Стволовые клетки и их роль в гемопоэзе

Следующие 20 лет биология будет расшифровывать, как план строения организма упаковывается в одну клетку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники стволовых клеток

По происхождению стволовые клетки делятся на эмбриональные, фетальные, взрослые стволовые клетки и клетки кордовой (пуповинной) крови. 
Получение эмбриональных стволовых клеток связано, видимо, с наибольшим количеством проблем, однако и перспективы это направление открывает фантастические. Наиболее распространенный источник получения таких клеток - искусственно оплодотворенные яйцеклетки. Их можно получить или в клиниках по лечению бесплодия, или от доноров. С пятидневного эмбриона изымается внутренняя клеточная масса, из которой в дальнейшем и выращиваются линии эмбриональных стволовых клеток.

Есть данные о первых положительных опытах (по крайней мере, на мышах) с получения эмбриональных стволовых клеток из трофобластов - клеток внешнего слоя бластоцисты, из которых в дальнейшем развиваются плацента и другие плодовспомогательные  структуры. Как известно, пункция таких клеток достаточно широко применяется с диагностической целью (при подозрении на наследственные дефекты) и нарушение нормального эмбрионального развития не вызывает.

Основным источником фетальных стволовых клеток являются абортивные материалы. Искусственное прерывание беременности разрешено во многих странах, в том числе и в Украине. Количество официально зарегистрированных абортов в нашей стране, по разным оценкам, составляет от 300 до 500 тысяч в год, в целом по планете - 50 миллионов. Препараты, полученные из этого материала, могут спасти или облегчить жизнь многим людям. Так, например, эмбриональная печень, которая закладывается на третьей-четвертой неделях развития плода, с шестой недели становится настоящим месторождением эмбриональных кроветворных клеток, способных дифференцироваться во все виды форменных элементов крови, а по некоторым данным и в другие клетки организма. С седьмой-восьмой недель внутриутробного развития кроветворные клетки составляют примерно 60 процентов всех клеток печени. Это количество поддерживается до пятнадцатой недели, затем резко снижается, и при рождении в печени остается лишь несколько кроветворных островков.

С технологической точки зрения, методики получения, хранения и применения эмбриональных гемопоэтических (кроветворных) клеток человека за несколько последних десятилетий отработаны достаточно хорошо, однако с этической точки зрения вызывают критику противников абортов. Последние, в частности, утверждают, что использование абортивного материала с медицинской целью может рассматриваться как поощрение абортов.            
Взрослые стволовые клетки, как показали последние исследования, можно обнаружить практически во всем организме человека, правда, в разных количествах и с различными функциональными и терапевтическими характеристиками. Наиболее перспективными считаются стволовые клетки, содержащиеся в костном мозге, периферической крови, жировой ткани и слизистой носоглотки. Использование донорского костного мозга (а именно в нем выявляют как гемопоэтические, так и мезенхимальные стволовые клетки, которые способны превращаться практически на все виды специализированных клеток) уже позволило спасти жизнь многим гематологическим и онкологическим больным. А вот выделение собственных стволовых клеток с целью дальнейшего их применения в терапевтических целях находится лишь на начальных стадиях развития.

 

 

 

 

 

 

 

 

Клеточная морфология и функции стволовой клетки

Стволовая клетка (stem cell, brainstem cell) - это митотическая активная клетка, способная размножаться и дифференцировать. Во всех органах происходит периодическая смена (обновление) клеточных структур. В результате деления стволовой клетки происходит замещение погибших клеток в многоклеточном организме.

Стволовые клетки классифицируются по их способности дифференцироваться в другие типы клеток. Дифференциация клеток - процесс приобретения клеткой определенного типа, который отличается морфологически, но не генетически, от начальной клетки. Подобная специализация связана с приобретением новых свойств - чаще всего это способность синтезировать различные вещества, но неизбежно связана с потерей способности к делению, или к дифференцированию в другие клеточные типы. Полная классификация включает в себя такие виды стволовых клеток:

1. унипотентные - способны производить только клетки собственного вида, но имеют способность к самоуправлению и обновлению;
2. олигопотентные - способны дифференцироваться в нескольких направлениях;
3. мультипотентные - способны дифференцировать только близкие типы клеток;
4. плюрипотентные происходят от тотипотентних клеток, могут дифференцировать на клетки трех зародышевых слоев;
5. тотипотентные - способны к дифференцированию в любые типы клеток.

