Стовбурові клетки
реклама
Стволовые клетки. Обзор Стволовые клетки. Обзор. Стволовые клетки. Обзор....................................................................................... 1 I. Введение.......................................................................................................... 1 ІІ. Чем отличаются стволовые клетки от других типов клеток?..................................2 III. Какими бывают стволовые клетки?................................................................... 4 IV. Что такое взрослые стволовые клетки?.............................................................. 7 V. Что общего и какие отличия между эмбриональными и взрослыми стволовыми клетками?......................................................................................... 11 VI. Какие потенциальные возможности применения человеческих стволовых клеток, и какие препятствия надо преодолеть для реализации этого потенциала?.............. 12 VII. Где можно получить больше информации?...................................................... 13 I. Введение Стволовые клетки имеют замечательную возможность развиваться в различные типы клеток организма. Они являются своеобразной системой для ремонта тканей тела. Теоретически, они могут продолжать делиться длительное время и замещать другие клетки организма на протяжении всей жизни человека или животного. При последовательном делении стволовой клетки каждая новая клетка имеет две возможности: дальше оставаться стволовой, либо стать клеткой другого типа со специализированными функциями, например мышечными клетками, клетками крови или нервными клетками. Исследование стволовых клеток расширяет наши знания о том, как целый организм развивается из одной лишь клетки, и как новые, здоровые клетки, уже во взрослом организме, заменяют поврежденные. Изучение свойств стволовых клеток раскрывает широкие возможности для применения клеточной терапии в лечении многих тяжелых заболеваний в будущем. Исследование стволовых клеток, как и многие другие направления стремительного научного поиска, ставят новые вопросы еще чаще, чем дают ответы на предыдущие вопросы. Эта статья подготовлена на основе информации Американского Национального Института Здоровья (National Institute of Health) (http://stemcells.nih.gov/info/basics/) для того, чтобы дать читателям информацию и, по возможности, попробовать ответить на такие вопросы: Что такое стволовые клетки? Какие типы стволовых клеток существуют и откуда они берутся? Какие перспективы разработки новых методов лечения с применением стволовых клеток? Какие исследования нужно еще провести для того, чтобы такие методы лечения стали реальностью? A. Что такое стволовые клетки и почему они настолько важны? Стволовые клетки имеют две главные особенности, которые отличают их от других типов клеток. Во-первых, они являются неспециализированными клетками, и воссоздают сами себя на протяжении длительного времени путем клеточного деления. Во-вторых, при определенных 1 Стволовые клетки. Обзор физиологических или экспериментальных условиях, они могут превращаться в специализированные клетки, такие, например, как способные к постоянным сокращениям клетки сердечной мышцы, или клетки поджелудочной железы, продуцирующие инсулин. Исследователи работают преимущественно с двумя типами стволовых клеток животных или человека: эмбриональными стволовыми клетками и взрослыми стволовыми клетками, которые имеют разные функции и характеристики. Уже более 20 лет тому исследователи нашли способ получать стволовые клетки из ранних эмбрионов мышей. Многолетние исследования биологии мышиных стволовых клеток подтолкнули в 1998 году к открытию способа выделения стволовых клеток человеческого эмбриона и выращивания этих клеток в лаборатории. Эти клетки называются человеческими эмбриональными стволовыми клетками. Для этих исследований используют полученные in vitro (в пробирке), в процессе искусственного оплодотворения эмбрионы, которые уже не нужны для лечения бесплодия, и которые, по согласию донора, передаются для научных исследований. Стволовые клетки являются важными для живых организмов по многим причинам. Из стволовых клеток 3-5 дневного эмбриона, который называется бластоциста, развиваются разные специализированные типы клеток, из которых потом формируются сердце, легкие, кожа и другие ткани. В некоторых тканях взрослого организма, например в костном мозге, мышцах и головном мозге, изолированная популяция взрослых стволовых клеток создает новые клетки, которые могут заменить утраченные или поврежденные клетки. Исследования стволовых клетки проводят в лабораторных условиях для изучения их основных свойств и их отличий от специализированных типов клеток. Детальное изучение стволовых клеток даст возможность применять эти клетки не только для развития методов клеточной терапии, но и для изучения действия новых лекарства и изучения механизмов возникновения дефектов и аномалий развития человека. Исследователи допускают, что в недалеком будущем стволовые клетки будут служить основой для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, диабет или болезни сердца. Но поскольку человеческие эмбриональные клетки изучаются лишь с 1998 года исследователи интенсивно изучают фундаментальные свойства стволовых клеток. Важнейшими вопросами для них являются: • узнать каким образом стволовые клетки остаются неспециализированными и восстанавливают сами себя на протяжении многих лет; • расшифровать сигналы, которые дают клетке приказ стать специализированной. ІІ. Чем отличаются стволовые клетки от других типов клеток? Стволовые клетки отличаются от других клеток тела. Все стволовые клетки, независимо от их источника, имеют три общих свойства: они могут делиться и восстанавливать себя на протяжении длительного времени; они являются неспециализированными; и они могут при определенных обстоятельствах превращаться в специализированные типы клеток. Исследователи пытаются понять два основных свойства стволовых клеток, связанных с их способностью к продолжительному самообновлению: 2 Стволовые клетки. Обзор 1. Почему эмбриональные стволовые клетки размножаются на протяжении года и дольше в лабораторных условиях, не дифференцируясь при этом, а большинство взрослых стволовых клеток этого не может? 2. Какие факторы в живом организме регулируют размножение стволовых клеток и их самообновление? Ответ на эти вопросы даст возможность понять пути регуляции размножения клеток во время нормального развития эмбриона и во время патологического размножения клеток, что характерно для раковых заболеваний. Важно, что эта информация даст возможность ученым значительно эффективнее выращивать эмбриональные и взрослые стволовые клетки в лабораторных условиях. Стволовые клетки являются неспециализированными. Одним из основных свойств стволовых клеток является отсутствие у них специфических структур, дающих им возможность выполнять определенные функции. Стволовые клетки не могут работать вместе со своими соседями для того, чтобы перекачивать кровь по сосудам тела (как клетки сердечной мышцы); они не могут переносить молекулы кислорода по кровяному руслу (как красные кровяные клетки - эритроциты); и они не могут передавать электрохимические сигналы другим клеткам, что дает возможность телу двигаться или разговаривать (как нервные клетки). Тем не менее, неспециализированные стволовые клетки могут превращаться в специализированные, включая клетки сердечной мышцы, клетки крови и нервные клетки. Стволовые клетки могут делиться и восстанавливать себя на протяжении продолжительного периода. В отличие от мышечных клеток, клеток крови или нервных клеток - которые в норме не могут размножаться - стволовые клетки могут многократно воссоздавать себя. Воссоздание клетки самой себя много раз называется пролиферацией - размножением. Популяция стволовых клеток, которая размножается в лабораторных условиях, может разрастись до миллионов клеток. Если эти клетки остаются неспециализированными, как и их родительские стволовые клетки, то считается, что эти клетки способны к продолжительному самообновлению. Специфические факторы и условия, которые позволяют стволовым клеткам оставаться неспециализированными очень интересуют исследователей. Им необходимо были многолетние пробы и ошибки, чтобы научиться выращивать стволовые клетки в лаборатории и не допустить их спонтанной дифференциации в специфические типы клеток. Например, исследователям необходимо было 20 лет, чтобы научиться выращивать человеческие эмбриональные стволовые клетки уже после того, как была разработана технология выращивания стволовых клеток мыши. Очень важным направлением исследований является изучения сигналов в живом организме, которые побуждают популяцию стволовых клеток к пролиферации (размножению) и при этом оставаться неспециализированными до тех пор, пока эти клетки не будут нужными для восстановления или ремонта специфических тканей. Эта информация является необходимой для того, чтобы выращивать значительное количество неспециализированных стволовых клеток для дальнейших экспериментов. 