Първата в света трансплантация на хемопоетични клетки кръв от пъпна връве извършена от Eliane Gluckman през 1988 г. в клиниката Saint Ludwig в Париж на дете с анемия на Fanconi. В момента (2003 г.) в света са извършени над 1000 такива трансплантации на пациенти с голямо разнообразие от туморни заболявания (левкемия, лимфом) и нетуморни заболявания (вродени имунодефицити, анемия, заболявания, свързани с метаболитни нарушения).
Освен това е доказано, че свързаните трансплантации осигуряват по-висок процент успешни терапевтични резултати (63%), отколкото несвързаните трансплантации (до 29%). За съжаление, все още няма данни за трансплантация на собствени HPC, тъй като PC банките са ново начинание. Но наличните днес данни ясно подкрепят създаването на такива банки, тъй като е очевидно, че трансплантирането на собствени HPC на болен реципиент трябва да даде много висок, ако не и 100%, резултат.
Стромални клетки на костен мозък
Възможностите за използване на други видове стволови клетки могат да бъдат обсъдени на примера на стромални клетки, разположени в костен мозък. Повечето възрастни стволови клетки се намират в костния мозък. Както е известно, костният мозък е преди всичко трамплин за хематопоезата. Състои се от два вида стволови клетки: тези, от които се получават всички известни видове кръвни клетки (т.нар. хематопоетични стволови клетки), и стромални стволови клетки, които ще бъдат обсъдени.
В сравнение с хемопоетичните стволови клетки, има много малко стромални стволови клетки в костния мозък и те са по-сложни, дълготрайни системи, които се обновяват доста рядко. Пътищата на трансформация на стромалните клетки тепърва започват да се изучават. Както е показано най-новите изследвания, стромалните клетки, както и прекурсорите на кръвните клетки, постоянно циркулират в кръвния поток на бозайниците.
Стволови клеткиучастват във възстановяването на увредените тъкани. Как едно здраво тяло на възрастен възстановява органите и тъканите, ако са увредени? Установено е, че в регенерацията участват два вида стволови клетки - специализирани тъканни клетки и универсални стромални клетки на костния мозък.
Не без причина мъдрата природа наред с „локалните депа” (тъканни стволови клетки) създаде и „централен склад за резервни части” (стромални клетки от костен мозък). Ако тъканните стволови клетки се използват за възстановяване на увредени участъци само на дадено място и за определен тип тъкан (кост - за кости, мускул - за мускули и т.н.), тогава "резервните части на централния склад" - костен мозък стромални стволови клетки - са универсални. Те навлизат в увредения орган или тъкан чрез кръвообращението и под въздействието на различни сигнални вещества се трансформират в необходимите специализирани клетки, които заместват мъртвите.
Стромалните стволови клетки от костен мозък са способни да се развият в много други клетки в тялото. Още през 60-те години Фриденщайн и неговите колеги показаха в експерименти върху животински клетки, че стромалните клетки са способни да се превръщат в хрущялни (хондроцити), мастни (адипоцити) и костни (остеобласти) клетки. Освен това, те запазват способността за такива трансформации дори когато отглеждат колония от една единствена стромална клетка. Тоест принципно е възможно да се развива голям бройстромални клетки и след това с помощта на специални сигнални вещества ги насочете „по правилния път“ - за възстановяване на увредените тъкани.
В случай на тежко увреждане тялото няма достатъчно собствени стромални клетки. Може да се помогне чрез въвеждане на стромални клетки отвън. Италиански учени извършиха прост експеримент: използвайки облъчване, те напълно премахнаха костния мозък от мишки, след което им инжектираха специално маркирани стромални клетки. Няколко дни по-късно на животните е дадено лекарство, което започва да разрушава мускулите на предните им крака. Две седмици след инжектирането на стромални клетки, мускулната тъкан на предните крака на мишките беше частично възстановена. Оказа се, че повечето нови мускулни клеткиобразувани от въведените стромални. Очевидно стромалните клетки се приближават до мястото на увреждане, където получават „химически сигнал“ за това в какви клетки трябва да се превърнат, за да компенсират загубите на тялото. Освен това учените успяха да „принудят“ стромалните клетки под въздействието на специални сигнални вещества да се трансформират в гладкомускулни клетки директно „in vitro“.
Японски учени получиха сърдечни мускулни клетки от стромалните клетки на костния мозък на мишки.Оказа се, че въвеждането на стромални клетки на костния мозък в зоната на увреждане на сърдечния мускул (зоната на инфаркта) почти напълно премахва явленията на постинфарктна сърдечна недостатъчност при опитни животни. По този начин стромалните клетки, инжектирани в "инфарктни" прасета, напълно се израждат в клетки на сърдечния мускул след осем седмици, като възстановяват функциите си почти напълно.
Резултатите от това лечение на инфаркт при животни са просто невероятни. Според Американската сърдечна асоциация (Американското дружество по кардиология) за 2000 г., при плъхове с изкуствено предизвикан инфаркт, 90% от стромалните клетки на костния мозък, инжектирани в областта на сърцето, напълно се дегенерират в клетки на сърдечния мускул.
Такава клетъчна терапия за възстановяване на увреждане на сърдечния мускул след инфаркт е много обещаваща, тъй като използва собствените стромални стволови клетки на тялото. Но те не се отхвърлят, освен това, когато се въвеждат възрастни стволови клетки, се изключва възможността за тяхното злокачествено израждане.
И напълно невероятна метаморфоза - стромалните клетки могат така да „забравят“ за произхода си от костен мозък, че под въздействието на определени фактори дори се превръщат в нервни клетки (неврони). Две седмици след добавяне на специално сигнализиращо вещество към културата на стромални клетки, те вече са 80% съставени от неврони! Това все още е само постижение от епруветка, но дава надежда за излекуване на пациенти с тежки увреждания на гръбначния и главния мозък. Освен това (както са показали много изследователи), когато стромалните клетки на собствения костен мозък се въвеждат в човешкия гръбначен канал, те се разпределят равномерно във всички части на мозъка, без да нарушават неговата структура.
Изключително важен експеримент направиха американски изследователи. Изкуствено е предизвикан инсулт при мишки, след което собствените им стромални клетки са инжектирани в гръбначния канал. В 100% от случаите мишките са имали частично възстановяване двигателна активносткрайници. Резултатът е обещаващ, така че не е изненадващо, че Националният здравен институт на САЩ отдели огромни средства за разработване на проблема с превръщането на стромалните клетки в неврони. Инсултът е често срещано и засега нелечимо заболяване.
Стромалните клетки също се превръщат в чернодробни клетки. Установено е, че при увреждане на черния дроб се образуват нови чернодробни клетки (хепатоцити) и техните предшественици главно от донорни стромални клетки на костен мозък.
Стромални клетки в клинична практика- това вече е реалност терапевтична употребастромалните клетки днес без съмнение са водещи в ортопедията. Факт е, че лекарите имат уникални вещества в ръцете си: специални протеини, които причиняват дегенерация на стромални клетки в клетки на костната тъкан (остеобласти). Резултатите от клиничните изпитвания са впечатляващи. В САЩ на 91-годишен пациент с фрактура, която не е зараснала в продължение на 13 години, е имплантирана специална колагенова пластина с апликирани върху нея тези протеини. В същото време стромалните клетки, влизащи в зоната на фрактурата, бяха „привлечени“ към плочата и под въздействието на същите протеини започнаха да се трансформират в клетки от костна тъкан. Осем месеца след поставянето на пластината счупената кост на пациента беше почти възстановена.
Американски изследователи проведоха интересен експеримент с помощта на тъканни стволови клетки. Отгледаха стволови клетки мускулна тъкан(миобласти) от бедрените мускули на 72-годишен пациент с инфаркт. След това тези клетки бяха инжектирани директно в областта на инфаркта, след което пациентът показа значително подобрение контрактилностсърца.
Източници на стромални хематопоетични клетки за регенеративна терапия
И така, в здраво тяловсъщност съществува универсален механизъм за лечение на увреждане с помощта на вътрешния клетъчен резерв - стромалните клетки на костния мозък. След излекуване на обширни увреждания, костният мозък става „празен“ и с възрастта доставката на стромални клетки намалява значително.
Как на практика да възстановим увредените клетки? Откъде получавате собствени стромални стволови клетки от костен мозък? В крайна сметка, когато нещо вече се е случило с човек - например счупен крак или претърпял инфаркт - вече е твърде късно да се избере костен мозък и да се отгледа култура от стромални клетки от него за последващо инжектиране в засегнатата област. И убеждаването на човек да дари проба от костен мозък, за да получи култура от стромални клетки от него „за всеки случай“ е доста трудно. Ограничаващият фактор в терапията със стромални клетки е времето. Когато настъпи инфаркт, вашите собствени клетки или клетки, съвместими с тялото, са необходими незабавно и в големи количества.
Необходимо ли е създаването на индивидуални или донорски банки от стромални клетки за регенеративната медицина на бъдещето? Без съмнение. По принцип донорите не се намират трудно. Има и друг проблем. Когато се раждаме, имаме една стромална клетка в нашия костен мозък за всеки 10 хиляди хематопоетични стволови клетки. При юношите вече има 10 пъти по-малко стромални клетки. До 50-годишна възраст има една стромална клетка на половин милион стволови клетки, а на 70-годишна възраст вземането на проба от костен мозък е просто безсмислено - има само една стромална клетка на милион стволови клетки. Тоест даряването на костен мозък има смисъл само при в млада възраст, възрастните хора ще трябва да използват чужди култури от стромални клетки. Освен това е най-удобно да се получат донорски стромални клетки директно при раждането от пъпната връв и плацентата, където те също се съдържат в достатъчни количества.
Използване на ембрионални стволови клетки
Изследванията на ембрионалните стволови клетки в момента са ограничени в много страни. Една от причините е, че въвеждането на ембрионални клетки в пациент, за съжаление, може да доведе до развитие на злокачествен тумор. Друга причина е етична. Основният източник на ембрионални клетки е ембрионалния материал. Католическата църква, религиозните общности, различни обществени организации - всички, които се борят за забрана на абортите, оказват огромен натиск върху правителства и президенти, като призовават, наред с абортите, да се забрани и лечението с ембрионални стволови клетки. Етичните съображения възпрепятстваха изучаването на ембрионални клетки, но също така привлякоха ново научно внимание към изследването на стволови клетки на възрастни.
В Израел експериментите със стволови клетки са официално разрешени, така че лечението със стволови клетки широк обхватзаболявания - напълно законна операция, извършвана в няколко медицински центрове, един от тях е Топ Ичилов, съвместно с CTCI, ръководен досега от проф. Славин. Можете да се свържете с нас по всякакви въпроси, включително относно стажове или съвместна работа.
Недиференцираните стволови клетки, които се използват активно в медицината, представляват основата за развитието на клетки в мозъка, кръвта или всеки друг орган. В съвременната фармакология и козметология този биологичен материал е ценно лекарство. Експертите са се научили да го отглеждат сами за различни нужди: например да вземат материал от кръв от пъпна връв, който се използва широко за възстановяване и укрепване на имунната система.
Какво представляват стволовите клетки
За да го обясня на ясен език, ST (недиференцирани стволови клетки) са „предшествениците“ на обикновените клетки, от които има стотици хиляди видове. Обикновените клетки са отговорни за нашето здраве, осигуряват правилното функциониране на жизненоважни системи, карат сърцето ни да бие и мозъка да работи, те са отговорни за храносмилането, красотата на кожата и косата.
Къде се намират стволови клетки?
Въпреки внушителната цифра от 50 милиарда парчета, възрастен човек има такъв ценен материал в много малки количества. По-голямата част от клетките се съдържат в костния мозък (мезенхимни клетки и стромални клетки) и подкожна мазнина, останалите са равномерно разпределени по тялото.
Ембрионът се формира по различен начин. Милиарди стволови клетки се образуват след разделянето на зиготата, което е резултат от сливането на мъжки и женски гамети. Зиготата съхранява не само генетична информация, но и план за последователно развитие. По време на ембриогенезата обаче единствената му функция е деленето. Няма други задачи освен предаването на генетичната памет на следващото поколение. Делителните клетки на зиготата са стволови клетки или по-точно ембрионални клетки.
Имоти
Възрастните клетки остават латентни, докато една от регулаторните системи не даде сигнал за опасност. КТ се активират и преминават през кръвния поток до засегнатата област, където, четейки информация от „съседите“, се трансформират в костни, чернодробни, мускулни, нервни и други компоненти, стимулирайки вътрешните резерви на тялото за възстановяване на тъканите.
Количеството на чудотворния материал намалява с възрастта, като намаляването започва в много млада възраст - 20 години. До 70-годишна възраст остават много малко клетки; този малък остатък поддържа функционирането на животоподдържащите системи на тялото. В допълнение, „старите“ STs частично губят своята гъвкавост; те вече не могат да се трансформират в какъвто и да е вид тъкан. Например, изчезва възможността за трансформация в нервни и кръвни компоненти.
Поради липсата на хемопоетични компоненти, отговорни за образуването на кръв, човек в напреднала възраст се покрива с бръчки и изсъхва поради факта, че кожата вече не получава достатъчно хранене. Ембрионалният материал е най-способен на трансформация, което означава, че е най-ценен. Такава КТ може да се изроди във всеки тип тъкан в тялото, бързо да възстанови имунитета и да стимулира регенерацията на органа.
Разновидности
Може да изглежда, че има само два вида стволови клетки: ембрионални и клетки, открити в тялото на роден човек. Но това не е вярно. Те се класифицират според плурипотентността (способността да се трансформират в други видове тъкани):
- тотипотентни клетки;
- плурипотентен;
- мултипотентен.
Благодарение на последния вид, както подсказва името, е възможно да се получи всяка тъкан в човешкото тяло. Това не е единствената класификация. Следващата разлика ще бъде в метода на получаване:
- ембрионален;
- фетален;
- постнатален.
Феталните ST се вземат от ембриони, които са на няколко дни. Феталните клетки са биологичен материал, събран от тъканите на ембриони след аборти. Тяхната сила е малко по-ниска в сравнение с тридневните ембриони. Постнаталният вид е биоматериал на роден човек, получен например от кръв от пъпна връв.
Отглеждане на стволови клетки
Изследвайки свойствата на ембрионалните стволови клетки, учените стигнаха до извода, че това е идеален материал за трансплантация, тъй като може да замени всяка тъкан в човешкото тяло. Феталните компоненти се получават от неизползвана тъкан от ембриони, които първоначално са отгледани за изкуствено осеменяване. Използването на ембриони обаче предизвиква етични възражения, в резултат на което учените са открили нов тип стволови клетки - индуцирани плурипотентни.
Индуцираните плурипотентни клетки (iPS) са облекчили етичните опасения, без да губят уникалните свойства, които притежават ембрионалните. Материалът за тяхното отглеждане не са ембриони, а зрели диференцирани клетки на пациента, които се изваждат от тялото и след работа в специална хранителна среда се връщат обратно, но с актуализирани качества.
Приложение
Използването на ST е много широко. Трудно е да се определят областите, в които се използват. Повечето учени обаче казват, че лечението с донорски биоматериал е бъдещето допълнителни изследваниятрябва да продължи да се извършва. На този моментТакава работа е предимно успешна, има положителен ефект върху лечението на много заболявания. Вземете например помощта при лечението на рак, чиито първи етапи вече дадоха надежда за възстановяване на много пациенти.
В медицината
Неслучайно медицината възлага големи надежди на микротехнологиите. В продължение на 20 години лекари от цял свят използват за лечение мезенхимни клетки от костен мозък. тежки заболявания, включително злокачествени тумори. Близък роднина на пациента, който има подходяща кръвна група, може да стане донор на такъв материал с антигенен комплект. Учените провеждат и други изследвания за лечение на заболявания като цироза на черния дроб, хепатит, бъбречни патологии, диабет, инфаркт на миокарда, артроза на ставите и автоимунни заболявания.
Лечение на различни заболявания със стволови клетки
Разнообразието от приложения в лечението е невероятно. Много лекарства се правят от КТ, но трансплантациите са особено полезни. Не всички трансплантации завършват добре поради индивидуално отхвърляне на материала, но лечението е успешно в повечето случаи. Използва се срещу такива заболявания:
- остра левкемия (остра лимфобластна, остра миелобластна, остра недиференцирана и други видове остра левкемия);
- хронична левкемия (хронична миелоидна, хронична лимфоцитна и други видове хронична левкемия);
- патологии на пролиферация на миелоидна линия (остра миелофиброза, полицитемия вера, идиопатична миелофиброза и други);
- фагоцитни дисфункции;
- наследствени метаболитни нарушения (болест на Harler, болест на Krabbe, метахромна левкодистрофия и други);
- наследствени нарушения на имунната система (дефицит на адхезия на лимфоцити, болест на Kostmann и други);
- лимфопролиферативни заболявания (лимфогрануломатоза, неходжкинов лимфом);
- други наследствени заболявания.
В козметологията
Методите за използване на стволови клетки са намерили своето приложение в областта на красотата. Козметологичните компании все повече произвеждат продукти с биологичен компонент, който може да бъде животински или човешки. В козметиката се обозначава като стволови клетки. Тя е кредитирана чудодейни свойства: подмладяване, избелване, регенерация, възстановяване на стегнатостта и еластичността. Някои салони дори предлагат инжектиране на стволови клетки, но инжектирането на лекарството под кожата ще бъде скъпо.
Когато избирате това или онова лекарство, не се заблуждавайте от красиви поговорки. Този биоматериал няма нищо общо с антиоксидантите и няма да е възможно да се постигне десет години подмладяване за една седмица. Моля, имайте предвид, че такива кремове и серуми няма да струват нито стотинка, тъй като получаването на стволови клетки е труден и отнемащ време процес. Например японски учени се опитват да накарат охлювите да отделят повече слуз, съдържаща желания материал в лаборатории. Скоро тази слуз ще стане основата на новата козметика.
Видео: Стволови клетки
Има няколко вида стволови клетки. На първо място, това са ембрионални и възрастни (от възрастен организъм) стволови клетки. Хематопоетичните стволови клетки участват в хематопоезата и произхождат от костния мозък. Мезенхимните стволови клетки произхождат от мезенхимния зародишен слой. Стромалните стволови клетки се намират в стромата на костния мозък. Има и тъканни стволови клетки, открити в различни тъкани.
Ембрионални стволови клетки
Изследването на ембрионални стволови клетки (ESCs) започва през 1963 г., като първоначално се използват дезагрегирани заешки и миши ембриони. Тяхната ин витро диференциация беше доста ограничена и обикновено се ограничаваше до образуването на трофектодермни клетки, които се придържаха към пластмасата. Клетките на заешката морула и бластомерите се залепват по-бързо, трофектодермата образува слой от клетки, които са покрити със стволови клетки от вътрешната част на клетъчната маса. Култури от бластомери върху покрита с колаген повърхност произвеждат различни клетки, включително нервни клетки, кръвни клетки, нервни клетки, фагоцити и много други видове клетки. Когато вътрешната клетъчна маса беше освободена и култивирана непокътната или като клетъчни дезагреганти, бяха установени ESC линии, които имаха добри нива на дезагрегация и голяма стабилност в ензимната секреция, морфологията и пълнотата на хромозомите. Способностите за развитие на една миша ембрионална клетка бяха измерени чрез инжектиране на една или повече в реципиентна бластоциста и степента на колонизация в получените химери беше мярка за тяхната плурипотентност. При мишки клетъчните пролиферации се наричат ембрионални тела, които произвеждат пролиферации, подобни на тези при зайци. Техните съставни клетки са широко диференцирани в зависимост от тяхното излагане на различни цитокини или субстрати. Установени са маркери за диференциация или плурипотентност, разкриващи как невронни, сърдечни, хематологични и други ESC линии могат да бъдат определени in vitro. Това се оказа полезно при изучаване на ранна диференциация и използване на тези клетки при трансплантация на болни пациенти. Човешки ESC, демонстриращи подобни свойства, се появиха в края на 90-те години. Моделите за клинична употреба на ESCs показаха как те бързо се придвижват към целевите тъкани по ембрионалните пътища, диференцират и колонизират целевия орган. Не са открити признаци на възпаление или увреждане на тъканите; увредената тъкан може да бъде възстановена, включително ремиелинизация, и няма да се образуват тумори. Ембрионалните стволови клетки имат широк терапевтичен потенциал за хората, макар и обширен клинични изследваниявсе още чакат да бъдат завършени.
Съвременните разработки в изследванията на стволовите клетки показват техния огромен потенциал като източник на тъкани за регенеративни терапии. Успехът на тези приложения ще зависи от точните свойства и потенциала на стволовите клетки, изолирани от ембрионални или възрастни тъкани. ESCs, изолирани от вътрешната маса на ранни миши ембриони, се характеризират с почти неограничена пролиферация и способност да се диференцират в производни на по същество всички линии. Скорошната изолация и култивиране на човешки ESCs представи нови възможности за реконструктивна медицина. Последните проучвания също показаха неочаквано висок потенциал за развитие на специфични за възрастни стволови клетки.
Като се има предвид непрекъснато нарастващата нужда от човешки стволови клетки за трансплантация, беше проведено in vitro и in vivo проучване върху човешки ембрионални клетки от костен мозък/прогениторни клетки, получени от аборти на 16-20 седмица. Използвайки примати като модел, е доказано, че ембрионалните тъкани имат определени свойства, които са оптимални за трансплантация. Фенотипните и функционални характеристики на фетален костен мозък, възрастен костен мозък, кръв от пъпна връв и периферна кръв, източниците на най-примитивните стволови/прогениторни клетки, бяха тествани и сравнени. Тези наблюдения показват, че всеки източник на хематопоетични стволови клетки има различни присъщи свойства, които тясно корелират с онтогенетичната възраст, която е водещият определящ фактор за фенотипните характеристики, определянето на родословието, имуногенността, както и пролиферативния потенциал. Тези данни ясно показват, че EMC са най-добрият източник на стволови клетки за трансплантация и терапевтично възстановяване поради техния много висок пролиферативен капацитет, ниска имуногенност и най-големия брой примитивни стволови клетки/прогениторни клетки.
Феталните тъкани са най-богатият източник на първични стволови клетки и имат няколко свойства, които ги правят особено полезни за трансплантация. Те превъзхождат възрастните (зрелите) тъкани в определени аспекти. Първо, ембрионалните клетки са в състояние да пролиферират по-бързо и по-често от зрелите, напълно диференцирани клетки. Това означава, че тези донорни клетки са в състояние бързо да възстановят загубената функция на гостоприемника. Освен това тези ембрионални клетки могат да се диференцират в отговор на сигнали от тяхната среда. Поради местоположението си те могат да растат, да се удължават, да мигрират и да установяват функционални връзки с други клетки около тях в гостоприемника. Установено е, че тези фетални тъкани не се отхвърлят лесно от реципиента поради ниско нивоантигени на хистосъвместимост в ембрионални тъкани. В същото време те съдържат ангиогенни и трофични фактори във високи концентрации, което повишава способността им да растат по време на трансплантация. Тъй като в ранните ембрионални хемопоетични тъкани липсват лимфоцити, реакциите присадка срещу приемник са сведени до минимум. Ембрионалните клетки са склонни да оцеляват по-добре при ексцизия, дисекция и трансплантация, тъй като обикновено нямат дълги разширения или силни междуклетъчни връзки. В заключение, ембрионалните тъкани могат да оцелеят при по-ниски нива на кислород, отколкото зрелите клетки. Това ги прави по-устойчиви на исхемични състояния, възникнали по време на трансплантация или in vitro ситуации. Изследванията върху ембрионални клетки/тъкани са вдъхновяващи. Феталната тъкан може да се използва за различни показания, например чернодробните трансплантации на плода могат да се използват за борба с апластична анемия, кръвта от пъпна връв може да служи като алтернатива на трансфузията цяла кръввъзрастни, фетална надбъбречна трансплантация е тествана за борба с хронична болкапри артрит, трансплантацията на фетален тимус се използва за лечение на различни имунодефицитни състояния. Ембрионалната присадка на мозъчна тъкан се трансплантира в хетеротопна позиция и се наблюдава тъканна пролиферация. Невротрансплантацията на фетални тъкани за паркинсонизъм показа положителни резултати в няколко глобални проучвания. Има потенциални възможности за използване на ембрионални тъкани в биоинженерството.
По този начин ембрионалните стволови клетки имат по-голяма способност за пролиферация и по-голяма пластичност (способността да се диференцират по-широко) от възрастните стволови клетки, както и ниска имуногенност.
Хематопоетични стволови клетки
Хемопоетичните стволови клетки (HSCs) се определят от способността им да дават начало на всички хематопоетични линии in vivo и да поддържат производството на тези клетки през целия живот на човека. При отсъствието на надеждни директни маркери на HSCs, тяхната идентификация и изброяване зависят от функционални и многолинейни in vivo проучвания за репопулация. Необичайно ниската честота на HSC във всяка тъкан и липсата на специфичен фенотип на HSC направиха тяхното пречистване и характеризиране силно трудна задача. HSCs и примитивните хемопоетични клетки могат да бъдат разграничени от зрелите кръвни клетки по липсата на специфични за линията маркери и наличието на някои други повърхностни антигени, като CD133 (за човешки клетки) и c-kit и Sca-1 (в миши клетки). Функционалният анализ на субпопулации на примитивни хематопоетични клетки доведе до разработването на няколко процедури за изолиране на клетъчни популации, които са силно обогатени за клетки, проявяващи активност на стволови клетки in vivo. Опростените методи за получаване на тези клетки с висок добив бяха важни за практическото използване на такива разработки.
HSC са били широко използвани за автоложни и ало трансплантации от десетилетия, въпреки че малко се знае за тяхната миграция, оцеляване, самообновяване и диференциация. Доскоро стволовите клетки в костния мозък се смятаха за специфични за хематопоезата. Експерименти, включително клинични изпитвания, показаха образуването на различни тъкани, като мускулни клетки, нервни клетки и хепатоцити, след трансплантация на медуларни клетки и опровергаха тази догма. Всъщност доказателства за такава трансдиференциация на HSCs все още липсват и доказателства могат да бъдат получени чрез изучаване на диференциацията на други мултипотентни клетки, присъстващи в костния мозък, като мезенхимни стволови клетки и по-примитивните мултипотентни възрастни зародишни клетки и странични популационни клетки .
