«Стволовые клетки» Проекторная работа
advertisement
Муниципальное общеобразовательное учреждение Пичаевская средняя общеобразовательная школа Исследовательский проект по биологии СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ Выполнили: ученицы 10 класса Б Клемешова Марина, Кожевникова Анастасия; ученица 11 класса Б Хайруллаева Алина Руководитель: Жмырова Валентина Александровна ЦЕЛЬ ПРОЕКТА ВЫЯСНИТЬ РОЛЬ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В ПРОДЛЕНИИ ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА ЗАДАЧИ ПРОЕКТА • Собрать сведения о стволовых клетках из информационных источников. • Изучить материал о роли стволовых клеток в сохранении здоровья и продлении жизни человека за счёт трансплантации органов, выращенных на основе стволовых клеток. • Сделать выводы о значении стволовых клеток. ГИПОТЕЗА Если стволовые клетки способны к самообновлению, то возможно восстановление организма человека ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЙ ВОПРОС Миф или реальность? Стволовые клетки - прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Они призваны восстанавливать организм человека с момента его рождения. С возрастом количество стволовых клеток в организме катастрофически снижается. У новорожденного 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам – 1 на 100 тысяч, к 30 – 1 на 300 тысяч. К 50летнему возрасту в организме уже остается всего 1 стволовая клетка на 500 тысяч. Истощение запаса стволовых клеток вследствие старения или тяжёлых заболеваний лишает организм возможностей самовосстановления. Из-за этого жизнедеятельность тех или иных органов становится менее эффективной. В 1908 году гистолог, профессор военномедицинской академии в Санкт-Петербурге Александр Максимов (1874-1928) исследовал развитие клеток крови. Исследования привели к стройной теории. В так называемом красном костном мозге живут специальные клетки, единственное занятие которых – делиться. После каждого деления получается две клетки, одна из них выбирает карьеру кровяной, а другая подрастает и снова делится. На схематическом изображении делящиеся клетки как бы образуют «ствол», от которого в каждом цикле вбок отходят «веточки» – клетки, приобретающие «профессии». Поэтому Александр Максимов назвал клетку – прародительницу всех клеток крови – стволовой. Хотя термин «стволовая клетка» был введен в биологию еще в 1908 году, статус большой науки эта область клеточной биологии получила лишь в 90-х годах прошлого века. А в 1999 году журнал Science признал открытие стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Один из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймс Уотсон, комментируя открытие стволовых клеток, отметил, что устройство стволовой клетки уникально, поскольку под влиянием внешних инструкций она может превратиться в зародыш либо в линию специализированных соматических клеток. В шестидесятые годы XX века Тил и Маккулох , а также Меткаф и его сотрудники показали, что внутривенное введение костномозговых клеток от здоровой сингенной к летально облученной мыши приводит к образованию колоний из клеток всех направлений гемопоэтической дифференцировки в селезенке. С разработкой клонального метода для выявления клеток предшественников in-vitro, так называемых колониеобразующих единиц (КОЕ), стало возможным проследить за дифференцировкой всех миелоидных ростков. Фриденштейн А. Я. и его сотрудники впервые показали, что в костном мозге, помимо гемопоэтических имеются стромальные стволовые клетки, которые при культивировании формировали колонии фибробластноподобных клеток. Пересадка таких колоний под капсулу почки мыши в диффузионной камере приводило к формированию костной или адипозной ткани В 1981 году американский биолог Мартин Эванс впервые выделил недифференцированные плюрипотентные линии стволовых клеток — бластоцисты мыши. В 1998 году Д. Томпсон и Д. Герхарт выявили бессмертную линию эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). В 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Классификация стволовых клеток по их способности к дифференциации: 1) Тотипотентные клетки способны формировать все эмбриональные и экстра-эмбриональные типы клеток. К ним относятся только оплодотворённый ооцит и бластомеры 2 – 8 клеточной стадии. 