Характеристика и значение видов стволовых клеток таблица. Стволовые клетки: что это такое. Чем уникальны стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки

Первая в мире трансплантация гемопоэтических клеток пуповинной крови была проведена Элиан Глюкман в 1988 году в клинике Святого Людвига в Париже ребенку с анемией Фанкони. В настоящее время (2003 год) в мире проведено уже более 1000 таких пересадок больным с самыми различными заболеваниями опухолевой (лейкозы, лимфомы) неопухолевой (врожденные иммунодефициты, анемии, болезни, связанные с нарушением обмена веществ) природы.

Кроме того, показано, что родственные трансплантации дают больший процент успешных терапевтических результатов (63%) , чем неродственные (до 29%). К сожалению, пока нет данных о трансплантации собственных ГКПК, поскольку банки ПК - новое начинание. Но имеющиеся на сегодняшний день данные свидетельствуют однозначно в пользу создания таких банков, поскольку очевидно, что пересадка собственных ГКПК больному реципиенту должна давать очень высокий, если не 100%-ный результат.

Стромальные клетки костного мозга

О возможностях использования других видов стволовых клеток можно рассказать на примере стромальных клеток, находящихся в костном мозге. Большая часть стволовых клеток взрослого организма находится в костном мозге. Как известно, костный мозг, прежде всего, - плацдарм кроветворения. Он состоит из двух видов стволовых клеток: тех, из которых получается все известное многообразие клеток крови (так называемые гемопоэтические стволовые клетки), и стромальных стволовых клеток, о которых и пойдет речь.

По сравнению с гемопоэтическими, стромальных стволовых клеток в костном мозге совсем немного, и они представляют собой более сложные долгоживущие системы, которые обновляются достаточно редко. Пути превращения стромальных клеток только начинают изучать. Как показали последние исследования, стромальные клетки, так же как и предшественники клеток крови, постоянно циркулируют в кровотоке млекопитающих.

Стволовые клетки участвуют в восстановлении поврежденных тканей. Каким образом здоровый организм взрослого человека восстанавливает органы и ткани в случае их повреждения? Установлено, что в регенерации участвуют два вида стволовых клеток - специализированные тканевые и универсальные стромальные клетки костного мозга.

Неспроста мудрая природа наряду с "локальными депо" (тканевыми стволовыми клетками) создала и "центральный склад запчастей" (стромальные клетки костного мозга). Если тканевые стволовые клетки используются для восстановления поврежденных участков только в данном месте и для определенного вида ткани (костные - для костей, мышечные - для мышц и т. д.), то "запчасти центрального склада" - стромальные стволовые клетки костного мозга - универсальны. Они поступают с кровотоком в поврежденный орган или ткань и на месте под влиянием различных сигнальных веществ превращаются в нужные специализированные клетки, которые замещают погибшие.

Стромальные стволовые клетки костного мозга способны превращаться во многие другие клетки организма. Еще в 60-е годы Фриденштейн и его коллеги в экспериментах на животных клетках показали, что стромальные клетки способны превращаться в хрящевые (хондроциты), в жировые (адипоциты) и костные (остеобласты) клетки. Причем способность к таким превращениям у них сохраняется и при выращивании колонии из одной единственной стромальной клетки. То есть принципиально возможно вырастить большое количество стромальных клеток, а затем с помощью специальных сигнальных веществ направить их "по нужному пути" - для восстановления поврежденных тканей.

В случае тяжелых повреждений организму своих собственных стромальных клеток не хватает. Ему можно помочь, вводя стромальные клетки извне. Итальянские ученые поставили простой опыт: методом облучения мышам полностью удалили костный мозг, затем ввели специально помеченные стромальные клетки. Через несколько дней животным дали препарат, от которого у них начали разрушаться мышцы передних ног. Через две недели после инъекции стромальных клеток мышечная ткань передних лапок у мышей частично восстановилась. Оказалось, что большая часть новых мышечных клеток образовалась из введенных стромальных. Видимо, стромальные клетки подходят к месту повреждения, где получают "химический сигнал" о том, в какие клетки им нужно превратиться, чтобы компенсировать потери организма. Более того, ученые сумели "заставить" стромальные клетки под действием специальных сигнальных веществ превращаться в клетки гладких мышц прямо "в пробирке".

Японские ученые получили из стромальных клеток костного мозга мышей клетки сердечной мышцы Оказалось, что введение стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы (зону инфаркта) практически полностью устраняет явления послеинфарктной сердечной недостаточности у экспериментальных животных. Так, стромальные клетки, введенные свиньям-"инфарктникам", уже через восемь недель полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая ее функции практически полностью.

Результаты такого лечения инфаркта у животных просто поразительны. По данным American Heart Association (Американского кардиологического общества) за 2000 год, у крыс с искусственно вызванным инфарктом 90% стромальных клеток костного мозга, введенных в область сердца, полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы.

Такая клеточная терапия для восстановления повреждений сердечной мышцы после инфаркта весьма перспективна, потому что для нее используются собственные стволовые стромальные клетки организма. А они не отторгаются, кроме того, при введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность их злокачественного перерождения.

И уж совсем невероятная метаморфоза - стромальные клетки могут настолько "забыть" о своем костномозговом происхождении, что под влиянием определенных факторов превращаются даже в нервные клетки (нейроны). Через две недели после добавления специального сигнального вещества в культуру стромальных клеток они уже на 80% состоят из нейронов! Это пока лишь "пробирочное" достижение, но оно вселяет надежду на излечение больных с тяжелыми поражениями спинного и головного мозга. Тем более, что (как показали многие исследователи) при введении собственных стромальных клеток костного мозга в спинномозговой канал человека они равномерно распределяются по всем отделам головного мозга, не нарушая его структуры.

Чрезвычайно важный эксперимент провели американские исследователи. У мышей искусственным образом вызывали инсульт, после чего вводили им собственные стромальные клетки в спинномозговой канал. В 100% случаев у мышей происходило частичное восстановление двигательной активности конечностей. Результат многообещающий, поэтому неудивительно, что система Национальных Институтов Здоровья США выделила на разработку проблемы превращения стромальных клеток в нейроны огромные средства. Инсульт - болезнь распространенная и пока неизлечимая.

Стромальные клетки превращаются и в печеночные. Установлено, что при повреждении печени новые печеночные клетки (гепатоциты) и их предшественники формируются в основном из донорских стромальных клеток костного мозга.

Стромальные клетки в клинической практике - это уже реальностьВ терапевтическом применении стромальных клеток сегодня, без сомнения, лидирует ортопедия. Дело в том, что в руках у медиков имеются уникальные вещества: особые белки, вызывающие перерождение стромальных клеток в клетки костной ткани (остеобласты). Результаты клинических испытаний впечатляют. В США 91-летней пациентке с незаживающим в течение 13 лет переломом вживили специальную коллагеновую пластинку с нанесенными на нее этими белками. При этом поступающие в зону перелома стромальные клетки "притягивались" к пластинке и под действием этих же белков начинали превращаться в клетки костной ткани. Через восемь месяцев после установки пластинки сломанная кость у больной практически восстановилась.

