгезивных клеток фибробластовидной морфологии с клоногенным потенциалом и мультипотентным потенциалом к ​​дифференциации (превращению). Позже стало ясно, что почти все ткани и органы содержат клетки, подобные МСК. В литературе можно встретить различную терминологию, обозначающую МСК – это мезенхимальные стромальные клетки или мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки.
Наиболее оптимальными источниками для выделения и наращивания МСК с последующим использованием в целях регенеративной медицины, учитывая избегание ряда нравственных проблем и достаточное количество материала, необходимого для выделения МСК, являются костный мозг, жировая ткань, пуповина и плацента.
Широкий спектр терапевтического потенциала МСК можно объяснить их биологическими свойствами:
● пролиферативная активность – МСК быстро размножаются in vitro, что позволяет биотехнологам масштабировать эти клетки до необходимого количества для терапевтического использования;
● мультипотентность – способность давать начало нескольким типам клеток под влиянием заданных стимулов и, таким образом, замещать поврежденные клетки организма;
● трофическая функция – секреция многочисленных факторов роста, которые защищают клетки от гибели и стимулируют резидентные стволовые клетки восстанавливать поврежденные органы и ткани;
● хоуминг/миграция – способность МСК находить собственные природные ниши или поврежденные ткани после системного введения в организм благодаря экспрессии уникального набора молекул на своей поверхности, включая молекулы адгезии, рецепторы хемокинов, металлопротеиназ и др.;
● иммуномодулирующая функция – МСК способны влиять на клетки иммунной системы, подавляя провоспалительные и активируя антивоспалительные процессы.

Стволовые клетки-производные нервного гребня

Нейронный гребень – это временная структура при эмбриональном развитии позвоночных, которая представлена популяцией клеток с уникальными миграционными свойствами и способностью к дифференцированию. Эмбриональные клетки нервного гребня проходят процесс, который называется эпителиально-мезенхимальным переходом. Это предусматривает отслоение и миграцию клеток в несколько различных областей эмбриона, где они порождают многочисленные типы клеток и тканей, включая костную, хрящевую ткань, гладкую мускулатуру и соединительную ткань черепа, нейроны и глиальные клетки периферической нервной системы, меланоциты.
Многочисленные исследования показали, что стволовые клетки нервного гребня (СК-ПНГ) идентифицированы не только во время эмбрионального развития, но и в зрелом возрасте. У человека стволовые клетки со свойствами нервного гребня хранятся в волосяном фолликуле, дерме кожи, жировой ткани, костном мозге, небе, слизистой носа, зубной пульпе и т.д.
СК-ПНГ человека, выделенные из разных тканевых источников, характеризуются следующими биологическими свойствами:
● высокий уровень пролиферации;● высокий миграционный потенциал;● способность к самовосстановлению;● экспрессия уникального набора сигнальных молекул;● богатый спектр белков, секретируемых клетками-производными нервного гребня;● способность давать начало не только адипоцитам, хондроцитам, остеоцитам, но и клеткам мышц, меланоцитам, нейронам, клеткам глии и др.;● клеточная пластичность позволяет СК-ПНГ правильно, структурно и функционально интегрироваться в поврежденный орган или ткань реципиента после трансплантации;● не образуют опухолей in vivo.
Все упомянутые выше биологические свойства СК-ПНГ вместе с несколькими доступными источниками для их выделения во взрослом организме делают эти клетки привлекательными кандидатами для задач регенеративной медицины, особенно в области неврологии.

Выращивание стволовых клеток

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, то есть в культуральной среде (которая оптимизирована 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. Один раунд пересадки 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. Для того, чтобы из стволовых клеток получить культуры специализированных клеток (например, нейроны, клетки хряща, костной ткани) биотехнологи 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.

Значение стволовых клеток для науки и медицины

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». Какое же значение имеют стволовые клетки вне организма?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 – инновационное направление в медицине с использованием стволовых клеток в качестве терапевтических агентов. Стволовые клетки восстанавливают поврежденные ткани благодаря клеточной регенерации, секреции ряда соединений, факторам роста, цитокинам и т.п., а также регуляции микроокружения.3. Исходные материалы для 3D-печати и 3D-плетения – использование стволовых клеток в программах 3D-печати, включая 3D-печать тканей/органов, которые засеяны живыми клетками.4. Валидация целевого препарата – валидация нового препарата, который должен быть эффективным при лечении определенного заболевания, на специализированных дифференцированных клетках, которые были получены 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.

Как работают стволовые клетки?

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, которые регулируют поведение окружающих клеток в месте повреждения, стимулируя их к пролиферации, дифференциации, защищая от гибели и корректируя ответ иммунной системы.
При клеточной терапии стволовые клетки вводят системно (внутривенно) или локально (непосредственно в место повреждения). Если по последним вопросов не возникает, то первый вариант остается непонятным, как стволовая клетки знает, где место повреждения? Следует помнить, что стволовые клетки – это не микроскопические голые шарики, на их поверхности содержится тысячи разнообразных молекул (рецепторов), это как молекулярные органы чувств, именно благодаря им они и воспринимают окружение, в которое попадают, и решают куда идти. Способность отыскивать место повреждения – это природная 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 цитокинов, которые выделяются из поврежденной ткани. На месте повреждения стволовая клетка также продолжает сканировать ситуацию через свои рецепторы, которые взаимодействуют с рядом факторов и принимает наконец решение, достаточно ли в данной ситуации превратиться в клетку кожи, или необходимо привлечь союзников для борьбы.