Стволовые клетки

Популяция ГСК  формируется во время эмбриогенеза, то есть эмбрионального развития. Доказано, что у млекопитающих первые ГСК  обнаруживаются в областях мезодермы, называемых аорта, гонада и мезонефрос, до формирования костного мозга популяция расширяется в фетальной печени. Такие исследования способствуют пониманию механизмов, ответственных за генезис (формирование) и расширение популяции ГСК, и, соответственно, открытию биологических и химических агентов (действующих веществ), которые в конечном счёте могут быть использованы для культивации ГСК in vitro.

До начала использования пуповинной крови  основным источником ГСК считался костный  мозг. Этот источник и сегодня достаточно широко используется в трансплантологии. ГСК располагаются в костном мозге у взрослых, включая бедренные кости, рёбра, мобилизации грудины и другие кости. Клетки могут быть получены непосредственно из бедра при помощи иглы и шприца, или из крови после предварительной обработки цитокинами, включая G-CSF (гранулоцитарный колони стимулирующий фактор), способствующий высвобождению клеток из костного мозга.

Вторым, наиболее важным и перспективным источником ГСК является пуповинная кровь. Концентрация ГСК в пуповинной крови в десять раз выше, чем в костном мозге. Кроме того, у этого источника  есть ряд преимуществ. Важнейшие  из них:

• Возраст. Пуповинная кровь собирается на самом раннем этапе жизни организма. ГСК пуповинной крови максимально активны, поскольку не подвергались негативному воздействию внешней среды (инфекционные заболевания, нездоровое питание и т. д.). ГСК пуповинной крови способны создать большую клеточную популяцию в короткий срок.

• Совместимость. Использование аутологичного материала, то есть собственной пуповинной крови гарантирует 100%-ную совместимость. Совместимость с братьями и сёстрами составляет до 25 %, как правило, возможно также использование пуповинной крови ребёнка для лечения других близких родственников. Для сравнения, вероятность нахождения подходящего донора стволовых клеток — от 1:1000 до 1:1000 000.

Мультипотентные мезенхимальные (стромальные клетки)

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) — мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки).

Предшественниками ММСК в эмбриогенный период развития являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Они могут быть обнаружены в местах распространения мезенхимы, то есть зародышевой соединительной ткани.

Основным  источником ММСК является костный мозг. Кроме того, они обнаружены в жировой  ткани и ряде других тканей с хорошим  кровоснабжением. Существует ряд доказательств  того, что естественная тканевая ниша ММСК расположена периваскулярно — вокруг кровеносных сосудов. Кроме того, ММСК были обнаружены в пульпе молочных зубов, амниотической (околоплодной) жидкости, пуповинной крови и вартоновом студне. Эти источники исследуются, но редко применяются на практике. Например, выделение молодых ММСК из вартонова студня представляет собой крайне трудоёмкий процесс, поскольку клетки в нём также располагаются периваскулярно. В 2005—2006 годах специалисты по ММСК официально определили ряд параметров, которым должны соответствовать клетки, чтобы отнести их к популяции ММСК. Были опубликованы статьи, в которых представлен иммунофенотип ММСК и направления ортодоксальной дифференцировки. К ним относится дифференцировка в клетки костной, жировой и хрящевой тканей. Был проведён ряд экспериментов по дифференцировке ММСК в нейроноподобные клетки, но исследователи по-прежнему сомневаются, что полученные нейроны являются функциональными. Эксперименты также проводятся в области дифференцировки ММСК в миоциты — клетки мышечной ткани. Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения ММСК является котрансплантация совместно с ГСК в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови. Многочисленные исследования показали, что ММСК человека могут избегать отторжения при трансплантации, вступать во взаимодействие с дендритными клетками и Т-лимфоцитами и создавать иммуносупрессивную микросреду посредством выработки цитокинов. Было доказано, что иммуномодулирующие функции ММСК человека повышаются, когда их пересаживают в воспалённую среду с повышенным уровнем гамма-интерферона. Другие исследования противоречат этим выводам, что обусловлено гетерогенной природой изолированных МСК и значительными различиями между ними, в зависимости от способа культивирования.

МСК могут быть активированы в случае необходимости. Однако эффективность их использования относительно низка. Так, к примеру, повреждение мышц даже при трансплантации МСК заживает очень медленно. В настоящее время проводятся исследования по активации МСК. Ранее проведённые исследования по внутривенной трансплантации МСК показали, что этот способ трансплантации часто приводит к кризу отторжения и сепсису. Сегодня признано, что заболевания периферических тканей, например, воспаление кишечника лучше лечить не трансплантацией, а методами, повышающими локальную концентрацию МСК.

Тканеспецифичные (прогениторные) клетки

Тканеспецифичные прогениторные клетки (клетки-предшественницы) — малодифференцированные клетки, которые располагаются в различных тканях и органах и отвечают за обновление их клеточной популяции, то есть замещают погибшие клетки. К ним, например, относятся миосателлитоциты (предшественники мышечных волокон), клетки-предшественницы лимфо- и миелопоэза. Эти клетки являются олиго- и унипотентными и их главное отличие от других стволовых клеток в том, что клетки-предшественницы могут делиться лишь определённое количество раз, в то время как другие стволовые клетки способны к неограниченному самообновлению. Поэтому их принадлежность к истинно стволовым клеткам подвергается сомнению. Отдельно исследуются нейральные стволовые клетки, которые также относятся к группе тканеспецифичных. Они дифференцируются в процессе развития эмбриона и в плодный период, в результате чего происходит формирование всех нервных структур будущего взрослого организма, включая центральную и периферическую нервные системы. Эти клетки были обнаружены и в ЦНС взрослого организма, в частности, в субэпендимальной зоне, в гиппокампе, обонятельном мозге и т. д. Несмотря на то, что большая часть погибших нейронов не замещается, процесс нейрогенеза во взрослой ЦНС всё-таки возможен за счёт нейральных стволовых клеток, то есть популяция нейронов может «восстанавливаться», однако это происходит в таком объёме, что не сказывается существенно на исходах патологических процессов.

История развития стволовых клеток

• 1908: термин «стволовая клетка» (Stem cells) был предложен к широкому использованию русским гистологом Александром Максимовым (1874—1928). 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 клеток мозга. 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 широко применяется в трансплантологии.

• 1992: нейральные стволовые клетки получены in vitro. Разработаны протоколы их культивирования в виде нейросфер. 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.

• 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. 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».

• 2005: учёные из Калифорнийского университета в Ирвайне произвели инъекцию нейральных стволовых клеток человека крысам с травматическим повреждением спинного мозга, и смогли частично восстановить способность крыс передвигаться. 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 вплюрипотентное 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 клеток человека» 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 риски канцерогенеза 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. 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 из сперматогониальных 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 использовании вирусов. 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: израильский учёный Инбар Фридрих Бен-Нун возглавил 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. 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 "Science" они высказали предположение, что результаты их исследований внесут вклад в решение проблемы бесплодия.

Использование стволовых  клеток в медицине: проблемы и перспективы

Перспективы применения клеточных технологий во многих областях медицины, включая  трансплантацию органов, испытание  лекарственных препаратов, лечение  и восстановление поврежденных тканей и т.д., очень заманчивы и близки, но до начала полного использования  потенциала клеточных технологий необходимо разрешить проблемы: