Стволовые клетки

       В ходе эмбриогенеза зигота делится и дает начало клеткам, не имеющим других функций, кроме передачи генетического материала в следующие клеточные поколения. Это эмбриональные стволовые клетки. Геном этих недифференцированных клеток находится в «нулевой точке», механизмы, определяющие специализацию еще не включены. Это клетки — анонимы, клетки «без имени и отчества». Из них развиваются любые высокодифференцированные клетки организма (кардиомиоциты, нейроны и прочее).

      После распределения между собой обязанностей, высокодифференцированные клетки закрываются для дальнейшего редактирования и могут быть доступны только для «чтения», причем каждая — в определенном формате: нервная клетка — это только нервная клетка, неспособная участвовать в создании эпителиальной ткани или входить в состав миокарда и т. п. Для клеток взрослого организма характерна кастовость: каждая группа выполняет свою работу и не мешает деятельности клеток другой группы. В то же время некоторым стволовым клеткам удается всё же ускользнуть от определенности и остаться доступными для дальнейшего редактирования только в случае крайней необходимости. В зависимости от нужд и стремлений они могут превратиться в любую высокодифференцированную клетку организма, то есть стволовые клетки — это универсальный строительный материал, из которого произрастает всё, «что угодно»: от нейронов головного мозга и кровяных телец до клеток тканей, выстилающих кишечник, и других внутренних органов.

       Пока человеческому организму хорошо, стволовые клетки свободно и независимо «блуждают» по его просторам, бесконечно дуплицируясь под действием определенного гена. Они безработные. И как только стволовые клетки получают генетический сигнал на «бирже труда» (неполадка, повреждение ткани или органа), они по кровяному руслу устремляются к пораженному органу. Они могут найти практически любое повреждение, превращаясь на месте в необходимые организму клетки (костные, гладкомышечные, печеночные, нервные и т. д.).

       Человеческий организм содержит примерно 50 миллиардов стволовых клеток, которые регулярно обновляются. С годами количество таких живых «кирпичиков» сокращается — для них находится всё больше работы, а заменить их некому. Угасать они начинают уже к 20 годам, а в 70 лет их остается совсем чуть-чуть. Более того, стволовые клетки немолодого индивидуума уже не так универсальны — в клетки крови они превратиться еще могут, а в нервные — уже не в силах. В связи с этим, к старости человек начинает напоминать высушенный плод.

      Какие же источники стволовых клеток используются в этих целях сегодня? «Спасение утопающих — дело рук самих утопающих», поэтому человек может стать донором стволовых клеток для себя самого. Наибольшее их количество находиться в костном мозге таза. Стромальные стволовые клетки извлекаются оттуда при помощи пункции. Затем, в лабораторных условиях особым образом их мобилизируют, наращивают и вводят обратно в организм, где при участии специальных сигнальных веществ, они направляются к «больному месту». Следует отметить, что даже из одной единственной стромальной клетки можно вырастить колонии. И уж совсем невероятная метаморфоза — стромальные стволовые клетки могут настолько «забыть» о своем костном мозговом происхождении, что под влиянием определенных факторов превращаются в нервные клетки (нейроны) или клетки сердечной мышцы.

       Показано, что через 2 недели после добавления специального сигнального вещества в культуру стромальных клеток, они уже на 80 % состоят из нейронов. 90 % стромальных клеток, введенных в зону инфаркта, полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая функции миокарда практически полностью. Однако стромальные клетки взрослого организма обладают ограниченной функциональностью, то есть их возможная тканевая специализация в той или иной степени лимитирована. Помимо этого все стволовые клетки взрослого человека каталогизированы и снабжены специальным штампиком: «моё». Так что донорство в этой области чревато возникновением противостояния, называемого «трансплантат — против хозяина».

        Вторым источником стволовых клеток является пуповинная кровь, собранная после рождения ребенка. Эта кровь очень богата стволовыми клетками. Взяв эту кровь из пуповины ребенка и поместив в криобанк (специальное хранилище), стволовые клетки в дальнейшем можно использовать для восстановления практически любой ткани и органа этого индивидуума. Возможно также использовать эти стволовые клетки для лечения других пациентов при условии их совместимости по антигенам. Американские ученые получили стволовые клетки из человеческой плаценты (там, их количество в 10 раз больше, чем в пуповинной крови), которые способны преобразовываться в кожные, кровяные, мышечные и нервные клетки. Однако, создание хранилища для пуповинной крови и плацентарного материала — занятие дорогостоящее. В России таких криобанков практически нет.