Интересный эксперимент с использованием тканевых стволовых клеток провели американские исследователи. Они вырастили стволовые клетки мышечной ткани (миобласты) из бедренных мышц 72-летнего пациента-инфарктника. Затем эти клетки ввели ему непосредственно в зону инфаркта, после чего у больного было отмечено значительное улучшение сократительной способности сердца.

Источники стромальных гемопоэтических клеток для восстановительной терапии

Итак, в здоровом организме реально существует универсальный механизм залечивания повреждений с использованием внутреннего клеточного резерва - стромальных клеток костного мозга. После залечивания обширных повреждений костный мозг "пустеет", да и с возрастом запас стромальных клеток значительно уменьшается.

Как же осуществлять восстановление поврежденных клеток на практике? Откуда же взять собственные стволовые стромальные клетки костного мозга? Ведь когда с человеком уже что-то случилось - например, сломал ногу или пережил инфаркт, - уже поздно отбирать костный мозг и выращивать из него культуру стромальных клеток для последующего введения в пораженный участок. А убедить человека сдать образец костного мозга для того, чтобы получить из него культуру стромальных клеток на "всякий случай", довольно трудно. Лимитирующий фактор в лечении стромальными клетками - время. Когда случился инфаркт, свои или совместимые с организмом клетки нужны немедленно и в большом количестве.

Нужно ли создавать индивидуальные или донорские банки стромальных клеток для восстановительной медицины будущего? Без сомнения. В принципе, доноров найти нетрудно. Есть еще другая проблема. Когда мы рождаемся, у нас в костном мозге на 10 тысяч стволовых кроветворных клеток приходится одна стромальная клетка. У подростков стромальных клеток уже в 10 раз меньше. К 50-ти годам на полмиллиона стволовых - одна стромальная клетка, а в 70 лет отбирать пробу костного мозга просто бессмысленно - там всего лишь одна стромальная клетка на миллион стволовых. То есть сдавать костный мозг имеет смысл только в молодом возрасте, старикам придется использовать чужие культуры стромальных клеток. Причем донорские стромальные клетки удобнее всего получать прямо при рождении из пуповины и плаценты, где они тоже содержатся в достаточном количестве.

Использование эмбриональных стволовых клеток

Исследования в области эмбриональных стволовых клеток во многих странах сейчас ограничены. Одна из причин в том, что введение эмбриональных клеток пациенту, к сожалению, может заканчивается возникновением злокачественной опухоли. Другая причина - этическая. Основной источник эмбриональных клеток – эмбриональный материал. Католическая церковь, религиозные общины, различные общественные организации - все, кто борется за запрещение абортов, оказывают колоссальное давление на правительства и президентов, призывая вместе с абортами запретить и лечение с применением эмбриональных стволовых клеток. Этические проблемы сослужили плохую службу изучению эмбриональных клеток, но вместе с тем привлекли новые научные силы к исследованиям в области стволовых клеток взрослого организма.

В Израиле эксперименты со стволовыми клетками разрешены официально, поэтому лечение стволовыми клетками широкого спектра заболеваний - полностью законная операция, выполняемая в нескольких медицинских центрах, один из них - Топ Ихилов, совместно с CTCI, руководимый до настоящего времени профессором Славиным. По всем вопросам вы можете обращаться к нам, в том числе о прохождении практики или совместой работы.

Недифференцированные стволовые клетки, которые активно используются в медицине, представляют собой основу для развития клеток мозга, крови или любого другого органа. В современной фармакологии и косметологии этот биологический материал является ценным лекарством. Специалисты научились самостоятельно выращивать его для разных нужд: например, брать материал пуповинной крови, который широко применяют для восстановления и укрепления иммунной системы.

Что такое стволовые клетки

Если объяснять понятным языком, то СТ (стволовые недифференцированные клетки) представляют собой «прародителей» обычных клеток, которых насчитывается сотни тысяч видов. Обычные клетки отвечают за наше здоровье, обеспечивают исправную работу жизненно необходимых систем, заставляют наше сердце биться и работать мозг, они ответственны за пищеварение, красоту кожи и волос.

Где находятся стволовые клетки

Невзирая на внушительную цифру в 50 миллиардов штук, такой ценный материал у взрослого человека имеется в очень малых количествах. В основной массе клетки содержатся в костном мозге (мезенхимальные клетки и стромальные клетки) и подкожном жире, остальные равномерно распределены по всему телу.

По-другому сформирован эмбрион. Миллиарды стволовых клеток образуются после деления зиготы, которая является результатом слияния мужской и женской гамет. Зигота хранит в себе не только генетическую информацию, но и план последовательного развития. Однако в процессе эмбриогенеза ее единственной функцией является деление. Других задач, помимо передачи генетической памяти следующему поколению, нет. Клетки деления зиготы и являются стволовыми, точнее, эмбриональными.

Свойства

Взрослые клетки находятся в состоянии покоя, пока какая-либо из регулирующих систем не подаст сигнал об опасности. СТ активируются и по кровотоку добираются до пораженного места, где, считывая информацию с «соседок», превращаются в костные, печеночные, мышечные, нервные и другие составляющие, стимулируя внутренние резервы организма к восстановлению тканей.

Количество чудо-материала с возрастом уменьшается, притом начало сокращения приходится на совсем юный возраст – 20 лет. К 70 годам клеток остается очень мало, этот мизерный остаток поддерживает функционирование систем жизнеобеспечения организма. Помимо этого, «постаревшие» СТ частично теряют свою универсальность, они уже не могут перевоплощаться в любой тип ткани. Например, исчезает возможность превращения в нервные и кровяные составляющие.

По причине недостачи гемопоэтических составляющих, отвечающих за кровообразование, человек на старости лет покрывается морщинами и иссыхает из-за того, что кожа уже не получает достаточного питания. Эмбриональный материал самый способный в деле перевоплощения, значит, самый ценный. Такие СТ могут переродиться в любой вид ткани в организме, быстро восстановить иммунитет, стимулировать орган к регенерации.

Разновидности

Может показаться, что разновидностей стволовых клеток только две: эмбриональные и клетки, находящиеся в организме родившегося человека. Но это не так. Их классифицируют по полипотентности (способности перевоплощаться в другие виды тканей):

тотипотентные клетки;
плюрипотентные;
мультипотентные.

Благодаря последнему виду, как можно понять по названию, можно получить любые ткани в организме человека. Это не единственная классификация. Следующее различие будет заключаться в способе получения:

эмбриональные;
фетальные;
постнатальные.

Эмбриональные СТ берутся у эмбрионов, которым несколько дней. Фетальные клетки – это биологический материал, собранный из тканей эмбрионов после абортов. Их потентность по сравнению с трехдневными эмбрионами несколько ниже. Постнатальный вид – это биоматериал рожденного человека, добываемый, например, из пуповинной крови.

