Стволовые клетки

В организме человека содержится порядка 100 триллионов клеток, однако каждая из них имеет общих предшественников, которые также называются стволовыми клетками. Кроме того, в основе нормальной жизнедеятельности многоклеточного организма лежит постоянное равновесие между репликацией, самообновлением, дифференцировкой стволовых и гибелью зрелых, высокодифференцированных, имеющих специфические функции, клеток. Биологический смысл существования стволовых клеток заключается не только в обеспечении регенераторных возможностей организма при повреждении, но и в том, что все зрелые клетки тела имеют ограниченный срок жизни, что делает невозможным существование организма без их непрерывного обновления. Характерной чертой стволовых клеток является их возможность к изменению из низко- в высокодифференцированные, что сопровождается появлением специфических функций, характерных для ткани, в которой этот процесс происходит. В связи с этим, в настоящее время проводится большое количество исследований, направленных на расширение возможностей применения стволовых клеток.

Стволовые клетки человека

Стволовыми называют относительно недифференцированные, часто делящиеся клетки в тканях многоклеточного организма. У всех стволовых клеток существуют два пути дальнейшего развития:

  • часть из них делятся посредством митоза, оставаясь недифференцированными и поддерживая пул стволовых клеток;
  • однако, с большей частью остальных стволовых клеток происходит превращение, что делает их зрелыми.

Стволовые клетки организма человека и других млекопитающих можно разделить на две больших группы:

  • эмбриональные стволовые клетки, которые изолированы от основной клеточной массы бластоцисты;
  • зрелые стволовые клетки, которые находятся в различных тканях организма.

Также существует незначительная путаница с названием стволовых клеток. Так, термин «взрослые стволовые клетки» не является точным, так как их находят у младенцев, детей, взрослых и пожилых. Как правило, они отвечают за воспроизведение тканей, в которых находятся. Также эти клетки иногда называют соматическими стволовыми.

Стволовые клетки у ребенка

Стволовые клетки у ребенка

Лечение стволовыми клетками может стать решением большого количества проблем, связанных с некоторыми заболеваниями детей. В настоящее время большинство врачей считают, что стволовые клетки можно использовать в качестве основы для восстановления поврежденных тканей. Однако, также имеется и обратная сторона медали – существует риск трансплантации стволовых раковых клеток. В связи с этим их устранение является серьезной научной проблемой.

Группой ученых было изучено применение гемопоэтических стволовых клеток костного мозга для лечения различных аутоиммунных нарушений у детей, а также синдрома Гурлера. Также была представлена информация об использовании гемопоэтических клеток для лечения ВИЧ-инфекции у новорожденных, а также для снижения некоторых негативных эффектов, сопряженных с трансплантацией органов у детей. Тем не менее, клиническое применение этих клеток ограничено среди пациентов, у которых лейкоцитарный антиген совпадает с клетками донора.

Тяжелые наследственные иммунодефициты, которые можно наблюдать у некоторых детей после 2 месяцев жизни, также могут быть компенсированы с помощью применения стволовых клеток мозга. Были предприняты попытки лечения с применением вирусных частиц, цель которых – устранение генетического дефекта на уровне ДНК. Однако оказалось, что гемопоэтические стволовые клетки оказались далеко не самой лучшей мишенью из-за технических ограничений. В то же время, аутологичные плюрипотентные стволовые клетки оказались более выгодным решением, хотя до сих пор остались нерешенные проблемы.

Также группой исследователей были проведены исследования в отношении того, насколько эффективны стволовые клетки костного мозга при ряде аутоиммунных детских болезней. В настоящее время становится ясно, что требуется проведение исследований для оценки рисков, сопряженных с лечением этих заболеваний. Также было высказано мнение, что гораздо большую эффективность, по сравнению со стволовыми гемопоэтическими клетками, показывает использование стволовых клеток тканей (мезенхимальных).

Иногда у детей развиваются асептические остеонекрозы в типичных местах, в связи с чем возможно применение стволовых клеток тканей для лечения этих суставных заболеваний. Так, полученные в ходе исследований данные показали, что пересадка мезенхимальных стволовых клеток может стать основой для восстановления костей и хрящей.

Также большой интерес представляет применение стволовых клеток крови, полученных из крови пуповины детей и мезенхимальных стволовых клеток для лечения поражений головного мозга. Так, согласно незначительному количеству проведенных исследований, возможно применение стволовых клеток для лечения наследственной атаксии и аутизма.

