Стволовые клетки и их использование в медицине

Учреждение  образования

«Белорусский  государственный 

медицинский университет».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Стволовые клетки

и их использование в медицине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Минск, 2010 год.

План  реферата:

1). Введение. Проблемы трансплантации органов.

2). Понятие о стволовых клетках.

3). Эмбриональные  стволовые клетки.

4). Получение стволовых клеток.

5). Использование стволовых клеток в медицине.

6). Медицинские, биологические и морально-этические проблемы использования стволовых клеток.

7). Заключение. 

8). Использованные ресурсы и литература.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть 1. Введение. Проблемы трансплантации органов.

 

    Долгое время врачей интересовал вопрос о трансплантации здоровых органов и тканей от человека к человеку в случае каких-либо тяжелых поражений органов с полной потерей их функций. Примеры таких операций известны еще с эпохи средневековья, однако они часто заканчивались неудачно: из-за иммуного ответа организма на чужеродный белок пересаженный орган отторгался, и пациент умирал. Это отмечал в своём труде «De curtorum chirurgia per insitionem, libri duo» хирург эпохи Возрождения Гаспар Тальякоцци (1545-1599), который с успехом делал аутотрансплантации кожи, ещё в 1597 году. Он писал, что «при пересадке человеку фрагмента чужой кожи всегда происходит отторжение». Наконец были достигнуты значительные успехи в области трансплантологии, но   проблемы отторжения органов после пересадки сохранились. В ХХ веке был предложен альтернативный вариант трансплантации органов: получение их из стволовых клеток. В июне 2008 года была проведена первая пересадка человеческого органа, выращенного из стволовых клеток, профессором Паоло Макиарини в клинике Барселоны.

 

Часть 2. Понятие о стволовых клетках.

 

    Немного из истории исследований стволовых клеток:

  • Впервые термин «стволовая клетка» был введён в научный обиход русским гистологом Александром Максимовым (1874—1928). Он постулировал существование стволовой кроветворной клетки. На заседании Общества Гематологов в Берлине 1 июня 1909 года он ввел понятие «Stammzelle», подразумевая под этим определением лимфоцит в более широком значении этого слова, как клетку, способную быть стволовой в современном понимании этого слова. Эти клетки получили название стволовх клеток крови.

• В шестидесятые годы XX века Тил и Маккулох, а также Меткаф и его сотрудники показали, что внутривенное введение костномозговых клеток от здоровой сингенной к летально облученной мыши приводит к образованию колоний из клеток всех направлений гемопоэтической дифференцировки в селезенке. С разработкой клонального метода для выявления клеток предшественников in-vitro, так называемых колониеобразующих единиц (КОЕ), стало возможным проследить за дифференцировкой всех миелоидных ростков.

• Фриденштейн А. Я. и его сотрудники впервые показали, что в костном мозге, помимо гемопоэтических имеются стромальные стволовые клетки, которые при культивировании формировали колонии фибробластноподобных клеток. Пересадка таких колоний под капсулу почки мыши в диффузионной камере приводило к формированию костной или адипозной ткани.

• В 1981 году американский биолог Мартин Эванс впервые выделил недифференцированные плюрипотентные линии стволовых клеток — бластоцисты мыши.

• В 1998 году Д. Томпсон и Д. Герхарт выявили бессмертную линию эмбриональных стволовых клеток.

• В 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».

    В настоящее время БЭС дает следующее определение понятию «стволовая клетка»: стволовые, или камбиальные, клетки – это клетки, входящие в состав обновляющихся тканей животных и человека, могут развиваться в различные клетки, например, в эритроциты, лейкоциты и тромбоциты крови млекопитающих. Эти клетки обеспечивают восстановление (регенерацию) ткани при гибели части клеток.

    Стволовые клетки — иерархия особых клеток живых организмов, каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться) особым образом (то есть получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Корнем иерархии стволовых клеток является тотипотентная зигота. Первые несколько делений зиготы сохраняют тотипотентность и при потере целостности зародыша это может приводить к появлению монозиготных близнецов. К ветвям иерархии относятся плюрипотентные (омнипотентные) и мультипотентные (бластные) стволовые клетки. Листьями (конечными элементами) иерархии являются зрелые унипотентные клетки тканей организма.

   Стволовые клетки размножаются путём деления, как и все остальные клетки. Отличие стволовых клеток состоит в том, что они могут делиться неограниченно, а зрелые клетки обычно имеют ограниченное количество циклов деления. Также стволовые клетки способны делиться асимметрично, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться.