Выращивание стволовых клеток

Изучая свойства эмбриональных стволовых клеток, ученые пришли к выводу, что это материал, идеальный для трансплантации, так как им можно заменить любые ткани в организме человека. Эмбриональные составляющие получают из неиспользованной ткани эмбрионов, которых изначально выращивают для искусственного оплодотворения. Однако использование эмбрионов вызывает этические возражения, в результате ученые открыли новый тип стволовых клеток – индуцированные плюрипотентные.

Индуцированные плюрипотентные клетки (iPS) сняли этические проблемы без потери уникальных свойств, которыми обладают эмбриональные. Материалом для их выращивания служат не эмбрионы, а зрелые дифференцированные клетки пациента, которые извлекают из организма, а после проведения работ в специальной питательной среде, возвращают обратно, но уже с обновленными качествами.

Применение

Применение СТ очень широко. Определить области, где они употребляются, тяжело. Большинство ученых заявляет, что за лечением донорским биоматериалом будущее, однако дополнительные исследования следует продолжать проводить. На данный момент такие работы в большинстве своем успешные, они положительно отразились на лечении многих заболеваний. Взять, например, помощь в лечении рака, первые этапы которой уже дали надежду на выздоровление многим больным.

В медицине

Медицина не случайно возлагает огромные надежды на микротехнологии. Уже 20 лет врачи со всего мира используют мезенхимальные клетки костного мозга для лечения серьезных заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей. Донором такого материала с набором антиген может стать близкий родственник больного, у которого подходящая группа крови. Ученые проводят и другие исследования в области лечения таких заболеваний, как цирроз печени, гепатит, патологии почек, диабет, инфаркт миокарда, артроз суставов, аутоиммунные болезни.

Лечение стволовыми клетками различных заболеваний

Спектр использования в лечении поражает. Из СТ делают многие лекарства, но особым преимуществом пользуются трансплантации. Не все пересадки заканчиваются хорошо из-за индивидуального отторжения материала, но лечение в большинстве случаев успешно. Оно используется против таких недугов:

острый лейкоз (острый лимфобластный, острый миелобластный, острый недифференцированный и другие виды острого лейкоза);
хронические лейкозы (хронический миелоидный, хронический лимфоцитарный и другие типы хронического лейкоза);
патологии пролиферации миелоидного ростка (острый миелофиброз, истинная полицитемия, идиопатический миелофиброз и другие);
фагоцитарные дисфункции;
наследственные нарушения метаболизма (болезнь Гарлера, болезнь Крабе, метахромная лейкодистрофия и другие);
наследственные расстройства работы иммунной системы (дефицит адгезии лимфоцитов, болезнь Костманна и другие);
лимфопролиферативные расстройства (лимфогранулематоз, неходжкинская лимфома);
другие наследственные расстройства.

В косметологии

Методы использования стволовых клеток нашли свое применение в сфере красоты. Косметологические фирмы все больше выпускают средств с такой биологической составляющей, которая может быть, как животной, так и человеческой. В составе косметики ее маркируют как Stem Cells. Ей приписывают чудодейственные свойства: омолаживание, отбеливание, регенерация, восстановление упругости и эластичности. Некоторые салоны даже предлагают инъекции стволовых клеток, однако введение препарата под кожу будет дорогостоящим.

Выбирая то или иное средство, не ведитесь на «удочку» красивых высказываний. Данный биоматериал не имеет никакого отношения к антиоксидантам, да и провести омоложение на десяток лет за одну неделю не получится. Учтите, что такие крема и сыворотки не будут стоить копейки, ведь получение стволовых клеток - это процесс непростой и трудоемкий. Например, японские ученые пытаются заставить улиток выделять больше слизи с содержанием заветного материала в лабораториях. Вскоре эта слизь станет основой новой косметики.

Видео: Стволовая клетка

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 ведет свое происхождение от зародышевого листка мезинхимы. Стромальные стволовые клетки содержатся в строме костного мозга. Существуют еще тканевые стволовые клетки, содержащиеся в различных тканях.

Эмбриональные стволовые клетки

Изучение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) началось в 1963 году, первоначально с использованием дезагрегированных эмбрионов кроликов и мышей. Их дифференцировка in vitro была довольно ограниченной и обычно сводилась к образованию трофектодермных клеток, которые прикреплялись к пластику. Клетки кроличьей морулы и бластомеры прилипали более быстро, трофектодерма образовывала слой клеток, которые покрывались стволовыми клетками из внутренней части клеточной массы. Культуры бластомеров на покрытой коллагеном поверхности образовывали разнообразные клетки, включая нервные, клетки крови, нервные, фагоциты и многие другие типы клеток. Когда внутренняя клеточная масса была освобождена и культивировалась интактной или в виде клеточных дезагрегантов, были установлены линии ЭСК, которые обладали хорошими уровнями дезагрегации и большой стабильностью в секреции энзимов, морфологии и полнотой хромосом. Способности к развитию единичной мышиной эмбриональной клетки измерялись с помощью инъекции одной или более в бластоцисту реципиента, и степень колонизации в образовавшихся химерах являлась мерой их плюрипотентности. У мышей клеточные разрастания назвали эмбриональными телами, которые давали разрастания, сходные с таковыми у кроликов. Входящие в их состав клетки широко дифференцировались, в зависимости от подверженности их влиянию различных цитокинов или субстратов. Были установлены маркеры для дифференциации или плюрипотентности, что выявило, как нервные, кардиальные, гематологические и другие линии ЭСК могут быть определены in vitro. Это оказалось полезным в изучении ранней дифференцировки и использовании эти клеток при пересадке больным пациентам. Демонстрирующие сходные свойства человеческие ЭСК “всплыли” в конце 1990-ых. Модели для клинического использования ЭСК показали, как они быстро двигаются к тканям - мишеням по эмбриональным путям, дифференцируются и колонизируют орган - мишень. Никаких признаков воспаления или повреждения тканей не было обнаружено; поврежденные ткани могли быть восстановлены, включая ремиелинацию, и не образовывалось никаких опухолей. Эмбриональные стволовые клетки имеют широкий терапевтический потенциал для человека, хотя обширные клинические исследования все еще ждут своего выполнения.

Современное развитие исследований стволовых клеток указывает на огромный потенциал их, как источника тканей для регенеративных терапий. Успех этих приложений будет зависеть от точных свойств и потенциалов стволовых клеток, изолированных либо из эмбриональных, либо из взрослых тканей. ЭСК, выделенные из внутренней массы ранних мышиных эмбрионов, характеризуются почти неограниченной пролиферацией и способностью дифференцироваться в дериваты по существу всех линий. Недавние изоляции и культивирование человеческих ЭСК представило новые возможности для реконструктивной медицины. Последние исследования показали также неожиданно высокий потенциал развития взрослых тканеспецифичных стволовых клеток.

