Стволовые клетки. Значение в медицине

 

АО Медицинский Университет Астаны

 

СРС

Тема: Стволовые клетки. Значение в медицине.

 

 

Выполнила

142 группа ОМ

  Проверила:

 

 

 

 

 

 

Астана-2013

 

 

1. Введение
2. Свойства
3. Самообновление
4. Дифференцирующий потенциал
5. Классификация
6. Стволовые клетки и рак
7. Использование в медицине
8. Примечания 
9. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Понятие «стволовые клетки» впервые появилось в России еще в начале прошлого века. Тогда великий российский гистолог А.А.Максимов, изучая процесс кроветворения, пришел к выводу об их существовании. Стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма — и кожным, и нервным, и клеткам крови. Сначала полагали, что во взрослом организме таких клеток нет и существуют они лишь в самом раннем периоде эмбрионального развития. Однако в 70-е годы А.Я.Фриденштейн с соавторами обнаружили стволовые клетки в мезенхиме (строме) «взрослого» костного мозга, в; дальнейшем их стали называть стромальными клетками.

Стволовые клетки — недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся во всех  Стволовые клетки способны самообновляться, образуя номногоклеточных организмах новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.   Развитие многоклеточных организмов начинается с одной стволовой клетки. В результате многочисленных циклов  и процесса дифференцировки образуются все виды клеток, характерные для деления  данного биологического вида. В человеческом организме таких видов клеток более 220. Стволовые клетки сохраняются и функционируют и во взрослом организме, благодаря им может осуществляться обновление и восстановление тканей и органов. Тем не менее, в процессе старения организма их количество уменьшается.

В современной медицине стволовые клетки человека трансплантируют, то есть пересаживают в лечебных целях. Например, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток производится для восстановления процесса гемопоэза(кроветворения) при лечении лейкозов и лимфом.