В том числе, исследовалось применение стволовых клеток организма человека в борьбе с онкологическими заболеваниями. Уже проводятся значительное количество исследований по борьбе с наиболее часто встречающейся у детей опухолью головного мозга – медуллобластомой. В лечении многих онкологических заболеваний у детей с помощью стволовых клеток изначально наблюдается выраженный положительный эффект, однако существует высокая вероятность развития рецидива злокачественного образования.

Стволовые клетки у взрослых

Стволовые клетки взрослого человека впервые начали изучаться более 60 лет назад, в 1950 – х годах. Именно тогда исследователями было обнаружено, что в костном мозге стволовые клетки представлены двумя популяциями. Первая из них отвечала за формирование всех клеток крови человека (гемопоэтические), в то время как вторая популяции составляла костную строму – мезенхимальные стволовые клетки. В дальнейшем исследования распространились и на другие части тела.

В настоящее время проводится исследование возможности их использования в качестве лекарств от изнурительных и угрожающих заболеваний. Было выяснено, что стволовые клетки встречаются и в других тканях. Это вдохновило ученых на изучение процесса дифференцировки клеток с целью дальнейшего воспроизведения этого процесса в лабораторных условиях. Большой интерес вызывает применение стволовых клеток для восстановления функции поврежденных в результате травм и других патологических процессов, органов.

Известно, что некоторые типы стволовых клеток (прогениторных) могут дифференцироваться в разные ткани, что очень сильно зависит от внешних условий. В связи с этим многие ученые надеются, что, получив контроль над этим процессом дифференциации в лабораторных условиях, стволовые клетки можно будет использовать для лечения значительного количества заболеваний.

Стволовые клетки у пожилых

Стволовые клетки у пожилых

В ходе многочисленных исследований, было замечено, что с возрастом функция стволовых клеток значительно ухудшается, что и становится причиной прогрессирующего нарушения репарации тканей. Также это является одной из основных причин увеличения вероятности развития онкологических заболеваний в пожилом возрасте. На ухудшение функции стволовых клеток значительное влияние также оказывают хронические заболевания (например, сахарный диабет).

Основной теорией, объясняющей нарушение функции стволовых клеток с возрастом, является накопление повреждений ДНК. Как правило, в процессе жизнедеятельности происходит естественное повреждение молекул ДНК в ядре и митохондриях клеток. Это происходит как при появлении ошибок во время деления клеток, так и во время их обычного функционирования (например, при возникновении радикалов). Таким образом, ядерная ДНК вносит вклад в старение организма путем увеличения апоптоза или нарастания дисфункции клеток тканей.

Как правило, основной интерес применения стволовых клеток у людей пожилого возраста связан с лечением хронических заболеваний, сопряженных с прогрессирующей потерей клеток (различные разновидности застойной сердечной недостаточности, мозговые дегенеративные болезни и саркопения).

Так, в настоящее время изучается возможность применения стволовых клеток при нейродегенеративных процессах в ЦНС (например, при болезни Паркинсона). Также возможно их применение у лиц с травматическим повреждением спинного мозга, где стволовые клетки должны восполнить дефицит поврежденной нервной ткани.

Кроме того, изучается возможность пересадки стволовых клеток в поврежденные ткани при болезнях, сопряженных с поражением миокарда или эндокринных органов (например, поджелудочной железы).

Какие бывают стволовые клетки организма

Стволовые клетки организма имеют такое свойство, как потентность – способность к воспроизведению разных видов клеток. В соответствии с потентностью, выделяют клетки:

  • тотипотентные (дифференцируются эмбриональные или экстраэмбриональные ткани);
  • плюрипотентные (могут быть источником практически всех видов тканей и являются потомками тотипотентных);
  • мультипотентные (могут стать источником любых тканей в составе одного из зародышевых листков – эктодермы, мезодермы и энтодермы).

Стволовые клетки, в зависимости от способа их получения, бывают:

  • эмбриональными;
  • фетальными;
  • постанатальными.

Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки составляют основу эмбриобласта, который имеется у зародыша на стадии эмбриона. Эти клетки относятся к плюрипотентным. У них имеется важная особенность, в соответствии с которой у эмбриональных клеток имеется преимущество перед другими типами стволовых клеток.