Имея в виду все время увеличивающуюся потребность в человеческих стволовых клетках для трансплантации, было проведено исследование in vitro и in vivo человеческих эмбриональных клеток из костного мозга/ прогениторных клеток, полученных в результате прерывания беременности 16-20 недель. При использовании приматов, как модели, было показано, что эмбриональные ткани имеют определенные свойства, которые являются оптимальными для трансплантации. Было проведено тестирование и сравнение фенотипических и функциональных характеристики эмбрионального костного мозга, взрослого костного мозга, пуповинной крови и периферической крови – источников наиболее примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток. Проделанные наблюдения указывают, что каждый источник гематопоэтических стволовых клеток имеет различные внутренние свойства, тесно коррелирующие с онтогенетическим возрастом, который является ведущий детерминантой для фенотипических характеристик, определения линии дифференцировки, иммуногенности, как и пролиферативного потенциала. Эти данные ясно показывают, что ЭМК являются лучшим источником стволовых клеток для трансплантации и терапевтической реконституции из-за очень высокой пролиферативной способности, низкой иммуногенности и наиболее высокого числа примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток.

Эмбриональные ткани являются богатейшим источником изначальных стволовых клеток и имеют несколько свойств, которые делают их особенно полезными при пересадке. Они являются превосходящими взрослые (зрелые) ткани в определенных отношениях. Первое, эмбриональные клетки способны пролиферировать быстрее и более часто, чем зрелые, полностью дифференцированные клетки. Это означает, что эти донорские клетки способны быстро восстанавливать потерянную функцию хозяина. Дополнительно, эти эмбриональные клетки могут дифференцироваться в ответ на сигналы окружающей их среды. Из-за их локализации они могут расти, удлиняться, мигрировать и устанавливать функциональные связи с другими клетками вокруг них в организме хозяина. Было обнаружено, что эти эмбриональные ткани не так легко отторгаются реципиентом из-за низкого уровня антигенов гистосовместимости в эмбриональных тканях. В то же время в них имеются ангиогенные и трофические факторы в высоких концентрациях, что увеличивает их способность расти при трансплантации. Поскольку в ранних эмбриональных гематопоэтических тканях отсутствуют лимфоциты, реакции трансплантант против хозяина минимизированы. Эмбриональные клетки имеют тенденции переживать иссечение, рассечение и пересадку лучше, поскольку у них обычно нет длинных удлинений или прочных межклеточных соединений. В заключение, эмбриональные ткани могут выживать при более низком содержании кислорода, чем зрелые клетки. Это делает их более устойчивыми к ишемическим условиям, имеющим место при трансплантации или в ситуациях in vitro. Исследования на эмбриональных клетках/тканях были вдохновляющими. Эмбриональные ткани могут быть использованы по различным показаниям, например, транслантанты эмбриональной печени быть использованы для борьбы с апластической анемией, кровь пуповины может служить альтернативой трасфузии цельной крови взрослых, эмбриональный трансплантант надпочечников был испытан для борьбы с хронической болью при артритах, эмбриональный трансплантант тимуса использовался для лечения различных иммунодефицитных состояний. Трансплантант из мозговой эмбриональной ткани был пересажен в гетеротопное положение, и наблюдалась пролиферация ткани. Нейротрансплантация эмбриональных тканей при паркинсонизме показала позитивные результаты в нескольких глобальных исследованиях. Существуют потенциальные возможности использования эмбриональных тканей в биоинженерии.

Таким образом, эмбриональные стволовые клетки обладают большей способностью к пролиферации и большей пластичностью (способностью к более разнообразной дифференцировке), чем взрослые стволовые клетки, а так же низкой иммуногенностью.

Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) определяются по их способности давать все гемопоэтические линии in vivo и поддерживать образование этих клеток в течение всей жизни человека. В отсутствие надежных прямых маркеров ГСК, их идентификация и подсчет зависят от функциональных и мультилинейных исследований репопуляции in vivo. Необыкновенно низкая встречаемость ГСК в любой ткани и отсутствие специфического ГСК фенотипа сделали их очистку и характеристику весьма трудной задачей. ГСК и примитивные гемопоэтические клетки могут быть отличимы от зрелых клеток крови по отсутствию у них линия - специфичных маркеров и присутствию некоторых других поверхностных антигенов, таких, как CD133 (для человеческих клеток) и c-kit и Sca-1 (у мышиных клеток). Функциональный анализ субпопуляций примитивных гемопоэтических клеток привел к созданию нескольких процедур для изоляции клеточных популяций, которые сильно обогащены клетками, проявляющими активность стволовых клеток in vivo. Упрощенные методы для получения этих клеток с высоким выходом были важны для практического использовании таких наработок.

ГСК широко использовались для ауто и алло трансплантаций в течение десятилетий, хотя мало было известно об их миграции, выживании, самообновлении и дифференциации. До недавнего времени стволовые клетки в костном мозге считали специфичными для гемопоэза. Эксперименты, включающие клинические испытания, показали образование различных тканей, например, мускульных, нервных клеток и гепатоцитов, после трансплантации медуллярных клеток и опровергнули эту догму. Фактически, доказательства такой трасдифференцировки ГСК все еще отсутствуют, и данные могут быть получены при изучении дифференцировки других мультипотентных клеток, присутствующих в костном мозге, таких, как мезенхимальные стволовые клетки и более примитивные мультипотентные взрослые зародышевые клетки и клетки побочной популяции.

Было показано, что стволовые клетки из различных тканей способны дифференцироваться в клетки, характерные для отдельных тканей, по-видимому, в ответ на сигналы микроокружения. Это иерархическая пластичность. Показано, что как человеческие, так и мышиные клетки из нейросферы, имеющие потенциал дифференцироваться в нейроны, олигодендритные клетки и астроциты, продуцировали гемопоэтические стволовые клетки при пересадке в 3,5 дневные бластомеры овцы или мыши. Имеются другие свойства гемопоэтической стволовой клетки, которые заставляют предположить, что это высокопластичная клетка обладает способностью быстро изменять свой мембранный фенотип и проявляет необычную направленную подвижность. Следовательно, пластичность, вызванная фазами клеточного цикла, должна быть рассматриваема, как важнейшая дополнительная черта фенотипа гемопоэтических стволовых клеток.

Нормальный устойчивый гемопоэз происходит в микроокружении костного мозга. Растворимые факторы, также как контактные взаимодействия между гемопоэтическими клетками и микроокружением костного мозга, диктуют судьбу гемопоэтических клеток и прогениторных клеток. В последние десять лет стало ясно, что клетка-клетка и клетка - экстраклеточный матрикс взаимодействия через рецепторы адгезии играют главную роль в гемопоэтическом процессе. Они необходимы для резиденции стволовых клеток, так же, как и для хоуминга стволовых клеток и прогениторных клеток в костном мозге в месте поселения клеток трансплантанта стволовых клеток. Более того, рецепторы адгезии играют важную роль в регуляции поведения клеток, либо через прямую активацию сигнальных путей, важных для выживания клеток, клеточного роста и судьбы клеток или модулировании ответов на факторы роста. Понимание механизмов ненормальностей, видимых в этих взаимодействиях при болезнях гемопоэтической системы, поможет развить лучшие терапевтические стратегии, основанные на патогенезе этих болезней.