3 Стволовые клетки. Обзор Стволовые клетки дают начало специализированным клеткам. Неспециализированные стволовые клетки могут превращаются в специализированные, и этот процесс называется дифференциацией. На протяжении последних лет исследователи начинают глубже понимать сигналы внутри и извне клеток, которые запускают процесс дифференциации стволовых клеток. Внутренние сигналы контролируются генами самой клетки, которые записаны в длинных цепочках ДНК и сохраняют закодированные инструкции для всех структур и функций клетки. Внешние сигналы к дифференциации клетки включают химические соединения, которые выделяются другими клетками, а также физический контакт с соседними клетками или определенными молекулами в микроокружении. Многие вопросы относительно дифференциации клеток остаются пока еще без ответа. Например, являются ли внутренние и внешние сигналы к дифференциации клеток аналогичными для всех типов стволовых клеток? Можно ли выделить специальные сигналы, стимулирующие дифференциацию в определенный тип клетки? Ответы на эти вопросы могут помочь найти новые пути контроля за дифференциацией клеток в лаборатории и выращивать таким образом клетки и ткани, которые можно будет использовать для клеточной терапии различных заболеваний. Взрослые стволовые клетки преимущественно генерируют клетки, свойственные ткани, в которой они размещаются. Кроветворные взрослые стволовые клетки в костном мозге, например, дают начало многим типам клеток крови, таким как эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. До недавнего времени считалось, что кроветворные клетки костного мозга, так называемые гемопоэтические стволовые клетки, не могут давать начало клеткам других тканей, таким, как нервные клетки головного мозга. Тем не менее, некоторые эксперименты последних лет указывают и на возможность стволовых клеток одной ткани давать начало клеткам совсем другой ткани. Этот феномен называется пластичностью. Примерами такой пластичности могут быть клетки крови, которые становятся нейронами, печеночные клетки, которые могут начать вырабатывать инсулин, и гемопоэтические стволовые клетки, которые могут превращаться в сердечную мышцу. Таким образом, изучение возможности применения взрослых стволовых клеток для клеточной терапии является важным направлением исследований. III. Какими бывают стволовые клетки? A. Какие стадии раннего эмбрионального развития являются важными для создания эмбриональных стволовых клеток? Эмбриональные стволовые клетки, как можно понять из названия, выделяются из эмбриона. В частности, полученных из эмбриональные оплодотворенной искусственного оплодотворения. стволовые клетки in vitro яйцеклетки в выделяются из эмбрионов, специализированных клиниках Клетки передаются для научных исследований по согласию доноров. Они не выделяются из яйцеклеток, оплодотворенных в теле женщины. 4 Стволовые клетки. Обзор Человеческие эмбриональные стволовые клетки выделяют из эмбриона трех или пятидневного возраста. Такой эмбрион является микроскопическим полым шариком клеток, который называется бластоцистой. Бластоциста включает три структуры: трофобласт, который является наружным пластом клеток, окружающих бластоцисту, бластоцель, внутри которая является бластоцисты; и внутренней клеточной массы, группой приблизительно из пустотой которая являются 30 клеток, расположенных в одном конце бластоцели. Рисунок 1: Бластоциста B. Как выращиваются эмбриональные стволовые клетки в лаборатории? Выращенные в лаборатории клетки называют культурой клеток. Человеческие эмбриональные стволовые клетки выделяются путем переноса внутренней клеточной массы в пластиковую лабораторную чашку, в которой имеется питательный бульон, называемый средой культуры. Клетки делятся и распространяются по поверхности чашки. Внутренняя поверхность чашки преимущественно покрыта эмбриональными клетками мыши, обработанными таким образом, чтобы они не размножались. Этот стой покрытия называется питающим слоем. Мышиные клетки располагают на дне чашки для того, чтобы дать клеткам внутренней клеточной массы клейкую поверхность, к которой они могли бы прикрепиться. Эти клетки