2) Плюрипотентные клетки способны формировать все типы клеток эмбриона. К ним относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки. 3) Другие типы стволовых клеток локализуются в сформировавшихся тканях взрослого организма (adult stem cells). Они варьируют по способности к дифференцировке от мульти- до унипотентных. Классификация стволовых клеток по источнику их выделения: 1.Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) - внутриклеточная масса раннего эмбриона (на этапе бластулы 4-7 день развития). 2. Фетальные стволовые клетки - клетки зародыша на 9-12 неделе развития, выделенные из абортивного материала. 3. Стволовые клетки взрослого организма: -Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) - мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови: крови - эритроцитам, В-лимфоцитам, Тлимфоцитам, нейтрофилам, базофилам, эозинофилам, моноцитам, макрофагам и тромбоцитам Кроме костного мозга ГКС обнаружены в системном кровотоке и скелетных мышцах. - Мезенхимные стволовые клетки - мультипотентные региональные стволовые клетки, содержащиеся во всех мезенхимальных тканях (главным образом в костном мозге), способные к дифференцировке в различные типы мезенхимальных тканей, а так же в клетки других зародышевых слоёв. - Стромальные стволовые клетки - мультипотентные стволовые клетки взрослого организма, образующие строму костного мозга (поддерживающую гемопоэз), имеющие мезенхимальное происхождение. -Тканеспецифичные стволовые клетки - располагаются в различных видах тканей и в первую очередь, отвечают за обновление их клеточной популяции, первыми активируются при повреждении. Обладают более низким потенциалом, чем стромальные клетки костного мозга. 1. Нейрональные стволовые клетки в головном мозге -дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум группам не нейрональных клеток - астроцитам и олигодендроцитам. 2.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. 3. Стволовые клетки скелетной мускулатуры - выделяют из поперечно полосатой мускулатуры., они способны к дифференцировке в клетки нервной, хрящевой, жировой и костной тканей, поперечнополосатой мускулатуры. Однако последние исследования показывают, что клетки скелетной мускулатуры, это не что иное, как мезенхимные стволовые клетки, локализованные в мышечной ткани. 4. Стволовые клетки миокарда - способны дифференцироваться в кардиомиоциты и эндотелий сосудов. 5. Стволовые клетки жировой ткани - обнаружены в 2001 году, проведенные с тех пор дополнительные исследования показали, что эти клетки могут превращаться и в другие типы тканей, из них можно выращивать клетки нервов, мышц, костей, кровеносных сосудов, или по крайней мере, клетки, имеющие свойства вышеперечисленных. 6. 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. 8. Эпителиальные стволовые клетки пищеварительного тракта расположены в глубоких складках оболочек кишечника и могут давать начало разным типам клеток пищеварительного тракта. 9. Стволовые клетки пуповины и амниотической жидкости. Стволовые клетки головного мозга Эмбриональные стволовые клетки для выращивания новой кожи. Стволовые клетки скелетной мускулатуры Стволовые клетки миокарда Стволовые клетки жировой ткани Стволовые клетки спинного мозга Стволовые клетки пищеварительного тракта Культура стромальных стволовых клеток, взятых из пуповины новорожденного. Культура стромальных стволовых клеток костного мозга человека. Два направления использования стволовых клеток - клеточная терапия и выращивание органов для трансплантации. Ученые надеются в ближайшем будущем создавать из них ткани и целые органы, необходимые больным для трансплантации. Их преимущество перед донорскими органами в том, что их можно вырастить из клеток самого пациента, и они не будут вызывать отторжения. Потребности медицины в трансплантационном материале практически неограниченны. На сегодняшний день только 10-20 процентов людей восстанавливают здоровье благодаря удачной пересадке органа. А 7080 процентов