ГСК являются привлекательной мишенью для генной терапии генетических болезней иммунной и гемопоэтической систем, и для лекарство – резистентных стратегий, в которых гены, ответственные за резистентность к различным хемотерапевтическим агентам, преобразовываются. Стволовые клетки относительно легко получить пункцией костного мозга.

Поддержание зрелых клеток крови требует присутствия гемопоэтических стволовых клеток, характеристиками которых являются способность к самообновлению и образование дифференцированного потомства.

Таким образом, гемопоэтические стволовые клетки способны образовывать не только клетки крови, но и другие типы клеток. В настоящее время создаются способы увеличивающие выход ГСК из костного мозга. ГСК являются важнейшим источником получения собственных стволовых клеток.

Мезенхимальные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) были изолированы из костного мозга, надкостницы, трабекулярной кости, жировой ткани, синовиальной оболочки, скелетной мускулатуры и молочных зубов. Эти клетки обладают способностью дифференцироваться в клетки соединительной ткани, включая кость, жир, хрящ и мускулатуру. Много было выяснено в последние годы об изоляции и характеристиках МСК и о контроле над их дифференцировкой. Эти клетки вызвали большой интерес из-за перспектив их использования в регенеративной медицине и тканевой инженерии. Существуют драматические примеры, взятые из преклинического и клинического использования МСК, которые иллюстрируют их терапевтическую ценность. По мере того, как развивались новые методы, выявлено несколько аспектов взаимодействий имплантированных клеток с хозяином. Они должны быть рассмотрены перед тем, как понять лежащие в их основе механизмы. Взаимодействия м\имплантированных клеток с хозяином включают иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки, механизмы хоуминга, которые направляют клетки к месту повреждения, и дифференциация in vivo имплантированных клеток под влиянием локальных сигналов.

Популяции стволовых клеток найдены в большинстве взрослых тканей и в обшем их дифференцирочный потенциал может отражать локальные клеточные популяции. Были описаны гемопоэтические, эпидермальные, мезенхимальные, невральные и гепато - стволовые клетки были. Возможно, что во взрослом организме эти клетки являются резервуаром репаративных клеток, которые мобилизуются повреждением и мигрируют в рану, где в кооперации с локальными клетками участвуют в репаративном ответе. Мезенхимальные стволовые клетки, изолированные из костного мозга, имеют способность дифференцироваться в клетки соединительной ткани. Некоторые разительные примеры терапевтического использования МСК были недавно описаны для таких случакв, как коронарная болезнь артерий, повреждение спинного мозга, болезнь Паркинсона и регенерация печени. В ортопедической медицине МСК применялись для восстановления костей и хряща и при лечении остеоартрита. Вопрос о реакции хозяина на имплантированные МСК становится критическим по мере развития клинических приложений. Есть несколько аспектов взаимодействий имплантированных стволовых клеток с хозяином, которые нужно рассмотреть для понимания механизмов, лежащих в основе терапии стволовыми клетками. Это иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки, механизмы хоуминга, которые направляют клетки к месту повреждения, дифференциация имплантированных клеток под влиянием локальных сигналов.

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) являются предшественниками всех клеток соединительной ткани. МСК были изолированы из костного мозга и других тканей у взрослых множества видов позвоночных. Они размножались в культуре и диффренцировались в несколько ткань – образующих клеток, таких, как кость, хрящ, жир, мускулатура, сухожилие, печень, почки, сердце, даже клетки мозга. Последние достижения в практическом применении МСК при регенерации человеческого суставного мыщелока синовиального сустава являются примерами их функциональности и многосторонности.

Таким образом, мезенхимальные клетки при дифференцировке образуют различные клетки соединительной ткани.

Стромальные стволовые клетки

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.

Этот обзор посвящен стволовым клеткам костного мозга. Методы индентификации, культивирования, накопления клеточной массы и пересадки стволовых клеток описаны, включая выделение линий гемопоэтических и мезенхимальных линий стволовых клеток и детальный анализ, использующий многочисленные CD и другие маркеры для идентификации малых субпопуляций стволовых клеток. За секцией, посвященной стволовым клеткам крови пуповины, следует детальное обсуждение современной ситуации в клиническом использовании стволовых клеток, его последние неудачи, связанные с эпигенетическими факторами, различные подходы к открытию высокомультипотентных стволовых клеток костного мозга, и краткое описание эмбриологических подходов к идентификации базовых стволовых клеток костного мозга на самых ранних стадиях развития эмбрионов млекопитающих.

Костный мозг взрослых млекопитающих содержит не одну, а две отдельные популяции взрослых стволовых клеток. Первой и наиболее хорошо охарктеризованной является популяция гемопоэтических стволовых клеток, ответственная за поддержание продукции в течение всей жизни клеток крови. Биологические характеристики и свойства второй резидентной популяции стволовых клеток костного мозга, называемых стромальными клетками костного мозга или мезенхимальными стволовыми клетками, значительно менее понятны. In vitro культуры, произошедшие из суспензии разделенного на отдельные клетки костного мозга различных видов млекопитающих, образуют колонии стромальных клеток костного мозга, каждая из которых происходит от одной клетки – предшественника, называемой колониеобразующий фибробласт. Были разработаны условия культивирования для выращивания стромальных клеток костного мозга in vitro, которые сохраняли способность дифференцироваться в кость, жир и хрящ. Значительная доля современных знаний об этой популяции клеток базируется на анализе свойств этих культур клеток, а не на свойствах первичных инициирующих рост колонии клеток. Современные данные заставляют предположить, что стромальные прогениторы в костном мозге in situ ассоциированы с внешней поверхностью сосудов и могут делить идентичность с сосудистыми перицитами.

Таким образом, стромальные стволовые клетки костного мозга являются одним из видов мезенхимальных стволовых клеток.

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.

Предмет и задачи биологии стволовой клетки. Основные свойства и классификация стволовых клеток

классификация стволовых

Происхождение термина «стволовая клетка» и история

открытия типов стволовых клеток

В общепринятом понимании термин «стволовая клетка» обозначает клетку, обладающую способностью к самовоспроизведению (самообновлению) и дающую начало дифференцированным потомкам.

Благодаря обнаружению стволовых клеток расширились возможности в области изучения механизмов, которые регулируют эмбриональное развитие, клеточную дифференцировку и сохранение целостности органов и тканей, т.е. гомеостаз. Помимо этого, учитывая уникальные свойства стволовых клеток, а именно, их способность к пролиферации, направленной

дифференцировке, разработка новых терапевтических подходов, основанных на клеточных технологиях, открывает широкие горизонты в различных областях медицины. В связи с таким повышенным интересом современных ученых и клиницистов к проблематике, связанной с изучением и практическим применением стволовых клеток, немаловажным является рассмотрение стволовых клеток в их историческом контексте.