также выделяют питательные вещества в среду культуры. Недавно исследователи начали разрабатывать методы выращивания эмбриональных стволовых клеток без питающего слоя. Это достижение является важными, поскольку позволяет избежать риска переноса вирусов или других инородных макромолекул из клеток мыши в человеческие клетки. На протяжении нескольких дней клетки внутренней клеточной массы размножаются и начинают наполнять чашку. Тогда их осторожно извлекают и переносят в несколько чистых чашек. Процесс переноса в другие чашки повторяется нескольких много раз месяцев субкультивированием. переноса клеток на протяжении и называется Каждый называется цикл пассажем. Через 6 месяцев или позже, из начальных 30 клеток внутренней клеточной массы вырабатываются миллионы эмбриональных стволовых клеток. Эмбриональные стволовые клетки, которые размножались в культуре клеток на протяжении Рисунок 2: стволовых клеток Выращивание шести или больше месяцев без дифференцирования, эмбриональныхявляются плюрипотентыми (то-есть могут в дальнейшем преобразоваться в различные 5 Стволовые клетки. Обзор другие типы клеток), и выглядят генетически нормальными, называются эмбриональной стволовой клеточной линией. После формирования клеточной линии часть клеток замораживают и пересылают в другие лаборатории для дальнейшего выращивания и проведение экспериментов. C. Какие лабораторные тесты применяются для идентификации эмбриональных стволовых клеток? Во время создания клеточных линий эмбриональных стволовых клеток исследователи проверяют клетки на наличие у них фундаментальных свойств эмбриональных стволовых клеток. Этот процесс называется характеризацией. На сегодня еще не разработан общий согласованный стандартный набор тестов для определения основных свойств клеток. Исследователи также признают, что многие из уже применяемых тестов не являются надежными индикаторами важнейших биологических свойств и функций клеток. Тем не менее, лаборатории, выращивающие человеческие эмбриональные стволовые клеточные линии используют несколько типов тестов. Эти тесты включают: • Выращивание и культивирование стволовых клеток на протяжении многих месяцев. Это подтверждает способность клетки к продолжительному самообновлению. Клетки также исследуются под микроскопом, для того чтобы убедиться, что они здоровы и остаются недифференцированными; • Применение специальных технологий определения наличия поверхностных маркеров, которые присутствуют только у недифференцированных клеток. Другим важным тестом является присутствие протеина, который называется Oct-4, и который преимущественно вырабатывают недифференцированные клетки. Oct-4 является фактором, который помогает включать и исключать гены в соответствующее время, что является важной частью процесса дифференциации клеток и эмбрионального развития; • Изучение хромосом под микроскопом. С помощью этого метода оценивают состояние хромосом, их целостность и количество. Однако эта методика не дает возможности выявить наличие возможных генетических мутаций в клетках; • Определение способности клетки к дальнейшему размножению после замораживания и оттаивания; • Определение плюрипотентности (т.е. возможности дифференцироваться в разные типы клеток) человеческих эмбриональных стволовых клеток. Это осуществляется следующим образом: 1) разрешая клеткам спонтанно дифференцироваться в культуре клеток; 2) стимуляция клетки к дифференцированию в специфические типы клеток; 3) введение клетки в тело мыши с подавленным иммунитетом для проверки образуется ли у них доброкачественная опухоль, которая называется тератома. Тератомы преимущественно состоят со смеси дифференцированных и частично дифференцированных клеток. Это указывает на то, что эмбриональные стволовые клетки могут дифференцироваться в разные типы клеток. 