        Источником другого вида стволовых клеток — фетальных стволовых клеток, является абортивный материал 9—12 недели беременности. Этот источник на сегодняшний день используется наиболее часто. Но, помимо этических и юридических трений, фетальные клетки иногда могут вызвать отторжение трансплантата. Кроме того, использование непроверенного абортивного материала чревато заражением пациента вирусным гепатитом, СПИДом, цитомегаловирусом и т. д. Если же проводить диагностику материала на вирусы, увеличивается себестоимость метода, что, в конечном итоге, приводит к росту стоимости самого лечения.

        Источником стволовых клеток может быть слизистая оболочка носоглотки. В ней преобладают частично специализировавшиеся стволовые клетки, способные превращаться в клетки нервной ткани — нейроны и клетки глии. Эти клетки пригодны для лечения заболеваний головного и спинного мозга. Однако, применяемость этих клеток для замены иных, чем нервные, требует дальнейших исследований. Помимо этого, выделение и хранение данного материала достаточно трудоемки.

        Мезенхимальные стволовые клетки содержатся в жировой, хрящевой, мышечной тканях. В настоящее время весьма перспективным является выделение этих клеток из жировой ткани, полученной при липосакции.

        И, наконец, еще одним источником стволовых клеток является бластоциста, которая формируется к 5—6 дню оплодотворения. Это эмбриональные стволовые клетки. Они наиболее универсальны, по сравнению со стволовыми клетками взрослых людей, и способны дифференцироваться абсолютно во все типы клеток организма. Положительной стороной использования этих универсальных стволовых клеток следует считать тот факт, что в них отсутствует штампик «моё»: клетки как бы никому не принадлежат и не выполняют никаких специальных функций, а потому при введении не возникает реакция отторжения. Даже, если эмбриональные стволовые клетки взяты от другого организма, они не отторгаются, поскольку на их поверхности еще нет антигенов гистосовместимости.

         Эмбриональная стволовая клетка мягкая и податливая, как пластилин, и, в отличие от стволовых клеток взрослого человека, способна превращаться во «что угодно» без каких либо ограничений. Помимо этого у эмбриональной стволовой клетки есть уникальная система самоконтроля: она активно размножается, но как только произошла ошибка при делении, клетке дается команда на самоубийство. Так что угроза возникновения рака при использовании эмбриональных стволовых клеток маловероятна. Однако, у данного источника стволовых клеток есть свои недостатки: во-первых, в России отсутствует коллекция стволовых клеток человека, во-вторых, использование эмбрионального материала негативно воспринимается религиозными и консервативными гражданами, потому что источником таких клеток являются медицинские аборты.

         Противники эмбриональной клеточной терапии считают неэтичным использование абортированных зародышей, называя ее посягательством на человеческую жизнь, пусть даже это несформировавшаяся жизнь спасет кого-нибудь от неминуемой смерти. Оппоненты метода полагают, что использование человеческих эмбрионов для получения стволовых клеток способно подтолкнуть женщин к своего рода бизнесу — прерыванию беременности ради получения денег в обмен на эмбрион, тем более, что трансплантация стволовых клеток считается сейчас одной из перспективнейших в медицинской отрасли.

        Вышесказанное подтолкнуло ученых взяться за изучение стволовых клеток, полученных от 3-х недельного эмбриона черной овцы. Специалисты клиники «Medileen» опубликовали исследования, подтверждающие их плюрипотентность, т. е. способность образовывать клетки многих, но не всех типов. Стволовые клетки, выделенные из эмбриона черной овцы, при определенных условиях культивирования способны дифференцироваться сначала в нейральные клетки, а затем в астроциты. При трансплантации свежевыделенных клеток овцы больным с печеночной недостаточностью показано, что донорские клетки активно приживаются и дифференцируется в гепатоциты. Уровень репопуляции реципиентной печени при этом составил 81 %. Активное функционирование этих клеток в данном случае отмечалось более года с устойчивым уровнем синтеза альбумина. Концентрация стволовых клеток в органах-мишенях составляет при этом 60—87 %. Подобные исследования опровергают мнение ряда отечественных ученых о невозможности приживления данных эмбриональных стволовых клеток человеку.