Так, эмбриональные стволовые клетки не имеют HLA – антигенов тканевой специфичности, определяющих принадлежность к конкретным индивидам. Именно соответствие этих антигенов у донора и реципиента является определяющим в определении показаний к пересадке клеточного материала. Чем больше соответствие HLA, тем ниже вероятность развития реакции трансплантата.

В ряде опытов по пересадке эмбриональных стволовых клеток мышам с тяжелым иммунодефицитом нередко развиваются опухоли – тератомы, имеющие высокий риск озлокачествления.

Фетальные стволовые клетки

Источник фетальных стволовых клеток – плодный материал, полученный после аборта (на сроке 9-12 недель). Исследования, проводимые с этими клетками, становятся причиной большого количества проблем, связанных с моральными принципами. Изучается применение фетальных стволовых клеток при лечении ишемических поражений головного мозга. Также эти клетки могут быть использованы в качестве источника печеночной ткани и гемопоэтических клеток.

Постнатальные стволовые клетки

Постнатальные стволовые клетки

Постнатальные стволовые клетки имеют меньшую потентность в сравнении с эмбриональными и фетальными стволовыми клетками. Также, их применение вызывает гораздо меньше этических проблем.

Взрослые стволовые клетки, согласно функциональной активности, принято делить на группы:

  • гемопоэтических ;
  • мультипотентных мезенхимальных;
  • тканеспецифических прогениторных.

Гемопоэтические стволовые клетки костного мозга и эритроциты

Клетки, преобладающие в крови (лимфоциты, лейкоциты, макрофаги и эритроциты) и стволовые клетки костного мозга тесно связаны в функциональном отношении. Они лежат в основе образования пяти зрелых ростков, или субпопуляций:

  • эритроцитарной;
  • гранулоцитарной;
  • лимфоцитарной;
  • моноцитарной;
  • макрофагальной.

У новорожденных, взрослых и пожилых, гемопоэтические стволовые клетки (предшественники эритроцитов, гранулоцитов, лимфоцитов, мегакариоцитов и других клеток крови), сосредоточены в красном костном мозге, который расположен внутри тазовых костей, ребер, эпифизов длинных трубчатых костей и тел позвонков. Однако, у плода источником гемопоэтических клеток становится мезодерма желточного мешка, после чего кроветворная функция переходит к печени и селезенке. Лишь через два месяца начинается окостенение с образованием костного мозга (с первоначальной локализацией в ключице). Также, после формирования клеток иммунной системы, происходит их миграция в специализированные органы.

Таким образом, стволовые клетки красного костного мозга делают его как органом гемопоэза так и иммунопоэза. Это важно в связи с тем, что клетки крови требуют регулярного обновления. Так, продолжительность жизни:

  • эритроцитов составляет 120 дней;
  • лейкоцитов составляет 5 дней;
  • тромбоцитов составляет 6-7 дней.

Так, за воспроизводство эритроцитов отвечают стволовые клетки миелоидного ряда, которые принято считать мультипотентными. Регулирование их деятельности, как и других стволовых клеток костного мозга, осуществляется благодаря синтезу цитокинов. Как правило, по мере дифференцировки, значительно теряется потентность клеток.

Если по тем или иным причинам поражается костный мозг, содержащий стволовые клетки, эритроциты и другие клетки крови некоторое время остаются на нормальном уровне за счет депо (как правило, не все клетки крови одновременно циркулируют в кровотоке). Однако, после истощения пула зрелых клеток, происходит резкое снижение необходимых для жизнедеятельности организма эритроцитов, тромбоцитов и клеток иммунной системы. Это проявляется системной гипоксией, рецидивирующими кровотечениями и выраженным иммунодефицитом, который нередко становится причиной летального исхода.

Мультипотентные стволовые клетки

Мультипотентные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки являются источником стромы большинства тканей тела человека. Эти клетки для последующего использования могут быть выделены из:

  • плаценты;
  • жировой ткани;
  • легких;
  • костного мозга;
  • крови пуповины;
  • периваскулярной ниши пульпы зуба;
  • периодонтальной связки.

В большом количестве исследований было выявлено иммуносупрессивное действие мезенхимальных стволовых клеток на фоне выработки цитокинов. Также изучалась вероятность применения этих клеток для регенерации мыше