6 Стволовые клетки. Обзор D. Что стимулирует эмбриональные стволовые клетки к дифференциации? Пока эмбриональные определенных стволовые условиях, они клетки выращиваются могут оставаться в культуре клеток при недифференцированными (неспециализированными). Но когда допустить чтобы клетки сгруппировались в комок и сформировали эмбриоидное тело, они начинают спонтанно дифференцироваться. Они могут образовывать мышечные клетки, нервные клетки и много других типов клеток. Хотя спонтанная дифференциация является показателем здоровья культурs, но это далеко не самый эффективный способ получения культуры специфических клеток. Для того чтобы генерировать культуру специфического типа дифференцированных клеток, напр., клеток сердечной мышцы, клеток крови или нейронов - исследователи стараются контролировать процесс дифференцирования эмбриональных стволовых клеток. Они изменяют химический состав среды культуры клеток, изменяют поверхность чашки, или модифицируют клетки, вставляя в них специфические гены. На протяжении продолжительных экспериментов удалось выявить некоторые основные протоколы или „рецепты” для направленной дифференциации эмбриональных стволовых клеток в специфические типы клеток. Если исследователи смогут уверенно управлять дифференцированием эмбриональных стволовых клеток в специфические типы клеток, тогда станет реальной возможность применять полученные дифференцированные клетки для лечения различных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, диабет, травматическое поражение спинного мозга, дегенерация клеток Пуркинье, мышечная дистрофия Дюшена, заболевания сердца, потеря зрения и слуха. IV. Что такое взрослые стволовые клетки? Взрослые стволовые клетки это недифференцированные клетки, которые находятся между дифференцированными клетками в тканях или органах и могут дифференцироваться в основные специализированные типы клеток этой ткани или органа. Основной ролью взрослых стволовых клеток в живом организме является замещение и ремонт тканей, в которых они находятся. Некоторые ученые теперь используют термин соматические стволовые клетки вместо термина взрослые стволовые клетки. В отличие от эмбриональных стволовых клеток, которые походят из внутренней клеточной массы бластоцисты, происхождение взрослых стволовых клеток в зрелых тканях организма неизвестно. Последние результаты исследований взрослых стволовых клеток вызвали большой интерес. Исследователи обнаружили взрослые стволовые клетки в значительно большем количестве разных тканей организма, чем предполагалось ранее. Эти находки и подняли вопрос о том, могут ли взрослые стволовые клетки использоваться для трансплантации. В практике медицины взрослые кроветворные клетки из костного мозга уже используются для трансплантации больным на протяжении 30 лет. Определенные типы взрослых стволовых клеток вероятно способны при определенных условиях дифференцироваться в разные типы клеток. Если эта дифференциация взрослых стволовых клеток может проводиться и контролироваться в лабораторных условиях, то эти клетки могут быть основой лечения многих серьезных заболеваний. 7 Стволовые клетки. Обзор История изучения взрослых стволовых клеток начиналась более 40 лет тому. В 60-х годах было выявлено, что в костном мозге человека находится, по крайней мере, два типа стволовых клеток. Одна группа называется гемопоэтические стволовые клетки, из которых формируются все типы клеток крови. Вторая группа называется стромальные клетки костного мозга, которой были выявленные несколько лет позднее. Стромальные клетки - это смешанная популяция клеток, которая генерирует костную, хрящевую, жировую и фиброзную ткани. Уже в те годы, при исследовании на крысах, было выявлены две зоны головного мозга, в которых обнаружили клетки, которые продолжали делиться и становиться нервными клетками. Не смотря на это, большинство ученых продолжало считать, что новые нервные клетки не могут образовываться во взрослом мозге. Это убеждение существовало вплоть до 90-х годов, когда ученые признали, что мозг содержит стволовые клетки, которые могут генерировать три основных типа клеток мозга: нейроны, т.е., собственно нервные клетки, а также астроциты и олигодендроциты, которые не является собственно нервными клетками, и имеют вспомогательные функции. A. Какие бывают взрослые стволовые клетки и какова их функция? Взрослые стволовые клетки были выявлены во многих органах и тканях. Очень важно знать, что в каждой ткани имеется очень незначительное количество стволовых клеток. Считается, что стволовые клетки находятся в определенной зоне каждой ткани и остаются в „спящем состоянии”, не делясь на протяжении многих лет, пока они не будут активированы заболеванием или повреждением ткани. Стволовые клетки выявлены в головном мозгу, костном мозгу, периферической крови, кровеносных сосудах, скелетных мышцах, коже и печени. Исследователи многих лабораторий пытаются найти способ выращивания взрослых стволовых клеток в культуре клеток и управлять ими, чтобы генерировать