пациентов погибают без лечения во время ожидания операции. Стволовые клетки в каком-то смысле действительно могут стать источниками «запчастей» для нашего организма. Уже сегодня ведутся исследования по использованию стволовых клеток при лечении различных болезней. Клеточная терапия находит применение в кардиологии. Ведутся работы по созданию методов лечения сахарного диабета, болезни Паркинсона, онкологических заболеваний... Первые успехи клеточной терапии приводят к пониманию того, что каждый человек должен иметь запас собственных стволовых клеток для лечения различных болезней. В США давно практикуется взятие крови из пуповины новорожденного малыша с последующим ее замораживанием. Теперь услуги по банкированию пуповинной крови предлагаются и России.В дальнейшем, если у этого ребенка возникнут какие-то проблемы со здоровьем, его замороженные стволовые клетки можно разморозить, размножить и направить их в организм для восстановления определенного типа клеток. В 2004 году японские ученые впервые в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток. Японские ученые первыми в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток человеческого эмбриона. Об этом 26 марта 2004 года сообщила японская газета Yomiuri. Как отмечает издание, группа исследователей из медицинской школы Киотского университета под руководством профессора Кадзува Накао использовала капиллярные клетки, генерированные из стволовых клеток, импортированных в 2002 году из Австралии. До сих пор исследователям удавалось регенерировать лишь нервные клетки и мышечную ткань, что недостаточно для "производства" цельного органа. В 2005 году американские ученые впервые вырастили полноценные клетки головного мозга. Ученые из Флоридского университета (США) первыми в мире вырастили полностью сформированные и приживающиеся клетки головного мозга. Как сообщил руководитель проекта Бьорн Шеффлер, вырастить клетки удалось путем «копирования» процесса регенерации клеток головного мозга. Теперь ученые надеются выращивать клетки для трансплантации, что может помочь в лечении болезней Альцгеймера и Паркинсона.Шеффлер отметил, что ранее ученым удавалось выращивать нейроны из стволовых клеток, однако именно во Флоридском университете удалось получить полноценные клетки и изучить процесс их роста от начала до конца. В 2005 году ученым удалось воспроизвести нервную стволовую клетку. Итальянско-британская группа ученых из эдинбургского и миланского университетов на основе неспециализированных эмбриональных стволовых нервных клеток научилась создавать in vitro различные типы клеток нервной системы. Ученые применили уже разработанные методы управления эмбриональными стволовыми клетками к полученным ими более специализированным нервным стволовым клеткам. Результаты, которые были достигнуты на клетках мышей, были воспроизведены и на человеческих стволовых клетках. В интервью, данном агентству BBC, Стивен Поллард из Эдинбургского университета пояснил, что разработка его коллег поможет воссоздать болезнь Паркинсона или болезнь Альцгеймера «в пробирке». Это позволит лучше понять механизм их возникновения и развития, а также обеспечит фармакологов мини-полигоном для поиска подходящих средств лечения. Соответствующие переговоры с фармакологическими компаниями уже ведутся. В 2006 году швейцарсцкие ученые вырастили из стволовых клеток клапаны человеческого сердца. Осенью 2006 года доктор Саймон Хоерстрап и его коллеги из университета Цюриха впервые вырастили человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Это достижение может сделать реальным выращивание клапанов сердца специально для ещё не родившегося ребёнка, если у него, ещё в утробе матери, обнаружатся дефекты сердца. А вскоре после рождения младенцу можно будет пересадить новые клапаны. В 2006 году британские ученые вырастили из стволовых клеток ткани печени. Осенью 2006 года британские ученые из университета Ньюкасла объявили о том, что первыми в мире вырастили в лабораторных условиях искусственную печень из стволовых клеток, взятых из пуповинной крови. Техника, которая использовалась при создании «минипечени», размером