Доказано е, че стволовите клетки от различни тъкани могат да се диференцират в тъканно-специфични клетки, вероятно в отговор на сигнали от микросредата. Това е йерархична пластичност. Както човешките, така и мишите невросферни клетки, които имат потенциала да се диференцират в неврони, олигодендритни клетки и астроцити, показват, че произвеждат хемопоетични стволови клетки, когато се трансплантират в 3,5-дневни бластомери на овце или мишки. Има и други свойства на хемопоетичните стволови клетки, които предполагат, че тази силно пластична клетка има способността бързо да променя своя мембранен фенотип и проявява необичайна насочена подвижност. Следователно пластичността, причинена от фазите на клетъчния цикъл, трябва да се разглежда като критична допълнителна характеристика на фенотипа на хематопоетичните стволови клетки.
Нормална, продължителна хематопоеза се осъществява в микросредата на костния мозък. Разтворимите фактори, както и контактните взаимодействия между хематопоетичните клетки и микросредата на костния мозък, диктуват съдбата на хематопоетичните клетки и прогениторните клетки. През последните десет години стана ясно, че взаимодействията клетка-клетъчна и клетка-екстрацелуларен матрикс чрез адхезионни рецептори играят основна роля в хемопоетичния процес. Те са необходими за пребиваването на стволовите клетки, както и за насочването на стволови клетки и прогениторни клетки в костния мозък на мястото на клетъчно утаяване на трансплантата на стволови клетки. Нещо повече, адхезионните рецептори играят важна роля в регулирането на клетъчното поведение, или чрез директно активиране на сигнални пътища, важни за клетъчното оцеляване, клетъчния растеж и клетъчната съдба, или чрез модулиране на отговорите на растежните фактори. Разбирането на механизмите на аномалии, наблюдавани при тези взаимодействия при заболявания на хемопоетичната система, ще помогне за разработването на по-добри терапевтични стратегии, базирани на патогенезата на тези заболявания.
HSCs са привлекателна цел за генна терапия на генетични заболявания на имунната и хематопоетичната система и за стратегии, устойчиви на лекарства, при които гените, отговорни за резистентността към различни химиотерапевтични агенти, се трансформират. Стволовите клетки се получават относително лесно чрез пункция на костен мозък.
Поддържането на зрели кръвни клетки изисква наличието на хемопоетични стволови клетки, чиито характеристики са способността да се самообновяват и да произвеждат диференцирано потомство.
По този начин хемопоетичните стволови клетки са способни да образуват не само кръвни клетки, но и други видове клетки. В момента се създават методи за увеличаване на добива на HSCs от костния мозък. HSC са най-важният източник за получаване на собствени стволови клетки.
Мезенхимни стволови клетки
Мезенхимни стволови клетки (MSCs) са изолирани от костен мозък, периост, трабекуларна кост, мастна тъкан, синовиум, скелетни мускули и първични зъби. Тези клетки имат способността да се диференцират в клетки съединителната тъкан, включително кости, мазнини, хрущяли и мускули. През последните години се научи много за изолацията и характеристиките на MSC и контрола на тяхната диференциация. Тези клетки привлякоха голям интерес поради потенциалната им употреба в регенеративната медицина и тъканното инженерство. Има драматични примери, извлечени от предклинична и клинична употреба на MSC, които илюстрират тяхната терапевтична стойност. Тъй като бяха разработени нови техники, бяха идентифицирани няколко аспекта на взаимодействията на имплантираните клетки с гостоприемника. Те трябва да бъдат разгледани, преди да се разберат основните механизми. Взаимодействията на имплантираните клетки с гостоприемника включват имунния отговор на гостоприемника към имплантирани клетки, механизми за насочване, които насочват клетките към мястото на нараняване, и in vivo диференциация на имплантирани клетки под въздействието на локални сигнали.
Популации от стволови клетки се намират в повечето тъкани на възрастни и като цяло техният потенциал за диференциация може да отразява локалните клетъчни популации. Описани са хематопоетични, епидермални, мезенхимни, неврални и хепато-стволови клетки. Възможно е в тялото на възрастен тези клетки да са резервоар от репаративни клетки, които се мобилизират от увреждане и мигрират към раната, където в сътрудничество с локалните клетки участват в репаративния отговор. Мезенхимните стволови клетки, изолирани от костен мозък, имат способността да се диференцират в клетки на съединителната тъкан. Някои поразителни примери за терапевтична употреба на MSC наскоро бяха описани в случаи като коронарна болестартерии, увреждане гръбначен мозък, болест на Паркинсон и регенерация на черния дроб. В ортопедичната медицина MSC се използват за възстановяване на кости и хрущяли и при лечение на остеоартрит. Въпросът за реакцията на гостоприемника към имплантирани MSCs става критичен с развитието на клиничните приложения. Има няколко аспекта на взаимодействията между имплантирани стволови клетки и гостоприемник, които трябва да бъдат взети под внимание, за да се разберат механизмите, лежащи в основата на терапията със стволови клетки. Това са имунният отговор на гостоприемника към имплантирани клетки, механизми за насочване, които насочват клетките към мястото на увреждане, и диференциация на имплантирани клетки под въздействието на локални сигнали.
Мезенхимните стволови клетки (MSC) са предшествениците на всички клетки на съединителната тъкан. MSC са изолирани от костен мозък и други възрастни тъкани на различни видове гръбначни животни. Те се размножават в култура и се диференцират в няколко клетки, образуващи тъкан, като костни, хрущялни, мастни, мускулни, сухожилни, чернодробни, бъбречни, сърдечни, дори мозъчни клетки. Последни постиженияв практическото приложение на MSC при регенерацията на човешкия ставен кондил на синовиалната става са примери за тяхната функционалност и гъвкавост.
Така мезенхимните клетки при диференциация образуват различни клетки на съединителната тъкан.
Стромални стволови клетки
Създадени са човешки мезенхимни стволови клетъчни линии, които могат да се диференцират в различни тъканни клетки, включително костни, нервни клетки, стромални клетки на костен мозък, поддържат растежа на хемопоетични стволови клетки и така наречените „стромални туморни клетки“, смесени с туморни клетки. Притежаващи теломераза човешки стромални клетки от костен мозък имат увеличен живот и поддържат растежа на хемопоетични клоногенни клетки. Трансфер на ген индийски таралеж(дикобраз) значително увеличи експанзията на хемопоетични стволови клетки, поддържани от стромални клетки на човешки костен мозък. Генно модифицираните мезенхимни стволови клетки са полезни като терапевтични средства за лечение на увреждане на мозъчната тъкан (напр. в резултат на мозъчен инфаркт) и злокачествени мозъчни неоплазми. Трансплантацията на мезенхимни стволови клетки предпазва мозъка от остро исхемично увреждане след оклузия на средната церебрална артерия в животински модел. Трансдукцията на ген на невротрофичен фактор, получен от мозъка (BDNF) допълнително повишава защитната ефикасност срещу исхемично увреждане. Мезенхимните стволови клетки имат отлична миграционна способност и имат инхибиторен ефект върху глиомните клетки. Генетичното модифициране на мезенхимни стволови клетки с терапевтични цитокини повишава антитуморния ефект и удължава преживяемостта на животни с тумори. Генната терапия, използваща мезенхимни стволови клетки като тъканно-защитен и насочен цитореагент, е обещаващ подход.
Този преглед се фокусира върху стволови клетки от костен мозък. Описани са методи за идентифициране, култивиране, клетъчно натрупване и трансплантация на стволови клетки, включително изолиране на хематопоетични и мезенхимни стволови клетъчни линии и подробен анализ с използване на множество CD и други маркери за идентифициране на малки субпопулации от стволови клетки. Раздел за стволови клетки от кръв от пъпна връв е последван от подробно обсъждане на текущата ситуация в клинична употребастволови клетки, неговите скорошни неуспехи, свързани с епигенетични фактори, различни подходи за откриването на силно мултипотентни стволови клетки от костен мозък и кратко описание на ембриологичните подходи за идентифициране на базални стволови клетки от костен мозък в най-ранните етапи от развитието на ембриона на бозайници.
Костният мозък на възрастни бозайници съдържа не една, а две отделни популации от възрастни стволови клетки. Първата и най-добре характеризирана е популацията от хематопоетични стволови клетки, отговорни за поддържането на производството на кръвни клетки през целия живот. Биологични характеристикии свойствата на втората резидентна популация от стволови клетки от костен мозък, наречени стромални клетки от костен мозък или мезенхимни стволови клетки, са много по-малко разбрани. Култури in vitro, получени от суспензия на отделен костен мозък от различни видове бозайници, образуват колонии от стромални клетки на костен мозък, всяка от които е получена от единична прекурсорна клетка, наречена образуващ колония фибробласт. Разработени са условия за култивиране за отглеждане на стромални клетки от костен мозък in vitro, които запазват способността да се диференцират в кост, мазнини и хрущял. Голяма част от настоящите знания за тази популация от клетки се основават на анализа на свойствата на тези клетъчни култури, а не на свойствата на първичните клетки, иницииращи колонии. Настоящите доказателства предполагат, че стромалните прогенитори в костния мозък са in situ свързани с външната повърхност на кръвоносните съдове и могат да споделят идентичност с васкуларните перицити.
По този начин стромалните стволови клетки от костен мозък са един вид мезенхимни стволови клетки.
