Стволовые клетки – прорыв в медицине или ложные надежды?

Мезенхимальные  стволовые клетки

Мезенхимальные  стволовые клетки (МСК) были изолированы  из костного мозга, надкостницы, трабекулярной  кости, жировой ткани, синовиальной оболочки, скелетной мускулатуры и молочных зубов. Эти клетки обладают способностью дифференцироваться в клетки соединительной ткани, включая кость, жир, хрящ и мускулатуру. Много было выяснено в последние годы об изоляции и характеристиках МСК и о контроле над их дифференцировкой. Эти клетки вызвали большой интерес из-за перспектив их использования в регенеративной медицине и тканевой инженерии. Существуют драматические примеры, взятые из преклинического и клинического использования МСК, которые иллюстрируют их терапевтическую ценность. По мере того, как развивались новые методы, выявлено несколько аспектов взаимодействий имплантированных клеток с хозяином. Они должны быть рассмотрены перед тем, как понять лежащие в их основе механизмы. Взаимодействия мимплантированных клеток с хозяином включают иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки, механизмы хоуминга, которые направляют клетки к месту повреждения, и дифференциация in vivo имплантированных клеток под влиянием локальных сигналов.

 Популяции  стволовых клеток найдены в большинстве взрослых тканей и в обшем их дифференцирочный потенциал может отражать локальные клеточные популяции. Были описаны гемопоэтические, эпидермальные, мезенхимальные, невральные и гепато - стволовые клетки были. Возможно, что во взрослом организме эти клетки являются резервуаром репаративных клеток, которые мобилизуются повреждением и мигрируют в рану, где в кооперации с локальными клетками участвуют в репаративном ответе. Мезенхимальные стволовые клетки, изолированные из костного мозга, имеют способность дифференцироваться в клетки соединительной ткани. Некоторые разительные примеры терапевтического использования МСК были недавно описаны для таких случакв, как коронарная болезнь артерий, повреждение спинного мозга, болезнь Паркинсона и регенерация печени. В ортопедической медицине МСК применялись для восстановления костей и хряща и при лечении остеоартрита. Вопрос о реакции хозяина на имплантированные МСК становится критическим по мере развития клинических приложений. Есть несколько аспектов взаимодействий имплантированных стволовых клеток с хозяином, которые нужно рассмотреть для понимания механизмов, лежащих в основе терапии стволовыми клетками. Это иммунный ответ хозяина на имплантированные клетки, механизмы хоуминга, которые направляют клетки к месту повреждения, дифференциация имплантированных клеток под влиянием локальных сигналов.

 Мезенхимальные  стволовые клетки (МСК) являются  предшественниками всех клеток  соединительной ткани. МСК были  изолированы из костного мозга  и других тканей у взрослых множества видов позвоночных. Они размножались в культуре и диффренцировались в несколько ткань – образующих клеток, таких, как кость, хрящ, жир, мускулатура, сухожилие, печень, почки, сердце, даже клетки мозга. Последние достижения в практическом применении МСК при регенерации человеческого суставного мыщелока синовиального сустава являются примерами их функциональности и многосторонности.

Таким образом, мезенхимальные клетки при дифференцировке  образуют различные клетки соединительной ткани.

Стромальные стволовые клетки

Созданы линии  человеческих мезенхимальных стволовых  клеток, которые могут дифференцироваться в различные тканевые клетки, включая  кость, нервные клетки, стромальные  клетки костного мозга, поддерживать рост гемопоэтических стволовых клеток и так называемых “стромальных опухолевых клеток”, смешанных с опухолевыми клетками. Обладающие теломеразой человеческие стромальные клетки из костного мозга обладают повышенной продолжительностью жизни и поддерживают рост гемопоэтических клоногенных клеток. Перенос гена индийского ежа (дикобраза) существенно увеличил экспансию гемопоэтических стволовых клеток, поддерживаемую человеческими стромальными клетками костного мозга. Генномодифицированные мезенхимальные стволовые клетки полезны, как терапевтические инструменты для лечения повреждения мозговых тканей (например, в результате инфаркта мозга) и злокачественных мозговых неоплазм. Трансплантация мезенхимальных стволовых клеток защищает мозг от острого ишемического повреждения при окклюзии среднемозговой артерии на животной модели. Полученный из мозга нейротропный фактор (BDNF)-генной трансдукции еще больше увеличил протективную эффективность против ишемического повреждения. Мезенхимальные стволовые клетки обладают отличной способностью к миграции и оказывают ингибиторный эффект на клетки глиомы. Генная модификация мезенхимальных стволовых клеток терапевтическими цитокинами увеличивает антиопухолевый эффект и пролонгирует выживание животных с опухолями. Генная терапия, использующая мезенхимальные стволовые клетки, как тканепротективный и направленный цитореагент является многообещающим подходом.