в 2 см, будет разрабатываться дальше, чтобы создать нормально функционирующую печень стандартного размера. В 2006 году в США впервые выращен сложный человеческий орган - мочевой пузырь. Американские ученые смогли вырастить в лабораторных условиях полноценный мочевой пузырь. В качестве материала были использованы клетки самих пациентов, нуждающихся в пересадке. "Путем биопсии можно взять кусочек ткани, а спустя два месяца ее количество умножится в несколько раз, - объясняет директор института регенеративной медицины Энтони Атала. Исходный материал и особые вещества мы кладем в специальную форму, оставляем в специальном лабораторном инкубаторе и через несколько недель получаем готовый орган, который уже можно пересаживать". Первую трансплантацию провели еще в конце 90-х. Операцию по пересадке мочевого пузыря сделали семи пациентам. Результаты оправдали ожидания ученых, и сейчас специалисты разрабатывают методы создания еще 20-ти органов - среди них сердце, печень, кровеносные сосуды и поджелудочная железа. В 2006 году американским ученым удалось получить из стволовых клеток клетки мышц. Осенью 2006 года директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе Катрин Верфэйл продемонстрировала возможность получения клеток гладкой мускулатуры из стволовых клеток взрослого организма. Клетки были выделены из костного мозга взрослых особей мышей, крыс, свиней и человека. Образование клеток гладкой мускулатуры из многофункциональных клеток похоже на обычное развитие мышечных клеток, причем новые клетки обладают всеми функциональными особенностями нормальных клеток гладкой мускулатуры. В 2007 году стволовые клетки помогли британским ученым создать часть сердца человека. Весной 2007 года группе британских ученых, состоящая из физиков, биологов, инженеров, фармакологов, цитологов и опытных клиницистов, под руководством профессора кардиохирургии Магди Якуба впервые в истории удалось воссоздать одну из разновидностей тканей человеческого сердца при помощи стволовых клеток костного мозга. Эта ткань выполняет роль сердечных клапанов. Если дальнейшие испытания пройдут успешно, разработанную методику можно будет применять для выращивания из стволовых клеток полноценного сердца для трансплантации больным. В 2007 году японские ученые вырастили из стволовых клеток роговицу глаза. Весной 2007 года на симпозиуме по вопросам репродуктивной медицины в городе Иокогама были обнародованы результаты уникального эксперимента специалистов Токийского университета. Исследователи использовали стволовую клетку, взятую из края роговицы. Такие клетки способны развиваться в различные ткани, выполняя в организме восстановительные функции. Выделенная клетка была помещена в питательную среду. Спустя неделю она развилась в группу клеток, а на четвертой неделе преобразовалась в роговицу диаметром 2 см. Таким же образом был получен тонкий защитный слой (конъюнктива), покрывающий роговицу снаружи. Ученые подчеркивают, что впервые полноценная ткань человеческого организма выращена из единственной клетки. Пересадка органов, полученных новым способом, исключает риск переноса инфекций. Японские ученые намерены приступить к клиническим испытаниям сразу после того, как удостоверяться в безопасности новой технологии. В 2007 году японские ученые вырастили зуб из стволовых клеток. Японским ученым удалось вырастить зуб из одной клетки. Его вырастили в лабораторных условиях и пересадили мыши. Инъекция клеточного материала была произведена в коллагеновый каркас. После выращивания оказалось, что зуб принял зрелую форму, которая состояла из полноценных частей, таких как дентин, пульпа, сосуды, периодонтальные ткани, и эмаль. По словам исследователей, зуб был идентичен естественному. После трансплантации зуба лабораторной мыши он прижился и функционировал полностью нормально. Данный метод позволит выращивать целые органы из одной-двух клеток, говорят исследователи. В 2008 году японские ученые создали тромбоциты из стволовых клеток. Японские исследователи из Медицинского института при Токийском университете заявили, что им удалось успешно разработать кровяные пластинки или тромбоциты