Тъканно-специфични стволови клетки
Смята се, че стволовите клетки са важни за регенерацията на няколко тъкани на възрастни. Наскоро бяха идентифицирани възрастни стволови клетки с много широк потенциал за диференциация, въпреки че не е известно дали те представляват примитивни стволови клетки или продукти от изключително редки събития на дедиференциране, включващи тъканно-специфични стволови клетки. Трансдиференцирането на тъканно-специфични стволови клетки през границите на линията също е демонстрирано, но относителната неефективност на процеса in vivo, дори при наличие на увреждане на тъканите, е поставена под въпрос физиологично значениетакъв механизъм. Интересното е, че сред възрастни стволови клетки. които се култивират ex vivo за продължителни периоди от време, способността за промяна на родословието е най-голяма. Ако решенията за съдбата на нормалните различни стволови клетки могат да бъдат променени с висока честота in situ могат да бъдат представени възможни регенеративни терапии за голямо разнообразие от заболявания. Интегралното разбиране на транскрипционната регулаторна мрежа, която включва различни възрастни стволови клетки, както и сигналните пътища, които управляват тяхната диференциация в терапевтично полезни видове клетки, ще улесни клиничното приложение на тези вълнуващи открития.
По този начин тъканно-специфичните стволови клетки са способни да се диференцират в други видове клетки, но in vivo този процес е неефективен. Сега обаче се разработват подходи за правене възможна употребатози източник на стволови клетки.
Предмет и задачи на биологията на стволовите клетки. Основни свойства и класификация на стволовите клетки
класификация на стъблото
Произход на термина " стволови клетки"и история
откриване на типове стволови клетки
В общоприетото разбиране терминът „стволова клетка” се отнася до клетка, която има способността да се самовъзпроизвежда (самообновява) и да дава начало на диференцирани потомци.
Благодарение на откриването на стволовите клетки се разшириха възможностите за изследване на механизмите, които регулират ембрионалното развитие, клетъчната диференциация и запазването на целостта на органите и тъканите, т.е. хомеостаза. В допълнение, като се вземат предвид уникалните свойства на стволовите клетки, а именно способността им да се размножават, насочени
диференциация, разработването на нови терапевтични подходи, базирани на клетъчни технологии, отваря широки хоризонти в различни областилекарство. Във връзка с такъв повишен интерес на съвременните учени и клиницисти към проблемите, свързани с изучаването и практическото приложение на стволовите клетки, е важно да се разгледат стволовите клетки в техния исторически контекст.
Терминът „стволова клетка“ се появява за първи път в научната литература през 1868 г. в труда на изключителния немски зоолог и еволюционист Ернст Хекел (1834-1919). Хекел използва термина "Stammzelle" (от немски - "стволова клетка"), за да опише общия прародител на L, определена едноклетъчна азорганизъм, от който според него произлизат всички многоклетъчни организми. По-късно, през 1877 г., преминавайки от въпросите на еволюцията (филогенезата) към изучаването на проблемите на ембриологията (онтогенезата), Ернст Хекел предлага оплодената яйцеклетка да се нарича стволова клетка. Използването на термина „стволова клетка“ за обозначаване на една клетка в ембриона, която е способна да породи много специализирани клетки, е въведено малко по-късно, в края на 19 век.
Въз основа на теорията за „непрекъснатата зародишна плазма“ от Август Вайсман, предложена през 1885 г., немският биолог Теодор Бовери (1862-1915), изследвайки моделите на оогенезата и сперматогенезата, предлага всички клетки от зародишната линия да се наричат „стволови клетки“. започвайки от оплодената яйцеклетка и завършвайки с предшествениците на зародишните клетки.
Също през 1892 г., докато изучава ембриогенезата на ракообразните от семейство Циклоп, Валентин Хекер идентифицира голяма клетка, наречена от него „стъбло“, която претърпява асиметрично делене, като една от дъщерните клетки на този стволов прогенитор дава началото на мезодермата, докато другият даде начало на зародишни клетки. По този начин в тези ранни проучвания терминът "стволова клетка" се отнася до клетки, които сега се наричат първични зародишни клетки или зародишни стволови клетки.
През 1896 г. Едмънд Уилсън популяризира термина "стволова клетка" в книгата си The Cell in Development and Inheritance (Wilson, 1896). По едно време тази книга беше много популярна и имаше огромно въздействиевърху ембриолозите и генетиците от края на 19 век, особено в САЩ. В тази връзка много англоезични източници споменават Ендмунд Уилсън като автор на термина „стволова клетка“. Въпреки това, Уилсън използва термина "стволова клетка" в същия смисъл като Бовери и Хекер, тоест, за да обозначи неспециализираната майчина клетка от зародишната линия.
Приблизително по същото време се провеждат активни изследвания в областта на хемопоезата. Научният свят се раздели на два лагера. Някои учени се придържаха към дуалистичната теория за хемопоезата; те приемаха, че клетките от миелоидната и лимфоидната серия произхождат от различни предшественици, които се намират в различни хематопоетични тъкани, съответно в костния мозък и лимфните възли / далака.
Привържениците на унитарната теория за хемопоезата приемат съществуването на една единствена клетка, която е
прародител на всички кръвни клетки. В тази връзка привържениците на единната теория на хематопоезата бяха изправени пред проблема да създадат термин, който да отразява напълно потенциала за развитие на такива клетки.
През 1908 г. руският учен Александър Максимов предлага такава майчина хемопоетична клетка да се нарече „стволова клетка“.
По това време терминът "стволова клетка" се появява в работата на Вера Данчакоф и Ернст Нойман, както и (1896) в работата на Артур Папенхайм. Всички споменати изследователи са използвали термина "стволови клетки", за да дефинират прогениторни клетки, способни да се диференцират в зрели червени и бели кръвни клетки. Още ранни проучвания в областта на ембриологията и хематологията разкриха, че SC могат да бъдат намерени в ембриона и в тъканите на възрастни.
През 1981 г. американският учен Мартин Еванс е първият, който изолира недиференцирани плурипотентни стволови клетъчни линии от ембриобласта (вътрешна клетъчна маса) на бластоцист на мишка.
Твърди се, че първата успешна трансплантация на стволови клетки, извлечени от кръв от пъпна връв, е извършена на 5-годишно момче с анемия на Фанкони през 1988 г. Без операция за трансплантация на стволови клетки, взети от кръв от пъпна връв, той имаше нулев шанс за възстановяване. След трансплантацията той се възстанови, претърпя необходимата рехабилитация и все още е жив.
През 1998 г. Д. Томпсън и Д. Герхарт изолират
безсмъртна линия от ембрионални стволови клетки, а през 1999 г. списание Science призна откриването на ембрионални стволови клетки като третото най-значимо събитие в биологията след дешифрирането на двойната спирала на ДНК и програмата за човешкия геном.
Съществуване хематопоетични стволови клетки(HSC), които са предците на всички хемопоетични зародиши, беше потвърдено от работата на Джеймс Тил, Ърнест МакКълох и други изследователи през 60-те години. последния век. По-нататъшни проучвания направиха възможно откриването и характеризирането на SC в други тъкани на тялото на възрастни, както и в екстра-ембрионални тъкани и органи на новороденото.
По този начин, използването на термина "стволови клетки" започва през втората половина на 19 век в контекста на фундаментални въпроси в ембриологията. Доказателство за съществуването на една единствена хематопоетична стволова клетка, надеждно получена през 60-те години на миналия век, прави тези клетки прототип на всички стволови клетки, а именно: клетки, способни на почти неограничена пролиферация (самообновяване) и способни да произвеждат специализиран потомък клетки (диференциация).
Основни свойства и класификация на стволовите клетки
Класификация на стволовите клетки според способността им да се диференцират:
1. Тотипотентенклетките са способни да образуват всички видове ембрионални и екстраембрионални клетки. Те включват само оплодения овоцит и бластомерите от 2-8 клетъчен стадий.
2. Плурипотентни клеткиспособни да образуват всички видове ембрионални клетки. Те включват ембрионални стволови клетки, първични зародишни клетки и ембрионални карциномни клетки.
3. Други видове стволови клеткилокализирани в зрели тъкани на възрастния организъм (възрастни стволови клетки). Те варират в способността за диференциране от мулти- до унипотентни.
Класификация на стволовите клетки според източника на тяхното изолиране:
1. Ембрионални стволови клетки(ESC) - вътреклетъчна маса на ранния ембрион (в стадия на бластоциста, дни 4-7 от развитието).
2. Фетални стволови клетки- ембрионални клетки 9 - 12 седмица на развитието, изолиран от абортивен материал.
3. Възрастни стволови клетки:
- Хематопоетични стволови клетки (HSC)) - мултипотентни стволови клетки, които дават начало на всички кръвни клетки: кръв - еритроцити, В-лимфоцити, Т-лимфоцити, неутрофили, базофили, еозинофили, моноцити, макрофаги и тромбоцити В допълнение към костния мозък, GCS се намират в системния кръвен поток и скелетни мускули.
- Мезенхимни стволови клеткимултипотентни регионални стволови клетки, съдържащи се във всички мезенхимни тъкани (главно в костния мозък), способни да се диференцират в Различни видовемезенхимни тъкани, както и в клетки на други зародишни слоеве.