Этот обзор  посвящен стволовым клеткам костного мозга. Методы индентификации, культивирования, накопления клеточной массы и пересадки стволовых клеток описаны, включая выделение линий гемопоэтических и мезенхимальных линий стволовых клеток и детальный анализ, использующий многочисленные CD и другие маркеры для идентификации малых субпопуляций стволовых клеток. За секцией, посвященной стволовым клеткам крови пуповины, следует детальное обсуждение современной ситуации в клиническом использовании стволовых клеток, его последние неудачи, связанные с эпигенетическими факторами, различные подходы к открытию высокомультипотентных стволовых клеток костного мозга, и краткое описание эмбриологических подходов к идентификации базовых стволовых клеток костного мозга на самых ранних стадиях развития эмбрионов млекопитающих.

Костный мозг взрослых млекопитающих содержит не одну, а  две отдельные популяции взрослых стволовых клеток. Первой и наиболее хорошо охарктеризованной является популяция гемопоэтических стволовых клеток, ответственная за поддержание продукции в течение всей жизни клеток крови. Биологические характеристики и свойства второй резидентной популяции стволовых клеток костного мозга, называемых стромальными клетками костного мозга или мезенхимальными стволовыми клетками, значительно менее понятны. In vitro культуры, произошедшие из суспензии разделенного на отдельные клетки костного мозга различных видов млекопитающих, образуют колонии стромальных клеток костного мозга, каждая из которых происходит от одной клетки – предшественника, называемой колониеобразующий фибробласт. Были разработаны условия культивирования для выращивания стромальных клеток костного мозга in vitro, которые сохраняли способность дифференцироваться в кость, жир и хрящ. Значительная доля современных знаний об этой популяции клеток базируется на анализе свойств этих культур клеток, а не на свойствах первичных инициирующих рост колонии клеток. Современные данные заставляют предположить, что стромальные прогениторы в костном мозге in situ ассоциированы с внешней поверхностью сосудов и могут делить идентичность с сосудистыми перицитами.

Таким образом, стромальные стволовые клетки костного мозга являются одним из видов мезенхимальных стволовых клеток.

Тканеспецифичные  стволовые клетки

Полагают, что  стволовые клетки важны для регенерации  нескольких взрослых тканей. В последнее время были идентифицированы взрослые стволовые клетки с очень широким потенциалом дифференцировки, хотя не известно представляют ли они примитивные стволовые клетки или продукты исключительно редких событий дедифференцировки, включающие тканевоспецифичные стволовые клетки. Была также продемонстрирована трансдифференцировка тканевоспецифичных стволовых клеток за границы линии, но относительная неэффективность процесса in vivo, даже в присутствии тканевого повреждения, подвергает сомнению физиологическое значение такого механизма. Интересно, что среди взрослых стволовых клеток. которые культивируются ex vivo продолжительные периоды времени, способность изменять линию наибольшая. Если решения о судьбе нормальных разнообразных стволовых клеток могут быть изменены с высокой частотой in situ, могут быть представлены возможные регенеративные терапии для большого разнообрзия болезней. Интегральное понимание транкрипционной регуляторной сети, которая включает различные взрослые стволовые клетки, также, как и сигнальных путей, управляющих их дифференцировкой в терапевтически полезные клеточные типы, будет способствовать клиническому приложению этих волнующих открытий.

Таким образом, тканевоспецифичные стволовые клетки способны дифференцироваться в другие типы клеток, но in vivo этот процесс малоэффективен. Тем не менее сейчас разрабатываются подходы, сделающие возможным использования этого источника стволовых клеток.

Также стволовые  клетки по способу их дифференциации делятся на:

- Тотипотентные  клетки способны формировать  все эмбриональные и экстраэмбриональные типы клеток клетки. К ним относятся только эмбриональный ооцит и бластомеры 2 -8 клеточной стадии.