Назначение стволовых клеток - восстановление утраченных специализированных клеток. Их уникальные особенности легче всего понять, рассматривая развитие человеческого эмбриона, который изображен на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Иерархия стволовых клеток 

 

Это развитие начинается с оплодотворенной яйцеклетки, что делится,  прикрепляется к стенке матки. Клетки, которые возникают после первого деления, называют тотипотентними, что в переводе с латыни означает “всемогущие”. Эти клетки сохраняют все качества исходной яйцеклетки - любая из них может дать начало новой  человеческой жизни. Генетически тождественные однояйцевые близнецы возникают именно из вторичных тотипотентних клеток, которым по определенным причинам удалось стать самостоятельными. Через четыре дня после первого деления яйцеклетка образует крохотный пузырь - бластоцисту. Клетки бластоцисты уже не равноценны и поэтому не тотипотентны. Из наружного слоя таких клеток образуются зародышевые оболочки и плацента, которые осуществляют связь между организмом матери и эмбрионом. Внутри бластоциста заполнена совершенно другими клетками, которые называют родоначальними или стволовыми. Из такой клетки уже не может сформироваться нормальный зародыш, однако в результате последовательного деления они дают начало всем без исключения типам клеток человеческого организма, которых примерно двести двадцать. Этот вид стволовых клеток называют плюрипотентными, или не дифференцированными.

В ходе развития зародыша плюрипотентные клетки теряют свою универсальность и через две недели превращаются на дифференцированные стволовые клетки с ограниченными возможностями. Они еще сохраняют родоначальный характер, но уже приобретают свойства собственного профиля. Некоторые из них в дальнейшем трансформируются в клетки крови, другие - в клетки кожных покровов, третьи - в клетки печени. Такие специализированные стволовые клетки получили название мультипотентные.

Известно, что они имеются как у детей так и у взрослых, иначе у нас бы не происходило обновление ни крови, ни кожи. Рассеянные по взрослому организму мультипотентные стволовые клетки очень нелегко заметить и изолировать, поскольку внешне они ничем не отличаются от "обычных" клеток той же ткани. Действующие методы поиска и выделения таких клеток появились лишь в конце девяностых годов, а сейчас они все больше совершенствуются. А процесс отделения плюрипотентных стволовых клеток из эмбрионов — операция, технически давно освоена. Поведение и характерные черты стволовых клеток во многом зависят от физиологических особенностей тех тканей, в которых они находятся. Самое ценное свойство стволовых клеток заключается в том, что они могут самоподдерживаться в течение длительного времени и при этом производить дифференцированные клетки, которые выполняют в организме специфические функции, что видно на рисунке 1.2

Рисунок 1.2 - Характерные черты стволовых клеток  

 

I - компартмент стволовых  клеток; А - стволовая клетка, что  в течение длительного времени  же поддерживается и которая  при редких делениях производит  стволовые клетки, которые так  же поддерживаются ограниченное  время и производят транзиторные  клетки;

II - компартмент транзиторных  клеток, которые активно размножаются, но при некоторых условиях  могут вернуться в компартмент I, что показано пунктирной стрелкой  для клетки С;

III - компартмент дифференцированных  клеток, которые выполняют определенные  функции, не размножаются, но в  некоторых тканях сохраняют способность  к пролиферации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значимость стволовых клеток в медицинской биотехнологии

На сегодня наиболее перспективным для практиков и теоретиков является использование в качестве источника стволовых клеток пуповинной крови.

После родов в пуповине, а также в плаценте остается до 100 мл крови, в которой находится наибольшее количество стволовых клеток. Процедура сбора этой крови абсолютно безболезненна и безвредна, а потенциал этих клеток достаточно высокий. Такие клетки являются надежным набором потенциальных «запчастей» для самого ребенка, и с большой долей вероятности могут подойти его близким родственникам. Большим недостатком такого метода является то, что возможность получить эмбриональные стволовые клетки возможно лишь в момент рождения.

На данный момент в мире существуют несколько сотен банков пуповинной крови, а количество образцов, хранящихся в них, приближается к миллиону. В США на два миллиона родов приходятся 100 тысяч вкладов образцов пуповинной крови. Образцы хранятся как в государственных банках-реестрах, так и в коммерческих структурах. В первом случае от родителей требуется только согласие, после чего стволовые клетки их ребенка могут быть использованы в научных или клинических целях без обязательств перед «донорами». В Украине на данный момент существует единственный криобанк пуповинной крови, причем работает он по уникальной методике, которая предусматривает показатель выживания стволовых клеток до 96 процентов, тогда, как по западным технологиям этот показатель составляет 70-80 процентов.