- Стромални стволови клетки- мултипотентни стволови клетки на възрастен организъм, образуващи стромата на костния мозък (поддържащи хематопоезата), имащи мезенхимен произход.
- Тъканно-специфични стволови клетки- намират се в различни видове тъкани и са отговорни основно за обновяването на клетъчната си популация и първи се активират при увреждане. Те имат по-нисък потенциал от стромалните клетки на костния мозък.
Към днешна дата са открити следните видове тъканно-специфични стволови клетки:
невроналниСтволовите клетки в мозъка - пораждат три основни типа клетки: нервни клетки(неврони) и две групи неневронни клетки – астроцити и олигодендроцити.
Кожни стволови клетки- разположени в базалните слоеве на епидермиса и близо до основата на космените фоликули, те могат да дадат начало на кератоцити, които мигрират към повърхността на кожата и образуват защитен слой на кожата.
Стволови клетки скелетни мускули - изолирани от набраздени мускули, те са способни да се диференцират в клетки на нервната, хрущялната, мастната и костната тъкан и набраздените мускули. Въпреки това, последните изследвания показват, че скелетните мускулни клетки не са нищо повече от мезенхимни стволови клетки, локализирани в мускулната тъкан.
Миокардни стволови клетки- способни са да се диференцират в кардиомиоцити и съдов ендотел.
Стволови клетки от мастна тъканоткрити през 2001 г., допълнителни изследвания оттогава показаха, че тези клетки могат да се превърнат в други видове тъкани, от тях е възможно да растат клетки на нерви, мускули, кости, кръвоносни съдове, или поне клетки, имащи свойствата на горното.
Стромални клетки на гръбначния мозък(мезенхимни стволови клетки) пораждат различни видовеклетки: костни клетки (остеоцити), хрущялни клетки (хондроцити), мастни клетки (адипоцити), както и други видове клетки на съединителната тъкан.
Епителни стволови клетки на храносмилателния трактразположени в дълбоките гънки на чревната лигавица и могат да дадат начало на различни видове клетки храносмилателен тракт.
Освен това в началото на миналата година американски учени от университета на Северна Каролина съобщиха, че след седем години изследвания са разработили технология за получаване на стволови клетки от амниотична течност, без да навредят на ембриона.
СК се характеризира със следните основни функции:
1. Възможност за разделяне и самообновяване. За разлика от мускулните клетки, кръвните клетки и нервните клетки, които обикновено не могат да се възпроизвеждат, стволовите клетки могат да се възпроизвеждат многократно - да се размножават. Първоначална популация от стволови клетки, която се размножава в продължение на много месеци, може да произведе милиони подобни клетки. Ако тези стволови клетки продължат да остават неспециализирани, се казва, че имат капацитет за дългосрочно самообновяване.
2. Стволовите клетки са неспециализирани. Те нямат специфични структури, които им позволяват да изпълняват специализирани функции. Например стволовите клетки не могат да изпомпват кръв в цялото тяло, като миокардните клетки на сърцето, и не могат да пренасят кислород, както правят червените кръвни клетки. Неспециализираните стволови клетки обаче могат да се трансформират в специализирани клетки, включително клетки на сърдечния миокард, кръвни клетки или нервни клетки.
3. Стволовите клетки могат да дадат началото на други специализирани клетки. Когато неспециализираните стволови клетки пораждат специализирани клетки, процесът се нарича диференциация. Клетките обикновено преминават през няколко етапа по време на диференциация, като всеки етап става по-специализиран.
Учените тепърва започват да разбират сигналите вътре и извън клетките, които задействат всяка стъпка от процеса на диференциация. Вътрешните сигнали се контролират от клетъчни гени. Това са участъци от ДНК, които носят някаква цялостна информация и контролират развитието на определена черта или свойство. Външни сигнали за клетъчна диференциация са химикали, секретирани от други клетки, физически контактсъс съседни клетки и някои молекули в микросредата. Взаимодействието на сигналите по време на процеса на диференциация води до това, че клетъчната ДНК придобива епигенетични белези, които ограничават експресията на ДНК в клетките.
4. SC са способни на асиметрично разделениев резултат на което се образуват две дъщерни клетки, едната от които е ангажирана с диференциация в специализирана клетка(и), а втората запазва всички характеристики на SC, което предпазва SC пула от пълно изчерпване. Клетка, ангажирана с диференциация, образувана в резултат на асиметрично делене на SCs, често се нарича транзитна усилвателна клетка - SO.
TAC не са способни на самообновяване, но имат значителен пролиферативен потенциал. Всъщност способността за самообновяване и производство на дъщерни клетки, ангажирани с диференциация поради асиметрично делене, е определящо свойство на SCs от всякакъв произход.
5. Механизми поддържане на генетична хомеостазав СК те функционират по-ефективно в сравнение с диференцираните соматични клетки.
Основни насоки и перспективи за използване на стволови клетки в биологията и медицината.
СК са най-подходящият обект за изследване фундаментална биологияи в клетъчна патология,особено когато се изучават механизмите на клетъчна диференциация и специализация по време на онтогенезата, както и пътищата и механизмите на клетъчна и тъканна регенерация. Изучаването и разбирането на тези процеси ще помогне да се разберат причините за патологии на развитието, генетични дефекти и много заболявания, включително рак. За извършване на широкомащабна експериментална работа от този вид първо са необходими достъпни източници на SC.
Особено значителни успехи в практическото приложение на SC вече са постигнати в три области:
1) лечение на изгаряния и заздравяване на рани;
2) лечение на остър миокарден инфаркт;
3) лечение на пациенти с рак.
Лечение на изгаряния и рани- създаване на изкуствена кожа, отгледана по методи на тъканно инженерство. При трансплантация на такава кожа се осигурява намаляване на общата площ на повърхността на раната и в резултат на това бързо заздравяване на рани и рискът от развитие на усложнения е значително намален. Тази техника се използва от 1989 г.; повече от 600 трансплантации на култивирани алофибробласти са извършени при пациенти с обширни гранични изгаряния IIIA степен и дълготрайни незарастващи остатъчни рани.
Лечение на пациенти с рак-авто- и аплотрансплантацията на костни стволови клетки дава възможност за възстановяване на неговата хемопоетична активност, която е частично загубена след прилагане на интензивна химиотерапия и лъчетерапия. Благодарение на използването на трансплантация на костен мозък в Беларуския център по хематология и трансплантология, беше възможно да се увеличи преживяемостта за 3-5 години от 50% (без трансплантация) до 70-90%.
Терапия на остър миокарден инфаркт- провежда се с цел възстановяване на сърдечната тъкан след инфаркт на миокарда (МИ), което се постига чрез регенерация на кардиомиоцити и образуване на нови капиляри. Според много изследователи СК на костния мозък имат най-добър потенциал за възстановяване на сърдечната функция след миокарден инфаркт: тяхната трансплантация индуцира мио- и ангиогенеза и подобрява хемодинамиката.
При клетъчната терапия на инфаркт на миокарда основните два метода са:
1. Хирургично - директно доставяне на СК в миокардна тъкан (например, една работа, посветена на клиничните резултати от този метод за лечение на МИ, говори за използването на инжектиране на 1 500 000 автоложни СК от костен мозък в периинфарктната зона).
2. Терапевтичен - създаване на висока концентрация на СК в кръвта чрез стимулиране на костния мозък чрез въвеждане на специфични растежни фактори.
Много обещаващо също
Методите за клетъчна терапия са представени в следните области на медицината:
Неврология - лечение на последствия от мозъчни травми и
гръбначен мозък, инсулт, кома, невродегенеративни заболявания, Паркинсон, Алцхаймер и др.;
Ендокринология - лечение на инсулинозависим диабет;
Болести на опорно-двигателния апарат - репарация
кости, костно присаждане, лечение на миопатии, последствия от наранявания и др.;
Хепатология - лечение на хепатит, чернодробна цироза;
Хематология и офталмология;
Стоматология - използване на SCs за отглеждане на „собствени“ зъби;
Козметология - лечение на козметични дефекти;
Геронтология - използването на SC за подмладяване на тялото (ревитализация).
Гномика на вируси и фаги. Вирусите като обекти на молекулярната генетика.
Основни свойства на вирусите
Вирусите са субмикроскопични обекти, съдържащи ДНК или РНК,
възпроизвеждат само в живи клетки, принуждавайки ги
синтезират така наречените вириони, които съдържат генома на вируса и са способни да го преместват в други клетки.
Това определение отразява две основни качества на вирусите:
Вирусът има свой собствен генетичен материал, който се държи като част от клетката вътре в клетката гостоприемник;
Наличието на извънклетъчна инфекциозна фаза, представена от специализирани частици или вириони, които служат за въвеждане на вирусния геном в други клетки.
Вирусите имат редица свойства, които не се вписват в идеята за тях като живи обекти, а именно:
Вирусите не дишат;
Не проявявайте раздразнителност;
Не може да се движи самостоятелно; -
Те не растат и не се разделят;
Способен (от поне, някои) кристализират в пречистено състояние.