специфические типы клеток, которые можно было бы использовать для лечения заболеваний или травм. Примером потенциального лечения является замещения допамин продуцирующих клеток в мозге пациентов с болезнью Паркинсона, получение инсулин- продуцирующих клеток при диабете и восстановление поврежденной сердечной мышцы после инфаркта миокарда. B. Какие тесты используются для выявления взрослых стволовых клеток? Сейчас нет общепризнанных критериев идентификации и проверки взрослых стволовых клеток. Часто используется один или несколько из трех следующих тестов: 1) маркирование клеток в живой ткани с помощью молекулярных маркеров и определение типов клеток, которые они потом генерируют; 2) выделение клеток из живого организма, маркирование их в культуре тканей и пересадка их другому животному для определения возможности размножения этих клеток; 3) выделение клеток, выращивание их в культуре тканей и осуществление на них разных типов влияний, часто добавляя факторы роста, или вводя новые гены, для того чтобы определить, в какой тип дифференцированных клеток они превратятся. Одна взрослая стволовая клетка может генерировать линию генетически идентичных клеток, которые называются клоном, и из которых потом развиваются соответствующие дифференцированные клетки. 8 Стволовые клетки. Обзор Исследователи своими работами стараются доказать, что стволовые клетки могут давать начало росту клонов в культуре клеток, и что чистая популяция стволовых клеток может размножаться после трансплантации взрослому животному. Недавними исследованиями, которые проводились на взрослых стволовых клетках с введенным в них специальным вирусом, который дает возможность идентифицировать каждую отдельную клетку, было показано, что клонированные взрослые стволовые клетки имеют возможность размножаться и восстанавливать поврежденные ткани у взрослых животных. C. Что уже известно о дифференциации стволовых клеток? Как уже указывалось выше, сейчас считается, что взрослые стволовые клетки находятся во многих тканях, могут выбрать обычный путь дифференциации и образовать специализированные клетки той ткани, в которой они находятся. Взрослые стволовые клетки имеют также возможность формировать специализированные клетки других тканей - этот процесс называется трансдифференциация или пластичность. Рисунок 3: Пластичность стволовых клеток Нормальные пути дифференциации взрослых стволовых клеток. В живом организме взрослые стволовые клетки могут делиться на протяжении длительного времени и могут давать начало зрелым типам клеток характерной формы, и со специализированными структурами и функциями. Ниже приведены примеры путей дифференциации взрослых стволовых клеток. 9 Стволовые клетки. Обзор • Гемопоэтические стволовые клетки дают начало всем типам клеток крови эритроцитам, В-лимфоцитам, Т- лимфоцитам, нейтрофилам, базофилам, эозинофилам, моноцитам, макрофагам и тромбоцитам • 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. • Нейрональные стволовые клетки в головном мозге дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум группам не нейрональных клеток астроцитам и олигодендроцитам. • Эпителиальные стволовые клетки пищеварительного тракта расположены в глубоких складках оболочек кишечника и могут давать начало разным типам клеток пищеварительного тракта • 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. Пластичность взрослых стволовых клеток и трансдифференциация. Многочисленные исследования указывают, что определенные взрослые стволовые клетки являются плюрипотентными. Эта способность дифференцироваться в разные типы клеток называется пластичностью или трансдифференциацией. На протяжении последних лет были описаны следующие примеры пластичности взрослых стволовых клеток. • Гемопоэтические стволовые клетки могут дифференцироваться в три основных типа клеток головного мозга (нейроны, олигодендроциты и астроциты); клетки скелетных мышц, клетки сердечной мышце; и клетки печени. • Стромальные клетки костного мозга могут дифференцироваться в клетки сердечной мышцы и клетки скелетных мышц • Клетки ствола мозга могут дифференцироваться в клетки крови и клетки скелетных мышц. Современные исследования направлены на определение механизмов, лежащих в основе пластичности взрослых стволовых клеток. Если ученым удасться контролировать эти механизмы, тогда из существующих стволовых клеток можно будет генерировать клетки для восстановления различных поврежденных тканей. D. Какие основные проблемы в изучении взрослых стволовых клеток? Много важных вопросов относительно взрослых стволовых клеток нуждаются в ответах. Среди этих вопросов особо важными являются следующие: • Сколько существует разных типов взрослых стволовых клеток, и в каких тканях они расположены? • Что является источником стволовых клеток в организме? Остались ли они еще от эмбриональных стволовых клеток, или они образовываются каким-то иным образом? 