Впервые термин «стволовая клетка» появился в научной литературе еще в 1868 г. в работе выдающегося немецкого зоолога и эволюциониста Эрнста Геккеля (1834-1919 гг.). Геккель использовал термин «Stammzelle» (oti нем. - «стволовая клетка») для описания L общего предка, некоего одноклеточного I организма, от которого, по его мнению, произошли все многоклеточные организмы. Позже, в 1877 г., перейдя от вопросов эволюции (филогенеза) к изучению проблем » эмбриологии (онтогенеза), Эрнст Геккель предложил назвать оплодотворенную яйцеклетку стволовой клеткой. Использование термина «стволовая клетка» для обозначения отдельной клетки в составе эмбриона, которая, способна давать начало множеству специализированных клеток, было введено несколько позже - в конце 19 века.

Опираясь на теорию «непрерывной зародышевой плазмы» Августа Вейсмана, предложенной в 1885 г., немецкий биолог Теодор Бовери (1862-1915), исследуя закономерности оогенеза и сперматогенеза, предложил называть «стволовыми клетками» все клетки зародышевой линии, начиная от оплодотворенной яйцеклетки и заканчивая предшественниками половых клеток.

Также в 1892 году при исследовании эмбриогенеза ракообразных семейства Cyclops Валентин Геккер идентифицировал крупную клетку, названную им «стволовой», которая подвергалась асимметричному делению, при этом одна из дочерних клеток этой стволовой предшественницы давала начало мезодерме, тогда как другая давала начало зародышевым (герминативным) клеткам. Таким образом, в этих ранних исследованиях термин «стволовая клетка» обозначает клетки, которые сейчас называют первичными половыми клетками (primordial germ cell), или зародышевыми (геримнативными) стволовыми клетками.

В 1896 г., Эдмунд Уилсон популяризировал термин «стволовая клетка» в своей книге "The Cell In Development and Inheritance" (Wilson, 1896). В свое время эта книга была очень популярна и имела огромное влияние на эмбриологов и генетиков конца 19 века, особенно в США. В связи с этим, во многих англоязычных источниках Эндмунд Уилсон упоминается, как автор термина «стволовая клетка». Тем не менее, Уилсон использовал термин «стволовая клетка» в том же значении, что Бовери и Геккер, то есть, обозначая этим термином неспециализированную материнскую клетку зародышевой линии.

Примерно в то же время велись активные исследования в области гемопоэза. Ученый мир раскололся на два лагеря. Часть ученых придерживалась дуалистической теории кроветворения, они предполагали, что клетки миелоидного и лимфоидного ряда происходят от различных предшественников, которые располагаются в различных гемопоэтических тканях, в костном мозге и лимфатических узлах/селезенке, соответственно.

Сторонники унитарной теории кроветворения предполагали существование одной единственной клетки, которая и является

родоначальницей всех клеток крови. В связи с этим, приверженцы унитарной теории кроветворения столкнулись с проблемой создания термина, который полностью бы отражал потенциал развития таких клеток.

В 1908 г. русский ученый Александр Максимов предложил называть такую материнскую гемопоэтическую клетку «стволовой клеткой».

Примерно в это же время термин «стволовая клетка» появился в работах Веры Данчакофф и Эрнста Нойманна, а также (1896) в работе Артура Паппенхайма. Все упомянутые исследователи использовали термин «стволовая клетка» для определения клеток-предшественников, способных к дифференцировке в зрелые клетки красной и белой крови. Уже ранние исследования в областях эмбриологии и гематологии выявили, что СК могут быть обнаружены в эмбрионе и в тканях взрослого организма.

В 1981 году американскому ученому Мартину Эвансу впервые удалось выделить недифференцированные плюрипотентные линии стволовых клеток из эмбриобласта (внутренней клеточной массы) бластоцисты мыши.

Первой успешной трансплантацией стволовых клеток, извлеченных из пуповинной крови, называют операцию, проведенную 5-ти летнему мальчику с анемией Фанкони в 1988 году. Без проведения операции по трансплантации стволовых клеток, изъятых из пуповинной крови, он имел нулевые шансы на выздоровление. После трансплантации он выздоровел, прошел необходимую реабилитацию и живет до сих пор.

В 1998 году Д. Томпсон и Д. Герхарт изолировали

бессмертную линию эмбриональных стволовых клеток, а в 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».

Существование гемопоэтических стволовых клеток (ГСК), являющихся родоначальниками всех кроветворных ростков, было подтверждено работами Джеймса Тилла, Эрнеста МакКаллока и других исследователей в 60-х гг. прошлого века. Дальнейшие исследования позволили обнаружить и охарактеризовать СК в других тканях взрослого организма, а также во внезародышевых тканях и органах новорожденного.

Таким образом, использование термина «стволовая клетка» началось во второй половине 19 века в контексте фундаментальных вопросов эмбриологии. Доказательства существования единой гемопоэтической стволовой клетки, достоверно полученные в 60-х годах прошлого столетия, сделали эти клетки прототипом всех стволовых клеток, а именно: клеток, способных к почти неограниченной пролиферации (самообновление) и способных давать специализированные клетки-потомки (дифференцировка).

Основные свойства и классификация стволовыхклеток

Классификация стволовых клеток по их способности к дифференциации:

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). Они варьируют по способности к дифференцировке от мульти- до унипотентных.

Классификация стволовых клеток по источнику их выделения:

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

2. Фетальные стволовые клетки - клетки зародыша на 9 - 12 неделе развития, выделенные из абортивного материала.

3. Стволовые клетки взрослого организма:

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

- Мезенхимные стволовые клетки мультипотентные региональные 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 слоев.

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

- Тканеспецифичные 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.

На сегодняшний день обнаружены следующие виды тканеспецифичных стволовых клеток:

Нейрональные стволовые клетки в головном мозге - дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум группам не нейрональных клеток астроцитам и олигодендроцитам.

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

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

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

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

Стромальные клетки спинного мозга (мезенхимальные стволовые клетки) дают начало разным типам клеток: костным клеткам (остеоцитам), хрящевым клеткам (хондроцитам), жировым клеткам (адипоцитам), а также другим типам клеток соединительной ткани.

Эпителиальные стволовые клетки пищеварительного тракта расположены в глубоких складках оболочек кишечника и могут давать начало разным типам клеток пищеварительного тракта.

Кроме того, в начале прошлого года американские ученые из университета в Северной Каролине сообщили, что после семилетних исследований ими разработана технология получения стволовых клеток из околоплодных вод, не нанося вреда зародышу.

Для Ск характерны следующие основные функции:

1. Возможность деления и самообновления. В отличие от мышечных клеток, клеток крови и нервных клеток, которые обычно не могут воспроизводить сами себя, стволовые клетки могут воспроизводить себя многократно -пролиферировать. Начальная популяция стволовых клеток, которая пролиферирует в течение многих месяцев, может дать миллион подобных клеток. Если эти стволовые клетки продолжают оставаться неспециализированным, говорят, что они обладают способностью длительного самообновления.