Според традиционните зоологични и ботанически критерии вирусите не са живи организми. В същото време всички вируси имат основните свойства на живите организми - способността да се възпроизвеждат, променят и предават тези промени на потомци, т.е. развивам се. С други думи, вирусите имат своя собствена еволюционна история.
Нито един известен вирус няма биохимичен или генетичен потенциал да генерира енергията, необходима за извършване на биологичните процеси. В това отношение те са абсолютно зависими от клетката гостоприемник.
Размери на вируса
Размерите на вирусните частици също варират значително. Най-тънките са с диаметър около 10 nm, а дължината им при най-дългите достига 2 микрона. Диаметърът на сферичните вириони варира от -20 до 300 nm. Най-големите известни вируси са роднини на вируса на едра шарка; техните вириони могат да бъдат до 450 nm дълги и 260 nm широки и дебели.
Форми на съществуване на вируси
Нуклеопротеиновите вирусни молекули се характеризират с две форми на съществуване: извънклетъчна, корпускулярна, в покой и вътреклетъчна, възпроизвеждаща се, вегетативна.
Екстрацелуларните вируси са корпускули, сферични, кубични, нишковидни частици, които се наричат елементарни телца, вирусни частици и по-често вириони. Размерите на вирионите варират от 15-30 до 200-500 nm.
Структура на вирусите
Всички вириони съдържат геномна нуклеинова киселина, покрита отвън с протеинова обвивка - капсид. По химичен състав вирусите са нуклеопротеини, а по структура повторно- нуклеокапсиди. Съставът на много вируси, освен протеин и нуклеинова киселина, включва въглехидрати, липиди и някои други съединения.
Едноверижните вирусни РНК се разделят на две групи. Едната група включва РНК, които са способни да се транслират от рибозоми в клетката гостоприемник, т.е. играят ролята на иРНК. Тези РНК са обозначени като (+)РНК, а геномът, който представляват, се нарича положителен.
В друга група РНК-съдържащи вируси, РНК не се разпознава от рибозомата
апарат на клетката и следователно не е в състояние да изпълнява функцията на иРНК. В клетката такава РНК служи като матрица за синтеза на иРНК. Този тип РНК се обозначава като (-)РНК, а съответният геном се нарича отрицателен.
Капсидът се състои от субединици с еднаква структура - капсомери, които са подредени според два основни типа симетрия - кубична (икозаедрична) или спирална.
Капсомерите са морфологичните единици на капсида, който от своя страна може да се състои от една или повече протеинови молекули - структурни единици. Комплексът от капсид и вирусна нуклеинова киселина обикновено се нарича нуклеокапсид. Може да има кубична (икосаедрична) или спирална симетрия. Вирионите на простите вируси са представени само от капсида. Вирионите на сложните вируси освен това имат двуслойни липидни мембрани, които съдържат протеини (почти винаги гликопротеини), оформени като шипове. Такива вириони обикновено имат слой от негликозилиран протеин (матрица), съседен на капсида.
Простите вируси, като правило, се състоят само от специфични за вируса компоненти. Понякога такива вируси могат да „отнесат“ своите компоненти от клетката гостоприемник, като например полиамини и хистони - поликатиони, които служат за неутрализиране на зарядите на вирусната нуклеинова киселина, което улеснява нейното опаковане в капсида.
Сложните вируси съдържат ензими и могат също да включват протеини във вириона - компоненти на мембраната на клетката гостоприемник.
Логичен въпрос е: защо капсидът на всички вируси има структура на субединица? Тази структура на капсида очевидно се дължи на необходимостта от запазване на генетичен материал. В противен случай, както показват изчисленията, много вируси биха имали достатъчно от него, за да кодират протеини, способни да покрият не повече от 15% от нуклеиновата киселина. яйцеклеткикиселини. Очевидно е също, че при наличието на един или няколко морфологични компонента
значително се улеснява самосглобяването на капсида. В противен случай вероятността от грешки по време на процеса на самосглобяване ще се увеличи рязко.
Има някакъв вид "технически" ограничения, които намаляват здравината на опаковката, базирана, да речем, на тетраедър или октаедър. При тези опции празнините между субединиците ще бъдат твърде големи и в резултат на това частицата ще бъде крехка. Изчисленията и опитът показват какво по-голям бройсубединици и колкото повече контакти имат помежду си, толкова по-стабилна е структурата и толкова по-голям може да бъде капсидът, в който на свой ред може да бъде поставен по-голям и по-сложен геном.
Капсулирането на генома е необходимо за вирусите, преди всичко за физическата защита на нуклеиновата киселина, която е лабилна по своята химическа природа, от въздействието на сурови фактори на околната среда на извънклетъчния етап на съществуване (като екстремно рН и температура стойности, UV лъчение и др.).
Друга важна функция на капсида е да осигури адсорбцията на вируса върху клетката гостоприемник чрез взаимодействие с клетъчните рецептори.
Някои вируси имат фрагментиран геном и обвивката е просто необходима, за да се събере в едно цяло.
При сложните вируси наличието на външна липидна обвивка, поради нейния афинитет към мембраната на клетката гостоприемник, улеснява проникването на нуклеокапсида в клетката. В допълнение, поради включването на протеини на клетката гостоприемник в тази обвивка, вирусът е в състояние по-успешно да преодолее гостоприемника
имунологична бариера.
Видове взаимодействие между вирус и клетка
Когато вирусът проникне в клетката, се образува нов биологичен комплекс „вирус-клетка“. Този комплекс съдържа генетичния апарат на клетката и генетичния апарат на вируса, чиито функции могат да бъдат генетични
чиито функции могат да се преплитат по най-странни начини. Всъщност това е „химера“, хибрид на два организма.
Въпреки огромното разнообразие от клетки и вируси, могат да се разграничат няколко основни вида на техните взаимодействия.
1. Клетката умира и се образува ново поколение вирусни частици. Този тип взаимодействие между вируса и клетката се нарича продуктивно или литично. Вирусите, които причиняват лизис на клетки гостоприемници, се наричат вирулентни. Така протичат повечето вирусни инфекции, независимо дали вирусите са големи, сложни или малки.
2. Инфекциозният процес има абортивен характер - клетката оцелява, вирусът не се образува. Понякога умират и двамата партньори – и вирусът, и клетката.
3. Възниква интеграция на два генома, които съжителстват повече или по-малко мирно в продължение на много поколения. Този тип взаимодействие се нарича вирогения. Вирусите, които могат да причинят вирусогенеза, се наричат умерени вируси. При бактериофагите такава интеграция на вирусния геном в ДНК на клетката гостоприемник се нарича лизогения, а самите фаги, способни на такова взаимодействие с клетката, се наричат лизогенни.
В допълнение към лизогенните фаги, интегративният процес е характерен за ретровирусите, много онкогенни вируси, съдържащи ДНК (те могат да интегрират не само целия геном, но и част от него), както и някои други вируси. Интегративният процес често води до клетъчна трансформация - придобиване на нови гено- и фенотипни характеристики.
В зависимост от степента на антагонизъм между двата генома – вирусен и клетъчен – са възможни няколко вида инфекция. Феноменологично се разграничават персистиращи инфекции, при които вирусът се освобождава от тялото на гостоприемника за много по-дълго време, отколкото при обикновените литични инфекции, завършващи със смъртта на клетките на гостоприемника. По време на латентна инфекция вирусът е в тялото на гостоприемника в латентна форма и се освобождава по време на периоди на рецидив на заболяването. Бавните вирусни инфекции се характеризират с много дълъг инкубационен период, който може да продължи години.
Мезенхимните стволови клетки (MSC) са предшествениците на всички клетки на съединителната тъкан. MSC са изолирани от костен мозък и други възрастни тъкани на различни видове гръбначни животни. Те се размножават в култура и се диференцират в няколко клетки, образуващи тъкан, като костни, хрущялни, мастни, мускулни, сухожилни, чернодробни, бъбречни, сърдечни, дори мозъчни клетки. Последните постижения в практическото приложение на MSC при регенерацията на човешкия ставен кондил на синовиалната става са примери за тяхната функционалност и гъвкавост.
Така мезенхимните клетки при диференциация образуват различни клетки на съединителната тъкан.
3.4 Стромални стволови клетки
Създадени са човешки мезенхимни стволови клетъчни линии, които могат да се диференцират в различни тъканни клетки, включително костни, нервни клетки, стромални клетки на костен мозък, поддържат растежа на хемопоетични стволови клетки и така наречените „стромални туморни клетки“, смесени с туморни клетки. Притежаващи теломераза човешки стромални клетки от костен мозък имат увеличен живот и поддържат растежа на хемопоетични клоногенни клетки. Трансферът на ген на индийски таралеж (дикобраз) значително увеличи експанзията на хемопоетични стволови клетки, поддържани от стромални клетки от човешки костен мозък. Генно модифицираните мезенхимни стволови клетки са полезни като терапевтични средства за лечение на увреждане на мозъчната тъкан (напр. в резултат на мозъчен инфаркт) и злокачествени мозъчни неоплазми. Трансплантацията на мезенхимни стволови клетки предпазва мозъка от остро исхемично увреждане след оклузия на средната церебрална артерия в животински модел. Трансдукцията на ген на невротрофичен фактор, получен от мозъка (BDNF) допълнително повишава защитната ефикасност срещу исхемично увреждане. Мезенхимните стволови клетки имат отлична миграционна способност и имат инхибиторен ефект върху глиомните клетки. Генетичното модифициране на мезенхимни стволови клетки с терапевтични цитокини повишава антитуморния ефект и удължава преживяемостта на животни с тумори. Генната терапия, използваща мезенхимни стволови клетки като тъканно-защитен и насочен цитореагент, е обещаващ подход.