10 Стволовые клетки. Обзор Почему они остаются недифференцированными тогда, когда все другие клетки вокруг них являются дифференцированными? • Свойственна ли взрослым стволовым клеткам пластичность в обычных условиях, или они трансдифференциируют лишь при манипуляциях над ними в лабораторных условиях? Какие сигналы управляют размножением и дифференциацией стволовых клеток, имеющих способность к пластичности? • Возможно ли руководить взрослыми стволовыми клетками таким образом, чтобы стимулировать их размножение и получение количества, достаточного для пересадки ткани? • Существует ли один тип стволовых клеток, возможно в костном мозге или в крови, который может генерировать клетки любых органов или тканей? • Какие факторы стимулируют стволовые клетки перемещаться к месту повреждения или болезни? V. Что общего и какие отличия между эмбриональными и взрослыми стволовыми клетками? И человеческие эмбриональные, и взрослые стволовые клетки имеют свои преимущества и слабые стороны относительно их потенциала для использования в областях клеточной регенеративной терапии. Взрослые и эмбриональные стволовые клетки отличаются по количеству и типам клеток, которые можно из них получить. Эмбриональные стволовые клетки могут давать начало всем клеткам тела, они плюрипотентные. Взрослые стволовые клетки преимущественно ограничиваются дифференциацией в клетки, характерные для той ткани, в которой они расположены. Тем не менее, существуют данные о возможной пластичности взрослых стволовых клеток и превращении их в различные другие типы клеток. Значительное количество эмбриональных стволовых клеток может быть сравнительно легко выращено в лабораторных условиях, Количество же взрослых стволовых клеток в тканях организма довольно незначительно и, к сожалению, еще не разработаны методы их массового выращивания в культурах клеток. Это является важным отличием для медиков, так как для клеточной терапии необходимы значительные количества стволовых клеток. Потенциальным преимуществом применения стволовых клеток из взрослого организма является возможность использование собственных клеток, которые могут быть размножены в культуре клеток и потом назад имплантированы пациенту. Использование собственных взрослых стволовых клеток означает, что эти клетки не будут отторжении иммунной системой. Это является важным преимуществом, так как отторжение клеток иммунной системой является существенной проблемой, которую можно преодолевать, лишь применяя медикаменты подавляющие иммунитет. Эмбриональные стволовые клетки, введенные от донора, могут быть отторжены организмом реципиента. Тем не менее, отторжение трансплантированных эмбриональных стволовых клеток еще не было доказано в экспериментах на человеке. 11 Стволовые клетки. Обзор VI. Какие потенциальные возможности применения человеческих стволовых клеток, и какие препятствия надо преодолеть для реализации этого потенциала? Человеческие стволовые клетки могут быть применены во многих фундаментальных и клинических исследованиях, тем не менее, имеется много технических преград для их реализации. Исследование человеческих стволовых клеток может дать информацию о тех сложные процессах, которые исследований происходят является дифференцированными. выключение неправильного Известно, опухоли деления время определение, соответствующих злокачественные во что генов. или как и их человека. Первичной недифференцированные основой этого Некоторые аномалии клеток развития процесса серьезные развития клетки является возникают Исследование этих становятся включение заболевания, человека дифференциации. целью такие и как вследствие генетических и молекулярных механизмов контроля этих процессов поможет понять пути возникновения подобных заболеваний и разработать новые стратегии их лечения. Существенной преградой на этом пути является недостаточность информации о сигналах, которые включают и выключают