• 1908: термин «стволовая клетка» был предложен к широкому использованию русским гистологом Александром Максимовым (1874—1928)(Императорская военно-медицинская академия). Он описал и доказал методами своего времени гемопоэтические стволовые клетки, именно для них был введён термин.
• 1960-е Джозеф Альтман и Гопал Д. Дас  (Массачусетский технологический институт) представили научное доказательство нейрогенеза во взрослом организме, постоянной активности стволовых клетокмозга. Их выводы противоречили догме Рамон-и-Кахаля о том, что нервные клетки не рождаются во взрослом организме, и не получили широкой огласки.
• 1963: Эрнест Маккаллох и Джеймс Тилл продемонстрировали присутствие самообновляющихся клеток в костном мозге мыши.
• 1968: доказана возможность восстановления кроветворения у реципиента после трансплантации костного мозга. Трансплантация костного мозга восьмилетнему мальчику приводит к исцелению от тяжёлой формы иммунодефицита. Донором стала сестра с совместимым набором лейкоцитарных антигенов (HLA).
• 1970: Фриденштейн Александр Яковлевич выделил из костного мозга морских свинок, успешно культивировал и описал фибробластоподобные клетки, получившие в последующем название Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки.
• 1978: в пуповинной крови обнаружены гемопоэтические стволовые клетки.
• 1981: эмбриональные клетки мыши получены из эмбриобласта (внутренней клеточной массы бластоцисты) учёными Мартином Эвансом, Мэттью Кауфманом и, независимо от них, Гэйл Р. Мартин. Введение в обиход термина «эмбриональная стволовая клетка» приписывается Гэйл Мартин.
• 1988: Элиан Глюкман провела первую успешную трансплантацию ГСК пуповинной крови пациенту, больному анемией Фанкони. Э. Глюкман доказала, что применение пуповинной крови эффективно и безопасно. С тех пор пуповинная кровь применяется в трансплантологии.
• 1992: нейральные стволовые клетки получены  Разработаны протоколы их культивирования в виде нейросфер.
• 1992: первая именная коллекция стволовых клеток. Профессор Дэвид Харрис заморозил стволовые клетки пуповинной крови своего первенца. Сегодня Дэвид Харрис — директор крупнейшего в мире банка стволовых клеток пуповинной крови.
• 1987—1997: За 10 лет в 45 медицинских центрах мира проведено 143 трансплантации пуповинной крови.
• 1997: в России проведена первая операция онкологическому больному по пересадке стволовых клеток пуповинной крови.
• 1998: Джеймс Томсон и его сотрудники из Висконсинского университета в Мадисоне вывели первую линию человеческих ЭСК.
• 1998: первая в мире трансплантация аутологичных стволовых клеток пуповинной крови девочке с нейробластомой (опухолью мозга). Общее число проведенных операций по трансплантации пуповинной крови к этому году превышает 600.
• 1999: журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и проекта «Геном человека».
• 2000: вышел ряд статей о пластичности стволовых клеток зрелого организма, то есть их способности дифференцироваться в клеточные компоненты различных тканей и органов.
• 2003: журнал Национальной Академии Наук США (PNAS USA) опубликовал сообщение о том, что через 15 лет хранения в жидком азоте стволовые клетки пуповинной крови полностью сохраняют свои биологические свойства. С этого момента криогенное хранение стволовых клеток стало рассматриваться как «биологическая страховка». Мировая коллекция стволовых клеток, хранящихся в банках, достигла 72000 образцов. По данным на сентябрь 2003 г. в мире произведено уже 2592 трансплантаций стволовых клеток пуповинной крови, из них 1012 — взрослым пациентам.
• За период с 1996 года по 2004 год были выполнены всего 392 трансплантации аутологичных (собственных) стволовых клеток[источник не указан 26 дней], таким образом большая часть трансплантаций производилась не собственными с.к.
• 2005: учёные из Калифорнийского университета в Ирвайне произвели инъекцию нейральных стволовых клеток человекакрысам с травматическим повреждением спинного мозга, и смогли частично восстановить способность крыс передвигаться.
• 2005: перечень заболеваний, при лечении которых была успешно применена трансплантация стволовых клеток, достигает нескольких десятков. Основное внимание уделяется лечению злокачественных новообразований, различных форм лейкозов и других болезней крови. Появляются сообщения об успешной трансплантации стволовых клеток при заболеваниях сердечно - сосудистой и нервной систем. В различных исследовательских центрах проводятся исследования по применению стволовых клеток при лечении инфаркта миокарда и сердечной недостаточности. Разработаны международные протоколы лечения рассеянного склероза. Ищутся подходы к лечению инсульта, болезней Паркинсона и Альцгеймера.
• Август 2006: журнал Cell публикует исследование Кадзутоси Такахаси и Синъя Яманака, посвящённое способу возвращения дифференцированных клеток в плюрипотентное состояние. Начинается эра индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