- Плюрипотентные  клетки способны формировать  все типы клеток эмбриона. К  н6им относятся эмбриональные  стволовые клетки, первичные половые  клетки и клетки эмбриональных  карцином.

-Другие типы  стволовых клеток локализуются  в сформировавшихся тканях взрослого организма. Они варьируют по степени дифференцировки от мульти- до унипотентных.

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:

• стволовые клетки должны быть доступны в достаточных количествах;
• дифференциация стволовых клеток должна быть строго направленной и специфичной;
• стволовые клетки должны быть жизнеспособны в организме реципиента;
• после трансплантации стволовые клетки должны быть способны интегрироваться в ткани реципиента;
• трансплантант должен функционировать в течение всей жизни реципиента;
• трансплантация не должна наносить какого-либо вреда реципиенту (включая иммунную реакцию отторжения).

Проведение терапии  стволовыми клетками стало настоящей  сенсацией в лечении многих тяжелейших заболеваний. Успехи современной терапии  злокачественных заболеваний во многом связаны и с этим быстро развивающимся направлением. Стволовые клетки могут быть использованы для получения или тканей или целых органов, специально адаптированных под будущих реципиентов. Заместительная клеточная терапия при болезнях Альцгеймера и Паркинсона, также как при многих формах паралича и ранее неизлечимых аутоиммунных заболеваниях - это наиболее актуальные направления исследований. Трансплантация стволовых клеток крови является альтернативой трансплантации костного мозга и в ряде случаев имеет перед ней преимущества (например, аутотрансплантация при химиотерапии или радиационном поражении).

Пуповинная  кровь как источник стволовых  клеток

В последние  десятилетия были разработаны различные  методы выделения и обогащения кроветворных стволовых клеток из периферической крови, костного мозга и пуповинной крови, являющейся наиболее перспективным источником получения кроветворных стволовых клеток. В России вслед за странами Западной Европы и США создаются банки кроветворных стволовых клеток, в которых последние не только находятся на хранении, но и могут использоваться для аллогенных трансплантаций и генной терапии. За последние годы опубликованы сотни сообщений о применении соматических стволовых клеток (в первую очередь кроветворных стволовых клеток) в эксперименте и клинике. В связи с этим эмбриональные стволовые клетки кажутся более привлекательными, поскольку доказана их способность (в эмбриональном микроокружении) генерировать все клеточные типы. На практике, однако, чрезвычайно трудно получить в культуре из эмбриональных стволовых клеток тот тип клеток, который планируется.

Одним из вариантов  решения этой проблемы является получение  стволовых клеток из пуповинной крови новорожденных и их хранение в банках стволовых клеток. Кровь из пуповины, несколько десятков миллилитров которой выливается при рождении ребенка, содержит немало стволовых клеток, в основном кроветворных «предшественников» - гемопоэтических прогениторных клеток – ГПК. Общая концентрация ГПК в пуповинной крови ниже, но число ранних клеток-предшественников значительно выше, чем в костном мозге (например, в пуповинной крови содержится в 2 раза больше полипотентных ГПК, чем в таком же объеме трансплантата костного мозга). Но главное, пуповинную кровь не надо специально забирать с помощью особого оборудования. Достаточно вовремя собрать ее после родов в стерильный пластиковый контейнер, затем провести анализ ее образца, заморозить с помощью жидкого азота и поместить на хранение. За 1 раз может быть забрано в среднем около 80 - 100 мл пуповинной крови. В среднем, для трансплантации достаточно 1 мл пуповинной крови на 1 кг массы тела реципиента.

Использование пуповинной крови имеет ряд преимуществ  перед использованием костного мозга:

1. Пуповинная кровь не имеет других применений и в большинстве случаев выбрасывается вместе с плацентой и пуповиной.
2. Использование пуповинной крови не причиняет донору никакого вреда, и эту кровь легко собирать.
3. Криообработанную пуповинную кровь можно использовать сразу после HLA-типирования.
4. Вероятность заражения вирусными инфекциями низка и может быть заранее исключена.
5. Возможность выполнения иммунологических перекрестных проб с реципиентом дает преимущество использованию криообработанной пуповинной крови перед трансплантацией костного мозга.
6. Сбор пуповинной крови от детей, принадлежащих к этническим меньшинствам, позволяет компенсировать относительный недостаток трансплантатов в этой группе и повысить вероятность получения HLA совместимого трансплантата для представителей этнических меньшинств.