Стволовые клетки

Не все стволовые клетки обладают одинаковыми способностями. В ходе развития организма только тотипотентные стволовые клетки способны об­разовывать все типы дифференцированных тканей; во взрослом организме стволовые клетки способны заменять поврежденные клетки и поддерживать их популяцию в тканях, где они расположены. Поми­мо этих двух видов, существуют и другие стволо­вые клетки с различными способностями к дифференцировке в разные клеточные линии. Таким образом, в зависимости от источника и стадии развития бывают ограничения воспроизводства определенных типов клеток, которые могут гене­рировать популяции стволовых клеток.

Содержание

1. Свойства стволовых клеток
2. Типы стволовых клеток
3. Дифференцировка стволовых клеток
4. Регенеративная медицина

В здоровых тканях (без опухолевого роста, деге­неративных изменений или процесса заживления) существует равновесие между делением стволовых клеток, их самообновлением, дифференцировкой и гибелью зрелых дифференцированных клеток (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Механизмы регуляции клеточной популяции. Ко­личество клеток может меняться в сторону увеличения или уменьшения их образования в зависимости от поступления стволовых клеток, гибели клеток путем апоптоза и измене­ния уровня их пролиферации и дифференцировки

Примером динамических отношений между стволовыми и высокодифференцирован­ными клетками является многослойный плоский эпителий кожи. Здесь стволовые клетки находятся среди базальных эпителиальных клеток, служат ис­точником образования базальных клеток, которые по мере дифференцировки мигрируют в верхние слои эпителиального пласта, перед тем как погибнуть и отшелушиться.

Свойства стволовых клеток

Стволовые клетки обладают двумя важными свойствами:

• Самообновление позволяет стволовым клеткам поддерживать постоянную популяцию клеток-предшественников на протяжении продолжи­тельного времени. Оно проявляется асимме­тричным и симметричным делением.
• При асимметричном делении одна дочерняя клетка вступает на путь направленной диф­ференцировки от плюрипотентных стволовых клеток человека до зрелых соматических кле­ток, в то время как другая остается недиффе­ренцированной и сохраняет способность к са­мообновлению, тогда как при симметричном делении обе дочерние клетки сохраняют спо­собность к самообновлению. Асимметричный тип деления наблюдается на ранних стадиях эмбриогенеза (когда увеличиваются популяции стволовых клеток) и в условиях стресса, напри­мер в костном мозге после химиотерапии.

Типы стволовых клеток

Хотя в научной литературе существует большой перечень различных типов стволовых клеток, выделяют два основных типа.

• Эмбриональные стволовые клетки считают­ся наиболее недифференцированными. Они присутствуют в клеточной массе бластоциты, имеют практически безграничные способ­ности к самообновлению и могут дать начало к появлению в организме практически любого типа клеток. Поэтому их называют тотипо­тентными (рис. 1.20). Эмбриональные ство­ловые клетки значительные периоды времени могут сохраняться без дифференцировки, но при определенных условиях эмбриональные стволовые клетки дают начало специализиро­ванным клеткам всех трех зародышевых лист­ков, включая нейроны, кардиомиоциты, гепа­тоциты и эндокринные клетки поджелудочной железы.

Рис. 1.20. Эмбриональные стволовые клетки. Зигота, образованная при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, деление зиготы на клетки и формирование бластоцисты; внутренняя клеточная масса бластоцисты образует эмбрион. Плюрипотентные клетки внутренней клеточной массы — это эмбриональные стволовые клетки (ЭС), индуцирующиеся для дифференцировки в клетки разных линий. В эмбрионе плюрипотентные стволовые клетки асимметрично делятся для образования остаточного стабильного пула эмбриональных стволовых клеток, которые отличаются меньшими возможностями, и в результате образуются стволовые клетки, формирующие только определенные линии клеток. Эмбриональные стволовые клетки можно выращивать in vitro и индуцировать для получения клеток всех трех зародышевых листков

• Тканевые стволовые клетки (также называются стволовыми клетками взрослых) непосредствен­но связаны с дифференцированными клетками конкретной ткани. Они обычно скрыты в спе­циализированных тканевых микроструктурах, которые называются нишами стволовых кле­ток. Такие ниши были обнаружены во многих органах, особенно в костном мозге, где ство­ловые клетки крови скапливаются в перива­скулярных нишах. К другим нишам стволовых клеток относятся область выпуклости воло­сяных фолликулов, край (лимб) роговицы, крипты кишечника, канальцы Геринга в пече­ни и субвентрикулярная зона головного мозга. Растворимые факторы и другие клетки в нишах удерживают стволовые клетки в состоянии покоя, пока не появляется необходимость для увеличения числа и дифференцировки пула клеток-предшественников (рис. 1.21).