из эмбриональных стволовых клеток человека. Медики говорят, что в полученную из костного мозга мыши клетку был внедрен особый вид белка, создав тем самым среду, сходную с костным мозгом человека. Группа затем культивировала в этой среде эмбриональные клетки человека. Примерно через 3 недели некоторые из этих стволовых клеток превратились в клетки костного мозга под названием мегакариоциды, из которых были произведены тромбоциты с нормальными функциями. Ученые теперь будут улучшать эффективность производства кровяных пластинок, чтобы их можно было использовать при переливании крови. В 2008 году американские ученые смогли вырастить новое сердце на каркасе от старого. Дорис Тейлор (Doris Taylor) и её коллеги из университета Миннесоты (University of Minnesota) создали живое сердце крысы, используя необычную технику. Ученые взяли взрослое сердце крысы и поместили его в специальный раствор, который удалил из сердца все клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Этот очищенный каркас был засеян клетками сердечной мышцы, взятыми у новорождённой крысы, и помещён в среду, имитирующую условия в организме. Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь, хотя и всего на 2-процентном уровне мощности (считая от здорового взрослого сердца). Таким образом, учёные получили работоспособный орган из клеток второго животного. Этим путём в будущем можно было бы обрабатывать сердца, взятые для пересадки, для исключения отторжения органа. "Так вы можете сделать любой орган: почку, печень, лёгкое, поджелудочную железу", — говорит Тейлор. Донорский каркас, определяющий форму и структуру органа, будет наполняться родными для больного специализированными клетками, сделанными из стволовых. Любопытно, что в случае с сердцем в качестве основы можно попробовать взять сердце свиньи, анатомически близкое к человеческому. Удалив только мышечную ткань, прочие ткани такого органа можно будет уже дополнить культивированными человеческими клетками сердечной мышцы, получив гибридный орган, который, по идее, должен хорошо прижиться. А новые клетки будут сразу хорошо снабжаться кислородом — благодаря старым сосудам и капиллярам, оставшимся от сердца донора. Использование стволовых клеток в медицине. ОНКОЛОГИЯ И ГЕМАТОЛОГИЯ. СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ. БОЛЕЗНИ ГОЛОВНОГО МОЗГА. БОЛЕЗНИ СПИННОГО МОЗГА. ТРАНСПЛАНТОЛОГИЯ. ТЕСТИРОВАНИЕ НОВЫХ ЛЕКАРСТВ. Использование стволовых клеток в косметологии Омоложение при помощи клеточной косметики Применение клеточных технологий позволяет компенсировать возрастные изменения. Попадая в кожу, препарат стволовых клеток стимулирует синтез коллагеновых и эластических волокон и укрепление каркаса дермы, восстановление микроциркуляции, усиление обменных процессов и кровообращения. Привнесенные извне фибробласты способствуют исчезновению морщин и обновлению кожи. Происходящие в коже структурные изменения отражаются на ее внешнем виде: восстанавливается здоровый цвет, повышается тургор и эластичность, разглаживаются мелкие морщинки, глубина средних и глубоких морщин уменьшается, кожа становится бархатистой на ощупь, исчезают сухость и шелушение. При введении в виде инъекций препарат стволовых клеток играет роль имплантата, восполняющего существующий в области морщины дефицит ткани. Объясняется это тем, что, стимулируя деление клеток и образование новых коллагеновых волокон, стволовые клетки замещают недосток дермы. Поскольку препарат является живой культурой, процесс регенерации кожи и разглаживания морщин происходит естественным образом. Использование стволовых клеток в косметологии Наряду с заболеваниями, применение стволовых клеток в лечении которых оказывается весьма успешным, существует список болезней, лечить которые стволовыми клетками ученые на данный момент не научились. Впрочем, никто не гарантирует, что в ближайшем будущем этого не произойдет, поэтому надежда на излечение все же остается. Вот список заболеваний, при которых стволовые клетки остаются неэффективны: Диабет 1 типа Рак, онкология Катаракта Глаукома Менопауза Вывод: Стволовые клетки - надежда регенеративной медицины.