2. Стволовые клетки неспециализированны. Они не имеют специфичных структур, позволяющих выполнять специализированные функции. Например, стволовые клетки не могут перекачивать кровь по организму, как клетки миокарда сердца, не могут переносить в себе кислород как это делают эритроциты. Однако, неспециализированные стволовые клетки могут трансформироваться в специализированные клетки, включая клетки миокарда сердца, клетки крови или нервные клетки.

3. Стволовые клетки могут давать начало другим специализированным клеткам. Когда неспециализированные стволовые клетки дают начало специализированным клеткам, этот процесс называется дифференцировкой. В процессе дифференцировки клетки обычно проходят несколько этапов, при этом на каждом этапе они становятся более специализированными.

Ученые только начали понимать сигналы внутри и вне клеток, которые запускают каждый этап процесса дифференцировки. Внутренние сигналы контролируются генами клеток. Это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию и контролирующие развитие определённого признака или свойства. Внешние сигналы для клеточной дифференцировки - это химические вещества, секретируемые другими клетками, физический контакт с соседними клетками и некоторые молекулы в микросреде. Взаимодействие сигналов во время процесса дифференцировки приводит к тому, что клеточная ДНК приобретает эпигенетические отметки, которые ограничивают экспрессию ДНК в клетках.

4. СК способны к асимметричному делению, в результате которого образуется две дочерних клетки, одна их которых коммитирована к дифференцировке в специализированную(ые) клетку(и), а вторая сохраняет все признаки СК, что предохраняет пул СК от полного истощения. Коммитированная к дифференцировке клетка, формирующаяся в результате ассиметричного деления СК, зачастую называют транзитной амплифицирующейся клеткой - ТАК.

ТАК не способны к самообновлению, однако обладают значительным пролиферативным потенциалом. Фактически способность к самообновлению и продукции коммитированных к дифференцировке дочерних клеток за счет асимметричного деления является определяющим свойством СК любого происхождения.

5. Механизмы поддержания генетического гомеостаза в СК функционируют более эффективно в сравнении с дифференцированными соматическими клетками.

Основные направления и перспективы использования стволовых клеток в биологии и медицине.

СК являются наиболее подходящим объектом для исследований в фундаментальной биологии и в патологии клетки, в особенности при изучении механизмов клеточной дифференцировки и специализации в процессе онтогенеза, а также путей и механизмов клеточной и тканевой регенерации. Изучение и осмысление этих процессов поможет понять причины патологии развития, генетических дефектов и многих заболеваний, включая онкологические. Для широкомасштабного проведения подобного рода экспериментальных работ в первую очередь требуются доступные источники СК.

Особо значительные успехи практического применения СК уже достигнуты в трёх областях:

1) лечении ожогов и заживлении ран;

2) терапии острого инфаркта миокарда;

3) лечении онкологических больных.

Лечение ожогов и ран - создание искусственной кожи, выращенной методами тканевой инженерии. При трансплантации такой кожи обеспечивается уменьшение общей площади раневой поверхности и, как следствие - быстрое заживление ран, существенно снижается опасность развития осложнений. Эта методика применяется с 1989 года, выполнено более 600 трансплантаций культивированных аллофибробластов больным с обширными пограничными ожогами IIIA степени и длительно незаживающими остаточными ранами.

Лечение онкологических больных -ауто- и аплотрансплантация стволовых клеток костного, позволяет восстановить его кроветворную активность, которая частично утрачивается после применения интенсивной химио- и радиотерапии. Благодаря использованию трансплантации костного мозга в Белорусском Центре гематологии и трансплантологии удалось повысить выживаемость за 3-5 лет с 50% (без трансплантации) до 70-90% .

Терапия острого инфаркта миокарда - проводится с целью восстановления тканей сердца после инфаркта миокарда (ИМ), что достигается за счёт регенерации кардиомиоцитов и образования новых капилляров. По мнению многих исследователей, наилучшим потенциалом для восстановления функции сердца после инфаркта миокарда обладают СК костного мозга: их трансплантация индуцирует мио- и ангиогенез, улучшает гемодинамику.

В клеточной терапии инфаркта миокарда основными являются такие два метода:

1. Хирургический - непосредственная доставка СК к ткани миокарда (так в одной работе, посвященной клиническим результатам этого метода лечения ИМ говориться об использовании инъекции 1500000 аутологичных СК костного мозга в периинфарктную зону).

2. Терапевтический - создание в крови высокой концентрации С К, путём стимуляции костного мозга введением специфических ростовых факторов.

Весьма перспективным, также

представляется методов клеточной терапии в следующих областях медицины:

Неврология - лечение последствий травм головного и

спинного мозга, инсульта, коматозных состояний, нейродегенеративных заболеваний, болезней Паркинсона, Альцгеймера и др.;

Эндокринология - лечение инсулинзависимого диабета;

Болезни опорно-двигательного аппарата - репарация

костей, костная пластика, лечение миопатий, последствий травм и т.д.;

Гепатология - лечение гепатитов, цирроза печени;

Гематология и офтальмология;

Стоматология - использование СК для выращивания "своих собственных" зубов;

Косметология - лечение косметических дефектов;

Геронтология - использование СК для омоложения организма (ревитализация).

Гномика вирусов и фагов. Вирусы как объектов молекулярной генетики.

Основные свойства вирусов

Вирусы - субмикроскопические ДНК- или РНК-содержащие объекты,

репродуцирующиеся только в живых клетках, заставляя их

синтезировать так называемые вирионы, которые содержат геном вируса и способны перемещать его в другие клетки.

Это определение отражает два главных качества вирусов:

Наличие у вируса собственного генетического материала, который внутри клетки-хозяина ведет себя как часть клетки;

Существование внеклеточной инфекционной фазы, представленной специализированными частицами, или вирионами, которые служат для 5 введения генома вируса в другие клетки.

Вирусы имеют ряд свойств, которые не укладываются в представления о них как о живых объектах, а именно:

Вирусы не дышат;

Не проявляют раздражимости;

Не способны самостоятельно двигаться; -

Не растут и не делятся;

Способны (по крайней мере, некоторые) в очищенном состоянии кристаллизоваться.

Согласно традиционным зоологическим и ботаническим критериям, вирусы не являются живыми организмами. В то же время все вирусы обладают главными свойствами живых организмов – способностью реплицироваться, изменяться и передавать эти изменения потомкам, т.е. эволюционировать. Другими словами, вирусы имеют собственную эволюционную историю.

Ни один из известных вирусов не имеет биохимических или генетических потенций для генерирования энергии, необходимой для осуществления своих биологических процессов. В этом отношении они абсолютно зависят от клетки-хозяина.

Размеры вирусов

Размеры вирусных частиц также существенно варьируют. Наиболее "худые" имеют диаметр около 10 нм, а их длина у самых протяженных достигает 2 мкм. Диаметр сферических вирионов колеблется от-20 до 300 нм. Самые крупные из известных вирусов - родственники вируса оспы, их вирионы могут иметь длину до 450 нм и 260 нм в ширину и толщину.