Рис. 1.21 Ниши стволовых клеток в различных тканях:

• А — стволовые клетки кожи расположены в области выпуклости волосяного фолликула, в сальных железах и в нижнем слое эпидермиса;
• Б — стволовые клетки тонкой кишки расположены вблизи основания крипты кишечника над клетками Панета;
• В — стволовые клетки печени (овальные клетки) расположены в канальцах Геринга (толстая стрелка) — структуры паренхимы, соединяющие желчные протоки (тонкая стрелка) с гепатоцитами. Клетки желчных протоков и канальцы Геринга окрашены с помощью иммуногистохимического красителя для выявления цитокератина 7

Дифференцировка стволовых клеток

Взрослые стволовые клетки имеют ограниченные возможности для дифференцировки. Это значит, что они способны поддержать ткани с высокой (например, кожа и ЖКТ) или низкой (например, эндотелий) интенсивностью клеточного обновления, но в любой ткани могут появиться только клетки, из которых эти ткани состоят.

Сегодня лучше всего изучены кроветворные стволовые клетки. Они непрерывно пополняют все элементы крови по мере необходимости. Стволовые клетки гемопоэза можно изолировать из костного мозга, а также выделить из периферической крови после введения определенных колониестимулирующих факторов, вызывающих их высвобождение из ниш костного мозга. Несмотря на малое содержание в костном мозге, гемопоэтические стволовые клетки могут быть выделены и действительно очищены до гомогенности на основе маркеров клеточной поверхности. В клинической практике эти стволовые клетки используют для восстановления костного мозга, истощенного курсами химиотерапии (например, при лейкемии), или для того, чтобы нормальные клетки-предшественники могли «исправить» различные дефекты в клетках крови (например, при серповидноклеточной анемии, см. главу 12).

Костный мозг и другие ткани (например, жировая ткань), помимо кроветворных стволовых клеток, содержат популяцию мезенхимальных стволовых клеток. Эти мультипотентные клетки способны дифференцироваться в различные стромальные клетки:

• хондроциты (в хрящевой ткани);
• остеоциты (в костной ткани);
• адипоциты (в жировой ткани);
• миоциты (в мышечной ткани).

Поскольку количество этих клеток можно увеличить, они представляют огромный потенциал в плане создания стромального стройматериала, необходимого для регенерации тканей.

Регенеративная медицина

Способность определять, изолировать и пересаживать стволовые клетки дало начало новой области медицины — регенеративной медицине. Теоретически дифференцированное потомство эмбриональных стволовых клеток или стволовых клеток взрослых можно использовать для восстановления поврежденных тканей либо для создания целых органов. В частности, значительное воодушевление связано с возможностями восстановления повреждений в тканях, обладающих низкой регенеративной способностью, например, миокард после инфаркта миокарда или нейроны после инсульта. К сожалению, несмотря на выдающиеся технические достижения в области выделения стволовых клеток и выращивания их популяции, значительная часть первоначального энтузиазма поутихла в связи с серьезными трудностями, возникшими при пересадке стволовых клеток и их функциональной интеграции в месте повреждения.

Совсем недавно стало возможным создание плюрипотентных клеток, имеющих свойства эмбриональных стволовых клеток, но из тканей больного, которому они будут имплантированы. Для этой цели было определено несколько генов, белки которых способны перепрограммировать соматические клетки для достижения состояния стволовых эмбриональных клеток. Введение таких генов в дифференцированные клетки (например, фибробласты) вызывает перепрограммирование ядра соматической клетки таким образом, что клетка приобретает свойства эмбриональной стволовой клетки. Эти клетки называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPS-клетки), они способны регенерировать (рис. 1.22), самообновляться, хотя и на очень невысоком уровне. Поскольку эти клетки получены от больного, при пересадке ему же их дифференцированного потомства (например, β-клеток больного сахарным диабетом, секретирующих инсулин) не развивается отторжения, которое произошло бы, если дифференцированные клетки были получены из эмбриональных стволовых клеток другого донора.

Рис. 1.22. Образование индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток). Гены, обладающие характеристиками стволовых клеток, вводятся в дифференцированные клетки больного, что приводит к их перепрограммированию и образованию стволовых клеток, которые дают начало различным клеточным линиям