• Январь 2007: исследователи из Университета Уэйк Форест (Северная Каролина, США) под руководством доктора Энтони Атала из Гарварда сообщили об открытии нового вида стволовых клеток, обнаруженных в амниотической жидкости (околоплодных водах). Они могут стать потенциальной заменой ЭСК в исследованиях и терапии.
• Июнь 2007: три независимые исследовательские группы сообщили, что зрелые клетки кожи мышей могут быть репрограммированы в состояние ЭСК. В том же месяце учёный Шухрат Миталипов заявил о создании линии стволовых клеток примата путём терапевтического клонирования.
• Ноябрь 2007: в журнале Cell опубликовано исследование Катсутоши Такагаши и Шинья Яманака «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из фибробластов зрелого человека при определённых факторах», а в журнале Science вышла статья «Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, выведенные из соматических клетокчеловека» Джунинга Ю, в соавторстве с другими учёными из исследовательской группы Джеймса Томсона. Было доказано, что возможно индуцировать практически любую зрелую клетку человека и придать ей свойства стволовой, вследствие чего необходимость разрушения эмбрионов в лаборатории отпала, хотя предстоит определить рискиканцерогенеза в связи с геном Мус и ретровирусным переносом генов.
• Январь 2008: Роберт Ланза и его коллеги из Advanced Cell Technology и Калифорнийского университета в Сан-Франциско вывели первые ЭСК человека без разрушения эмбриона.
• Январь 2008: посредством терапевтического клонирования культивированы клонированные бластоцисты человека.
• Февраль 2008: плюрипотентные стволовые клетки выведены из печени и желудка мыши, эти индуцированные клетки ближе к эмбриональным, чем индуцированные стволовые клетки, выведенные ранее и они не канцерогенны. Кроме того, гены, необходимые для индуцирования плюрипотентных клеток нет необходимости помещать в определённую область, что способствует развитию невирусных технологий репрограммирования клеток.
• Март 2008: впервые опубликовано исследование врачей из Института регенеративной медицины (Regenerative Sciences Institute), посвящённое успешной регенерации хряща в коленном суставе человека при использовании аутологичных зрелых МСК.
• Октябрь 2008: Сабина Конрад и её коллеги из Тюбингена (Германия) вывели плюрипотентные стволовые клетки изсперматогониальных клеток зрелого яичка человека путём культивирования in vitro с добавлением ФИЛ (фактора ингибирования (подавления) лейкемии).
• 30 октября 2008: эмбрионоподобные стволовые клетки выведены из человеческого волоса.
• 1 марта 2009: Андреаш Надь, Кэйсукэ Кадзи и их коллеги открыли способ выведения эмбрионоподобных стволовых клеток из обычных зрелых клеток с использованием инновационной технологии «обёртывания» для доставки специфических генов в клетки с целью репрограммирования без рисков, которые возникают при использованиивирусов. Помещение генов в клетку осуществляется при помощи электропорации.
• 28 мая 2009: Ким Гвансу и его коллеги из Гарварда заявили о том, что им удалось разработать способ манипулирования клетками кожи для выведения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток с учётом индивидуальной специфики пациента, утверждая, что это «окончательное решение проблемы стволовых клеток».
• 2011: израильская исследовательница Инбар Фридрих Бен-Нун возглавила группу учёных, которая вывела первые стволовые клетки вымирающих видов животных. Это прорыв, и благодаря ему можно спасти виды, которым грозит исчезновение.
• 2012: Введение пациентам стволовых клеток, взятых из их собственного костного мозга через три или семь дней после инфаркта миокарда, является хотя и безопасным, но неэффективным методом лечения — таковы результаты клинического исследования, проведенного при поддержке Национального института здоровья США. Однако исследования, проведенные немецкими специалистами в отделении кардиологии в Гамбурге, показали положительные результаты в лечении сердечной недостаточности, но не инфаркта миокарда.[1]
• 2012: Группа японских исследователей во главе с профессором Митинори Сайто из Университета Киото впервые в истории науки смогли вырастить яйцеклетки из стволовых клеток, оплодотворить их и добиться рождения здорового потомства у лабораторных мышей. 5 октября в электронном выпуске научного журнала «Сайенс» они высказали предположение, что результаты их исследований внесут вклад в решение проблемы бесплодия.[2]
• 23 января 2013: та же группа Центра исследования и применения стволовых клеток Университета Киото вырастила из стволовых клеток ткани почек, надпочечников и половые клетки: были получены пять типов клеток почек, а также выращен фрагмент почечного канальца, участвующего в фильтрации крови.[3][4]
• 16 мая 2013: Международная команда исследователей [кто?] из Америки объявила, что впервые в истории им удалось создать новые стволовые клетки человека путем клонирования полноценных клеток организма.