Стволовые клетки кордовой крови, кроме доступности, безопасности, абсолютной этичности и законности их получения, имеют еще целый ряд преимуществ. Их способность к делению в восемь-десять раз выше, чем у «взрослых» стволовых клеток. Кроме того, иммунологическая «незрелость» «новорожденных» клеток существенно повышает шансы для успешного применения.

Понятие о гемопоэтической стволовой клетке

Клеточная морфология стволовой кроветворной клетки

При нормальном процессе кроветворения продуцируется большое количество клеток крови. В основе процесса новообразования клеток находится клетка или клетки, способные к самовоспроизведению. Дочерние элементы таких клеток могут не отличаться от исходной за пролиферативным потенциалом и дифференцированием. Клетка, которая владеет по меньшей мере двумя свойствами, а именно, способностью к самоподдержанию и способностью к дифференцированию, называется стволовой клеткой ткани, что обновляется. Стволовые клетки способны восстанавливать кроветворение у облученных животных, длительно его поддерживать и давать начало всем росткам кроветворения.

Все клетки гемопоетического происхождения образуются из  стволовых кроветворных клеток (СКК), локализованных в костном мозге, что дают начало клеткам четырех основных направлений дифференцирования:

• еритроидного (эритроциты);
• мегакариоцитарного(тромбоциты);
• миелоидного (гранулоциты);
• моноядерные фагоциты
• лимфоидного (лимфоциты)

СКК находятся в состоянии постоянной и интенсивной репопуляции, то есть мигрируют из одних кроветворных органов в другие через кровь. Доказательством этого является тот факт, что СКК всегда можно найти в крови в виде клеток, способных восстановить гемопоэз облученных животных.

Морфологически СКК не идентифицированы, что связано с их малой концентрацией в костном мозге (103-104). Описано морфологию так называемого кандидата в стволовую клетку крови, полученного специальными методами. Эта клетка подобна лимфоцитам костного мозга. Форма круглая или овальная с диаметром примерно 8 мкм, ядерно-цитоплазматическое соотношение больше трех, то есть клетка ядерного типа. Диаметр ядра 5 мкм, овальной или круглой формы с волнообразными краями, с плотными скоплениями хроматина возле ядерной мембраны. Ободок цитоплазмы тонкий,  много одиночных рибосом, небольшое количество митохондрий и канальцев гранулированной эндоплазматической сетки, комплекс Гольджи наблюдается очень редко.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функциональные возможности кроветворной клетки

 

Существует много различных точек зрения относительно функциональных возможностей кроветворной клетки. Считают, что СКК имеет способность к само поддержанию и воспроизводству себе подобных клеток, учитывая потребности гемопоэза. Другие утверждают что определенное количество гемопоэтических клеток закладывается еще в период эмбрионального развития плода с расчетом на всю жизнь.

Стволовым клеткам костного мозга, в определенной степени свойственна универсальность эмбриональных стволовых клеток. Эти “взрослые” стволовые клетки обладают свойствами эмбриональных стволовых клеток, но получить такого вида клетки достаточно сложно. Важным фактором является то, что при медицинском применении таких стволовых клеток не нужно уничтожать эмбрион человека.

Изолированные из крови и костного мозга “взрослые” стволовые клетки, которые называются стволовыми кроветворными (СКК) или гемопоэтическими клетками , способны постоянно само обновляться в костном мозге и дифференцировать, образуя все типы клеток крови.

Стволовые клетки могут образовывать кровь, поэтому говорят, что запасы крови и плазмы уже не будут нужны. В течение многих лет врачи использовали эти клетки для лечения определенных заболеваний крови. Такое лечение проводили с помощью трансплантации костного мозга, в котором содержится много кроветворных стволовых клеток.

В клинических исследованиях, которые проводились ранее, такие кроветворные стволовые клетки применяли при лечении туберкулеза кожи. Подобным методом можно было бы лечить диабет, но при условии, что новая ткань не имеет того же аутоиммунного нарушения, которое повлекло болезнь. Клеточная терапия может помочь людям с определенными болезнями сердца. Для этого предлагают заранее брать у пациента из группы риска его собственные стволовые клетки и культивировать для того, чтобы впоследствии заменить ими больные ткани сердца.