соответствующие гены и, таким образом, влияют на дифференциацию стволовых клеток. Человеческие стволовые клетки могут также применяться для тестирования новых лекарств. Например, дифференцированных безопасность клетках новых образованных медикаментов из можно плюрипотентных проверять клеточных линий. на В настоящее время уже используются для этой цели разные типы клеточных линий. Например, клеточные линии раковых клеток применяются для тестирования потенциальных противораковых препаратов. А легкая доступность плюрипотентных стволовых клеток даст возможность проводить исследование на многих разных типах клеток. Для проведения эффективного тестирования медикаментов важно, чтобы при сравнении эффективности двух лекарств были обеспеченные одинаковые условия. Поэтому, необходимо точно контролировать процесс дифференциации стволовых клеток в специфические клетки, на которых будет проводиться тестирование лекарства. Современный уровень знаний является недостаточным для обеспечения условий получения идентичных дифференцированных клеток для каждого испытания лекарства. Одним из важнейших областей применения человеческих стволовых клеток является генерирования клеток и тканей, которые можно было бы применять при клеточных методах лечения. Сейчас для замены больных или уничтоженных тканей часто применяются донорские органы и ткани, но потребность в тканях и органах для трансплантации далеко превышает предложение. Стволовые клетки, при управляемой их дифференциации в специфические типы клеток, могли бы быть источником для получения клеток и тканей, необходимых для лечения многих заболеваний, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера, травмы спинного мозга, инсульты, ожоги, заболевания сердца, диабет, остеоартрит и ревматоидный артрит. Вероятно, что скоро будет возможность создать в лаборатории здоровые клетки сердечной мышцы и потом пересадить эти клетки пациенту с хроническим заболеванием сердца. Предыдущие исследования на мышах и других животных показывают, что стволовые 12 Стволовые клетки. Обзор клетки из костного мозга, при пересадке их в поврежденное сердце могут генерировать клетки сердечной мышцы, и успешно заменить ткани сердца. Другие исследования, проведенные на культурах клеток, показали возможность управляемой дифференциации эмбриональных стволовых клеток или взрослых стволовых клеток из костного мозга в клетки сердечной мышцы. У больных с сахарным диабетом первого типа клетки поджелудочной железы, которые в норме вырабатывают Последние инсулин, разрушаются исследования указывают на собственной возможность иммунной системой направлять пациента. дифференциацию человеческих эмбриональных стволовых клеток в культуре клеток на формирование инсулин продуцирующих клеток, которые могут быть применены для трансплантационного лечения диабета. Для реализации возможностей клеточной терапии при лечении этих трудных и инвалидизирующих заболеваний, необходимо уметь легко и надежно управлять стволовыми клетками для их успешной дифференциации, трансплантации и приживления. Ниже приведен перечень шагов, необходимых для успешного воплощения клеточной терапии в практику. Для этого необходимо, чтобы стволовые клетки могли: • Интенсивно размножаться и генерировать достаточное количество ткани; • Дифференцироваться в желательный тип клеток; • Выживать у реципиента после трансплантации; • Интегрироваться в окружающие ткани после трансплантации; • Функционировать соответствующим образом на протяжении жизни реципиента; • Ни коим образом не вредить реципиенту. Также, для решения проблемы иммунного отторжения, изучаются разные стратегии создания тканей, которые не будут отторженными. Подытоживая, можно сказать, что будущее применения стволовых клеток очень многообещающе, но необходимы еще годы интенсивных исследований для того, чтобы преодолеть все преграды. VII. Где можно получить больше информации? Для получения дальнейшей информации о последних исследованиях стволовых клеток советуем посмотреть: http://stemcells.nih.gov/ - Официальный источник информации о стволовых клетках американского Национального Института здоровья http://www.transplantology.com/ http://www.celltranspl.ru/ - Портал трансплантологов Украины - Сайт „Клеточные технологии в медицине” Московского Института стволовых клеток человека. Обзор подготовил к.м.н. Олег Качмар – сотрудник Международной клиники восстановительного лечения 13