Този преглед се фокусира върху стволови клетки от костен мозък. Описани са методи за идентифициране, култивиране, клетъчно натрупване и трансплантация на стволови клетки, включително изолиране на хематопоетични и мезенхимни стволови клетъчни линии и подробен анализ с използване на множество CD и други маркери за идентифициране на малки субпопулации от стволови клетки. Разделът за стволовите клетки от кръв от пъпна връв е последван от подробно обсъждане на текущата ситуация в клиничната употреба на стволови клетки, нейните скорошни неуспехи, свързани с епигенетичните фактори, различни подходи към откриването на силно мултипотентни стволови клетки от костен мозък и кратко описание на ембриологичните подходи за идентифициране на основни стволови клетки от костен мозък.мозък в най-ранните етапи на развитие на ембриони на бозайници.
Костният мозък на възрастни бозайници съдържа не една, а две отделни популации от възрастни стволови клетки. Първата и най-добре характеризирана е популацията от хематопоетични стволови клетки, отговорни за поддържането на производството на кръвни клетки през целия живот. Биологичните характеристики и свойства на втората резидентна популация от стволови клетки от костен мозък, наречени стромални клетки от костен мозък или мезенхимни стволови клетки, са много по-малко разбрани. Култури in vitro, получени от суспензия на отделен костен мозък от различни видове бозайници, образуват колонии от стромални клетки на костен мозък, всяка от които е получена от единична прекурсорна клетка, наречена образуващ колония фибробласт. Разработени са условия за култивиране за отглеждане на стромални клетки от костен мозък in vitro, които запазват способността да се диференцират в кост, мазнини и хрущял. Голяма част от настоящите знания за тази популация от клетки се основават на анализа на свойствата на тези клетъчни култури, а не на свойствата на първичните клетки, иницииращи колонии. Настоящите доказателства предполагат, че стромалните прогенитори в костния мозък са in situ свързани с външната повърхност на кръвоносните съдове и могат да споделят идентичност с васкуларните перицити.
По този начин стромалните стволови клетки от костен мозък са един вид мезенхимни стволови клетки.
3.5 Тъканно-специфични стволови клетки
Смята се, че стволовите клетки са важни за регенерацията на няколко тъкани на възрастни. Наскоро бяха идентифицирани възрастни стволови клетки с много широк потенциал за диференциация, въпреки че не е известно дали те представляват примитивни стволови клетки или продукти от изключително редки събития на дедиференциране, включващи тъканно-специфични стволови клетки. Трансдиференциацията на тъканно-специфични стволови клетки през границите на линията също е демонстрирана, но относителната неефективност на процеса in vivo, дори при наличие на тъканно увреждане, поставя под въпрос физиологичното значение на такъв механизъм. Интересното е, че сред възрастни стволови клетки. които се култивират ex vivo за продължителни периоди от време, способността за промяна на родословието е най-голяма. Ако решенията за съдбата на нормални, различни стволови клетки могат да бъдат променени при високи честоти in situ, могат да бъдат представени възможни регенеративни терапии за голямо разнообразие от заболявания. Интегралното разбиране на транскрипционната регулаторна мрежа, която включва различни възрастни стволови клетки, както и сигналните пътища, които управляват тяхната диференциация в терапевтично полезни видове клетки, ще улесни клиничното приложение на тези вълнуващи открития.
По този начин тъканно-специфичните стволови клетки са способни да се диференцират в други видове клетки, но in vivo този процес е неефективен. Сега обаче се разработват подходи, които да направят възможно използването на този източник на стволови клетки.
Стволовата клетка е незряла клетка, способна да се самообновява и развива във всички видове специализирани клетки в тялото. Най-важното свойство на стволовите клетки е, че те могат да се самоподдържат дълго време и в същото време да произвеждат диференцирани клетки, които изпълняват специфични функции в тялото. Така всички клетки в нашето тяло възникват от стволови клетки. Стволовите клетки обновяват и заместват клетки, загубени в резултат на всякакви увреждания във всички органи и тъкани. Но тъй като. С израстването на човек се наблюдава катастрофално намаляване на броя на стволовите клетки (при раждането - 1 стволова клетка се открива на 10 хиляди, до 20-25 години - 1 на 100 хиляди, с 30-1 на 300 хиляди) регенерация на тъкани и органи поради тях е силно ограничено .
Терминът "стволови клетки" е въведен в биологията от Александър Максимов през 1908 г. на конгреса на Хематологичното дружество в Берлин. За основател на клетъчната терапия обаче обикновено се смята руският лекар емигрант С. Воронцов, който през 20-30-те години в Париж се опитва да трансплантира фетални тъкани при случаи на преждевременно стареене. Въпреки това тази област на клетъчната биология получи статут на голяма наука през последното десетилетие на 20 век.
Има няколко класификации на стволови клетки:
Според техния метод на диференциация:
Тотипотентните клетки са способни да образуват всички видове ембрионални и екстраембрионални клетки. Те включват само ембрионалния овоцит и бластомерите на клетъчния стадий 2-8.
Плурипотентните клетки са способни да образуват всички видове клетки в ембриона. Те включват ембрионални стволови клетки, първични зародишни клетки и ембрионални карциномни клетки.
Други видове стволови клетки са локализирани в зрели тъкани на тялото на възрастния човек. Те варират по степен на диференциация от мулти- до унипотентни.
Според източника на тяхната изолация:
Ембрионалните стволови клетки са вътреклетъчната маса на ранния ембрион (на етап бластоцист, дни 4-7 от развитието)
Феталните стволови клетки са ембрионални клетки на 9-12 етапа на развитие, изолирани от абортивен материал.
Възрастни стволови клетки:
Хематопоетичните стволови клетки (HSCs) са мултипотентни стволови клетки, които дават началото на всички кръвни клетки - червени кръвни клетки, В лимфоцити, Т лимфоцити, неутрофили, базофили, еозинофили, моноцити, макрофаги и тромбоцити. В допълнение към костния мозък, HSCs се намират в системното кръвообращение и скелетните мускули.
Мезенхимните стволови клетки са мултипотентни регионални стволови клетки, открити във всички мезенхимни тъкани (главно в костния мозък), способни да се диференцират в различни видове мезенхимни тъкани, както и в клетки от други зародишни слоеве.
Стромалните стволови клетки са мултипотентни възрастни стволови клетки, които образуват стромата на костния мозък и имат мезенхимен произход.
Тъканно-специфичните стволови клетки се намират в различни видове тъкани и са отговорни основно за обновяването на тяхната клетъчна популация; те са първите, които се активират при увреждане. Те имат по-нисък потенциал от стромалните клетки на костния мозък.
Видове тъканно-специфични стволови клетки:
Невронни стволови клетки в мозъка - пораждат три основни типа клетки: нервни клетки (неврони) и две други групи не-невронни клетки - астроцисти и олигодендроцисти
Кожни стволови клетки – разположени в базалните слоеве на епидермиса и близо до основата на космените фоликули, които могат да дадат начало на кератоцити, които мигрират към повърхността на кожата и образуват защитния слой на кожата
Стволовите клетки на скелетните мускули са изолирани от набраздени мускули, те са способни да се диференцират в клетки на нервната, хрущялната, мастната и костната тъкан и набраздените мускули. Въпреки това, последните проучвания показват, че скелетните мускулни клетки не са нищо повече от мезенхимни стволови клетки, локализирани в мускулната тъкан.
Миокардните стволови клетки са способни да се диференцират в кардиомиоцити и съдов ендотел.
Стволови клетки от мастна тъкан - открити през 2001 г., допълнителни изследвания оттогава показват, че тези клетки могат да се превърнат в други видове тъкани, от тях е възможно да се отглеждат клетки на нерви, мускули, кости, кръвоносни съдове или поне клетки, които имат свойства, изброени по-горе.
Стромални клетки на гръбначния мозък (мезинхимни стволови клетки): пораждат различни видове клетки.
Уместността на проблема със стволовите клетки е извън съмнение, тъй като потенциалът на стволовите клетки тепърва започва да се използва от науката. Учените се надяват в близко бъдеще да създадат от тях тъкани и цели органи, от които пациентите се нуждаят за трансплантация вместо донорски органи. Предимството им е, че могат да се отглеждат от собствените клетки на пациента и няма да предизвикат отхвърляне. Медицинските нужди от такъв материал са практически неограничени.
5. Препратки