5 августа 2013: В результате  многолетних опытов исследователей  Маастрихтского университета на  пути решения проблемы дефицита  продовольствия в мире, создано  мясо для стасорокаграммового гамбургера. Оно «сплетено» из 20 тысяч белковых волокон, выращенных за три месяца из коровьих стволовых клеток. В его производство инвестировано 250 000 евро

Свойства

Все стволовые клетки обладают двумя неотъемлемыми свойствами:

• Самообновление, то есть способность сохранять неизменный фенотип после деления (без дифференцировки).
• Потентность (дифференцирующий потенциал), или способность давать потомство в виде специализированных типов клеток.

Самообновление

Существуют два механизма, поддерживающих популяцию стволовых клеток в организме:

1. Асимметричное деление, при котором продуцируется одна и та же пара клеток (одна стволовая клетка и одна дифференцированная клетка).
2. Стохастическое деление: одна стволовая клетка делится на две более специализированных.

 

 

Дифференцирующий потенциал

Дифференцирующий потенциал, или потентность, стволовых клеток — это способность производить определенное количество разных типов клеток. В соответствии с потентностью стволовые клетки делятся на следующие группы:

• Тотипотентные (омнипотентные) стволовые клетки могут дифференцироваться в клетки эмбриональных и экстраэмбриональных тканей, организованные в виде трехмерных связанных структур (тканей, органов, систем органов, организма). Такие клетки могут дать начало полноценному жизнеспособному организму. К ним относится оплодотворённая яйцеклетка, или зигота. Клетки, образованные при первых нескольких циклах деления зиготы, также являются тотипотентными у большинства биологических видов. Однако к ним не относятся, например, круглые черви, зигота которых утрачивает тотипотентность при первом делении. У некоторых организмов дифференцированные клетки также могут обретать тотипотентность. Так, срезанную часть растения можно использовать для выращивания нового организма именно благодаря этому свойству.
• Плюрипотентные стволовые клетки являются потомками тотипотентных и могут давать начало практически всем тканям и органам, за исключением экстраэмбриональных тканей (например, плаценты). Из этих стволовых клеток развиваются три зародышевых листка: эктодерма, мезодерма и энтодерма.
• Мультипотентные стволовые клетки порождают клетки разных тканей, но многообразие их видов ограничено пределами одного зародышевого листка.

Эктодерма даёт начало нервной системе, органам чувств, переднему и заднему отделам кишечной трубки, кожному эпителию. Из мезодермы формируются хрящевой и костный скелет, кровеносные сосуды, почки и мышцы. Из энтодермы — в зависимости от биологического вида — образуются различные органы, ответственные за дыхание ипищеварение. У человека это — слизистая оболочка кишечника, а также печень, поджелудочная железа и лёгкие.

• Олигопотентные клетки могут дифференцироваться лишь в некоторые, близкие по свойствам, типы клеток. К ним, например, относятся клетки лимфоидного и миелоидного рядов, участвующие в процессе кроветворения.
• Унипотентные клетки (клетки-предшественницы, бластные клетки) — незрелые клетки, которые, строго говоря, уже не являются стволовыми, так как могут производить лишь один тип клеток. Они способны к многократному самовоспроизведению, что делает их долговременным источником клеток одного конкретного типа и отличает от не стволовых. Однако их способность к самовоспроизведению ограничена определённым количеством делений, что также отличает их от истинно стволовых клеток. К клеткам-предшественницам относятся, к примеру, некоторые измиосателлитоцитов, участвующих в образовании скелетной и мышечной тканей.

Классификация

Стволовые клетки можно разделить на три основные группы в зависимости от источника их получения: эмбриональные, фетальные и постнатальные (стволовые клетки взрослого организма).

Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуют внутреннюю клеточную массу (ВКМ), или эмбриобласт, на ранней стадии развития эмбриона. Они являются плюрипотентными. Важный плюс ЭСК состоит в том, что они не экспрессируют HLA (human leucocyte antigens), то есть не вырабатывают антигены тканевой совместимости. Каждый человек обладает уникальным набором этих антигенов, и их несовпадение у донора и реципиента является важнейшей причиной несовместимости при трансплантации. Соответственно, шанс того, что донорские эмбриональные клетки будут отторгнуты организмом реципиента очень невысок. При пересадке иммунодефицитным животным эмбриональные стволовые клетки способны образовывать опухоли сложного (многотканевого) строения — тератомы, некоторые из них могут стать злокачественными. Достоверных данных, о том как ведут себя эти клетки в иммунокомпетентном организме, например, в организме человека, нет. Вместе с тем, следует отметить, что клинические испытания с применением дифференцированных дериватов (производных клеток) ЭСК уже начаты. Для получения ЭСК в лабораторных условиях приходится разрушать бластоцисту, чтобы выделить ВКМ, то есть разрушать эмбрион. Поэтому исследователи предпочитают работать не с эмбрионами непосредственно, а с готовыми, ранее выделенными линиями ЭСК.