          Следует подчеркнуть, что упомянутые стволовые клетки получают от «чистой линии» животных: многие поколения данного вида выращены в лабораторных условиях, прошли серьезный контроль на отсутствие у них бактерио- и вирусоносительства, иммунных и наследственных болезней. Эти стволовые клетки лишены видоспецифичности (видовых антигенов) и не вызывают реакции иммунного отторжения. Качество трансплантата при использовании эмбриональных стволовых клеток овцы повышено за счет того, что они обогащены «сигнальными агентами» (так называемым фактором направления). В результате этого стволовые клетки способны связываться только с определенным видом поврежденных тканей, восстанавливая их функцию при повреждениях. Все вышеперечисленное позволяет говорить о еще одном перспективном направлении клеточной терапии в лечении тяжелых дегенеративных заболеваний.

Модель  для анализа роли генов в дифференцировке

         Способность любых стволовых клеток давать разные клеточные типы делает их весьма удобной системой для изучения молекулярно-генетических событий, обусловливающих специфическую дифференцировку клеток. Действительно, изолировав стволовые клетки в чистом виде, можно затем анализировать функции генов, ответственных за последовательные этапы дифференцировки.

       Оказалось, в частности, что время последовательного включения генов, контролирующих развитие, совпадает и в постимплантационных зародышах, и в культуре эмбриоидных тел. Значит, стволовые клетки — действительно хорошая экспериментальная модель для изучения молекулярных механизмов клеточной специализации.

      Анализ культур стволовых клеток с помощью молекулярно-генетического микроэррэй-метода (microarray), оценивающего количество функционально активных генов, показал, что в одном клоне мезенхимных стволовых клеток синтезируется по крайней мере 1200 матричных РНК (мРНК). В разных стволовых клетках присутствует сходный набор заранее синтезированных мРНК (копий многих генов), но есть и специфические РНК. При этом удалось выяснить, что в стромальных стволовых клетках взрослой гематогенной (кровеобразующей) ткани содержится практически весь набор мРНК, которые функционируют в зародышевых листках и на стадии органогенеза. Идентифицированы также мРНК ключевых генов, регулирующих созревание клеток всех зародышевых листков: мезенхимального и мезодермального происхождения, а также энто- и эктодермы. Большинство мРНК регуляторных генов присутствует уже в яйцеклетке и зародышевых клетках.

         Следовательно, в стволовых клетках проявляется общий принцип онтогенеза — работа генов с «опережением», т.е. синтез тех мРНК, которые понадобятся на значительно более поздних стадиях развития.

Стволовые и камбиальные клетки

        Давно известно, что почти каждая ткань в организме имеет запас так называемых камбиальных клеток, которые пополняют ее клеточный состав, постоянно тающий от функциональных перегрузок или болезней. При столь пристальном внимании к стволовым клеткам немудрено, что камбиальные клетки преданы забвению. О них вообще как-то стали забывать. А между тем камбиальные клетки — непосредственный участник восстановительных процессов в тканях. Наглядный тому пример — клетки росткового слоя кожи, пополняющие постоянно расходуемый запас зрелых, уже не делящихся клеток кожного покрова. Более того, до открытия стволовых клеток речь шла только о таком способе репарации. В нервной ткани камбиальных клеток, способных размножаться, нет. Но там сохраняется резерв молодых клеток — нейробластов, которые благодаря своей дифференцировке восполняют различные дефекты, сохраняя тем самым функциональную дееспособность соответствующего отдела мозга или периферической нервной системы.

         Каковы же взаимоотношения стволовых и камбиальных клеток? Возможны ли их взаимопревращения, может ли региональная стволовая или прогениторная клетка (клетка-предшественник) дать начало камбиальной и наоборот, происходит ли этот процесс в организме, каково его значение для нормального течения восстановительных процессов и каков (если он существует) его молекулярно-генетический механизм? Решение этих вопросов имеет важное не только фундаментальное, но и практическое значение. Изучение стволовых клеток в разных экспериментальных условиях, бесспорно, поможет найти ответы и позволит представить в новом свете тонкие механизмы восстановительных процессов, протекающих в организме. Такие работы уже начаты, в частности на стволовых клетках эпителиального покрова кожи. Результаты противоречивы и дают повод для дискуссий.