Формы существования вирусов

Для нуклеопротеидных вирусных молекул характерны две формы существования: внеклеточная, корпускулярная, покоящаяся, и внутриклеточная, репродуцирующаяся, вегетативная.

Внеклеточные вирусы представляют собой корпускулы частицы сферической, кубической, нитевидной формы, которые называют элементарными тельцами, вирусными частицами, а чаще вирионами. Размеры вирионов колеблются от 15-30 до 200-500 нм.

Строение вирусов

Все вирионы содержат геномную нуклеиновую кислоту, покрытую снаружи белковой оболочкой - капсидом. По химическому составу вирусы -нуклеопротеиды, а по структуре - нуклеокапсиды. В состав многих вирусов, кроме белка и нуклеиновой кислоты, входят" углеводы, липиды и некоторые другие соединения.

Одноцепочечные вирусные РНК разделяют на две группы. К одной группе относят РНК, которые способны в клетке-хозяине транслироваться рибосомами, т.е. играть роль мРНК. Такие РНК обозначают как (+)РНК, а геном, который они представляют, называют позитивным.

У другой группы РНК-содержащих вирусов РНК не узнается рибосомным

аппаратом клетки, и поэтому она не способна выполнять функцию мРНК. В клетке такая РНК служит матрицей для синтеза мРНК. Данный тип РНК обозначают как (-)РНК, а соответствующий геном носит название негативного.

Капсид состоит из одинаковых по строению субъединиц - капсомеров, которые располагаются согласно двум основным типам симметрии -кубической (икосаэдрической) или спиральной.

Капсомеры - это морфологические единицы капсида, которые, в свою очередь, могут состоять из одной или нескольких молекул белка -структурных единиц. Комплекс капсида и вирусной нуклеиновой кислоты обычно обозначают термином нуклеокапсид. Он может обладать кубической (икосаэдрической) или спиральной симметрией. Вирионы простых вирусов представлены только капсидом. Вирионы сложных вирусов дополнительно имеют двухслойные липидные мембраны, в которые включены белки (почти всегда - гликопротеиды), имеющие форму шипов. Такие вирионы обычно имеют слой негликозилированного белка (матрикс), примыкающего к капсиду.

Простые вирусы, как правило, состоят только из вирусоспецифических компонентов. Изредка такие вирусы могут «уносить» из клетки-хозяина ее компоненты, такие, например, как полиамины и гистоны - поликатионы, служащие для нейтрализации зарядов на вирусной нуклеиновой кислоте, что облегчает упаковку ее в капсид.

Сложные вирусы содержат ферменты, а также могут включать в состав вириона белки - компоненты мембраны клетки-хозяина.

Закономерен вопрос: почему у всех вирусов капсид имеет субъединичную структуру? Такое строение капсида, по-видимому, обусловлено необходимостью экономии генетического материала. В противном случае, как показывают расчеты, у многих вирусов его бы хватило для кодирования белков, способных покрыть не более 15% нуклеиновой кислоты. Очевидно также, что при наличии одного или немногих морфологических компонентов

значительно облегчается самосборка капсида. Иначе вероятность ошибок в процессе самосборки резко бы возросла.

Существуют своего рода «технические» ограничения, которые снижают прочность упаковки на основе, скажем, тетраэдра или октаэдра. В этих вариантах промежутки между субъединицами будут слишком большими, а частица в результате - непрочной. Расчеты и опыт свидетельствуют, что чем больше число субъединиц и чем больше контактов их друг с другом, тем более стабильной получается структура и тем крупнее может быть капсид, в который, в свою очередь, может быть помещен более крупный и сложный геном.

Инкапсулирование генома необходимо вирусам, прежде всего, для физической защиты лабильной по своей химической природе нуклеиновой кислоты от воздействия на внеклеточной стадии существования жестких факторов окружающей среды (таких, как экстремальные значения рН и температуры, УФ-облучение и т.д.).

Другой важнейшей функцией капсида является обеспечение адсорбции вируса на клетке-хозяине через взаимодействие с клеточными рецепторами.

У некоторых вирусов геном фрагментирован, и оболочка просто необходима для того, чтобы собрать его в единое целое.

У сложных вирусов наличие внешней липидной оболочки из-за сродства ее с мембраной клетки-хозяина способствует проникновению нуклеокапсида внутрь клетки. Кроме того, за счет включения в эту оболочку белков клетки-хозяина, вирус получаем возможность успешнее преодолевать хозяйский

иммунологический барьер.

Типы взаимодействия вируса с клеткой

При проникновении вируса в клетку образуется новый биологический комплекс «вирус-клетка». Этот комплекс содержит генетический аппарат клетки и генетический аппарат вируса, функции которых могут генетический

функции которых могут переплетаться самым причудливым образом. По сути дела - это «химера», гибрид двух организмов.

Несмотря на огромное разнообразие клеток и вирусов, можно выделить несколько основных типов их взаимодействия.

1. Клетка гибнет и при этом образуется новое поколение вирусных частиц. Такой тип взаимодействия вируса и клетки называется продуктивным или литическим. Вирусы, вызывающие лизис клеток-хозяев, носят название вирулентных. Так протекает большинство вирусных инфекций независимо от того, являются ли вирусы крупными и сложно устроенными ли мелкими.

2. Инфекционный процесс носит абортивный характер - клетка выживает, вирус не образуется. Иногда погибают оба партнера - и вирус, и клетка.

3. Возникает интеграция двух геномов, которые сосуществуют более или менее мирно на протяжении многих поколений. Такой тип взаимодействия называется вирогенией. Вирусы, способные вызывать вирогению, называются умеренными. В случае бактериофагов, такое встраивание генома вируса в ДНК клетки-хозяина носит наименование лизогении, а сами фаги, способные к такому взаимодействию с клеткой, именуются лизогенными.

Кроме лизогенных фагов интегративный процесс характерен для ретровирусов, многих ДНК-содержащих онкогенных вирусов (у них может происходить интеграция не только всего генома, но и его части), а также некоторых других вирусов. Интегративный процесс часто приводит к трансформации клетки - приобретению ею новых гено- и фенотипических признаков.

В зависимости от степени антагонизма двух геномов - вирусного и клеточного - возможны несколько типов инфекции. Феноменологически различают персистентные инфекции, при которых вирус выделяется из организма-хозяина в течение значительно большего времени, чем при обычных литических инфекциях, завершающихся гибелью клеток хозяев. При латентной инфекции вирус находится в организме хозяина в скрытой форме и выделяется в периоды рецидивов болезни. Медленные вирусные инфекции характеризуются очень длительным инкубационным периодом, который может длиться годами.

Таким образом, мезенхимальные клетки при дифференцировке образуют различные клетки соединительной ткани.

3.4 Стромальные стволовые клетки

3.5 Тканеспецифичные стволовые клетки

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. Список литературы