Клинические исследования с использованием ЭСК подвергаются особой этической экспертизе. Во многих странахисследования ЭСК ограничены законодательством.

Одним из главных недостатков ЭСК является невозможность использования аутогенного, то есть собственного материала, при трансплантации, поскольку выделение ЭСК из эмбриона несовместимо с его дальнейшим развитием.

Фетальные стволовые клетки

Фетальные стволовые клетки получают из плодного материала после аборта (обычно срок гестации, то есть внутриутробного развития плода, составляет 9—12 недель). Естественно, изучение и использование такого биоматериала также порождает этические проблемы. В некоторых странах, например, на Украине и в Великобритании, продолжаются работы по их изучению и клиническому применению. К примеру, британская компания ReNeuron исследует возможности использования фетальных стволовых клеток для терапии инсульта. Эти клетки уже начали дифференцировку, и, следовательно, каждая из них, во-первых, может пройти только ограниченное число делений, и, во-вторых, дать начало не любым, а достаточно определенным видам специализированных клеток. Так, из клеток фетальной печени могут развиться специализированные клетки печени и кроветворные клетки. Из фетальной нервной ткани, соответственно, развиваются более специализированные нервные клетки.

Постнатальные стволовые клетки

Несмотря на то, что стволовые клетки зрелого организма обладают меньшей потентностью в сравнении с эмбриональными и фетальными стволовыми клетками, то есть могут порождать меньшее количество различных типов клеток, этический аспект их исследования и применения не вызывает серьёзной полемики. Кроме того, возможность использования аутогенного материала обеспечивает эффективность и безопасность лечения. Стволовые клетки взрослого организма можно подразделить на три основных группы: гемопоэтические (кроветворные), мультипотентные мезенхимальные (стромальные) и тканеспецифичные прогениторные клетки. Иногда в отдельную группу выделяют клетки пуповинной крови, поскольку они являются наименее дифференцированными из всех клеток зрелого организма, то есть обладают наибольшей потентностью. Пуповинная кровь в основном содержит гемопоэтические стволовые клетки, а также мультипотентные мезенхимальные, но в ней присутствуют и другие уникальные разновидности стволовых клеток, при определённых условиях способные дифференцироваться в клетки различных органов и тканей.

Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) — мультипотентные стволовые клетки, дающие начало всем клеткам крови миелоидного (моноциты, макрофаги, нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, эритроциты, мегакариоциты и тромбоциты,дендритные клетки) и лимфоидного рядов (Т-лимфоциты, В-лимфоциты и естественные киллеры). Определение гемопоэтических клеток было основательно пересмотрено в течение последних 20 лет. Гемопоэтическая ткань содержит клетки с долгосрочными и краткосрочными возможностями к регенерации, включая мультипотентные, олигопотентные и клетки-предшественники. Миелоидная ткань содержит одну ГСК на 10 000 клеток. ГСК являются неоднороднойпопуляцией. Различают три субпопуляции ГСК, в соответствии с пропорциональным отношением лимфоидного потомства к миелоидному (Л/M). У миелоидно ориентированных ГСК низкое Л/М соотношение (>0, <3), у лимфоидно ориентированных — высокое (>10). Третья группа состоит из «сбалансированных» ГСК, для которых 3 ≤ Л/M ≤ 10. В настоящее время активно исследуются свойства различных групп ГСК, однако промежуточные результаты показывают, что только миелоидно ориентированные и «сбалансированные» ГСК способны к продолжительному самовоспроизведению. Кроме того, эксперименты по трансплантации показали, что каждая группа ГСК преимущественно воссоздаёт свой тип клеток крови, что позволяет предположить наличие наследуемой эпигенетической программы для каждой субпопуляции.