     Стволовые клетки имеют следующие отличия :

1) Пространственно-временная модель функционирования (фаза «покоя» и фаза симметричного или асимметричного митоза);

2)    Неспециализированность;

3)    Потентность:

   • Тотипотентность – неограниченная способность дифференцировки: во все типы клеток, тканей и органов, эмбрион, эмбриональные оболочки. Важнейшее свойство эмбриональных стволовых клеток;

   •     Плюри (мульти - ) потентность - способность стволовых клеток дифференцироваться в несколько типов клеток различных органов;

   •     Бипотентность - способность клетки развиться в 2 вида специализированных клеток. Например, эмбриональный гепатобласт при своём развитии дифференцируется в гепатоцит или в эпителий желчных протоков;

4)    Способность  к самообновлению;

5) Способность  к миграции, дифференцировке, трансформации и делинеации;

6)   Иерархическая подчиненность;

7)   Срок жизни.

 

Часть 3: эмбриональные стволовые клетки.

 

     Особую группу составляют эмбриональные стволовые клетки. Известно, что в организме взрослого человека стволовых клеток очень мало (в среднем у человека в 60-80 лет — 1 клетка на 5-8 миллионов), в то время как у эмбриона стволовых клеток гораздо больше, а особенно – в первые дни после оплодотворения. Очевидно, это связано с тем, что развитие организма начинается с одноклеточной стадии — зиготы. В ходе дробления возникают бластомеры, которые на начальных этапах дробления еще не детерминированы (т.е. тотипотентны). Если отделить их один от другого - каждый может дать начало полноценному самостоятельному организму, что показывает механизм возникновения монозиготных близнецов.

    Постепенно на следующих стадиях онтогенеза происходит ограничение потенций. В основе его лежат процессы, связанные с блокированием отдельных участков ДНК.

    Развитие тканей в эмбриогенезе происходит в результате дифференцировки клеток. Если одна из стволовых клеток вступает на путь дифференциации, то в результате последовательного ряда коммитирующих митозов возникают дифференцированные клетки со специфической функцией. В связи с этим выделяют особую группу стволовых клеток - эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Эти клетки образуются из внутренней клеточной массы на ранней стадии развития зародыша — бластоцисты. Зародыш человека достигает стадии бластоцисты на стадии 4-5 дней после оплодотворения, бластоциста человека состоит из 50-150 клеток.

     Эмбриональные стволовые клетки обладают следующими характеристиками:

 ●Тотипотентность — способность образовывать любую из примерно 350 типов клеток организма (у млекопитающих);

 ●Хоуминг — способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию;

 ●Факторы, которые определяют уникальность стволовых клеток, находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток матричной РНК всех 3 тысяч генов, которые отвечают за раннее развитие зародыша;

●Теломеразная активность, т.е., при каждой репликации ДНК соматических клеток часть теломер утрачивается (лимит Хейфлика или биочасы). В стволовых, половых и опухолевых клетках есть теломеразная активность, концы их хромосом надстраиваются, то есть эти клетки способны проходить потенциально бесконечное количество клеточных делений, они бессмертны.

     Эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными. Это означает, что они могут дифференцироваться во все три первичных зародышевых листка: эктодерму, энтодерму и мезодерму. Таким образом образуются более 220 видов клеток.

    Свойство плюрипотентности отличает эмбриональные стволовые клетки от полипотентных клеток, которые могут дать начало лишь ограниченному количеству видов клеток. В отсутствие стимулов к дифференциации in vitro, эмбриональные стволовые клетки могут поддерживать плюрипотентность в течение многих клеточных делений.

    Наличие плюрипотентных клеток у взрослого организма остается объектом научных дискуссий, хотя исследования показали, что существует возможность образования плюрипотентных клеток из фибробластов взрослого человека.

 

Часть 4: получение стволовых клеток.

 

    Получение стволовых клеток - одна из наиболее горячих и значимых научных тематик.

Этапы получения  стволовых клеток:

1).Культивация  клеток источника на питательных  средах.

2).Перенос клеток  в среду с дифференцировочным фактором.

3).Использование  стволовых клеток в заместительной  и регенеративной медицине.

    Источником стволовых клеток могут служить клетки эмбриобласта 5-дневной бластоцисты, а также первичные половые клетки из зачатков гонад 4 – 5-недельного эмбриона человека (т.н. прогениторные стволовые клетки). Возможно также получение стволовых клеток из таких источников, как пуповинная кровь, кожа или костный мозг.

    После выделения стволовых клеток их культивируют в специальных питательных средах с добавками ростовых факторов от 2-х недель до 2-х месяцев. Затем начинается стадия дифференцировки клеток. Дифференцировка – это изменения в структуре клеток, связанные с их функциональной специализацией и обусловленные активностью определенных генов (In vivo). Клетки переносят в среду, содержащую индуктивные факторы (факотры дифференцировки).

    Согласно теории организационных центров (Г. Шпеман) индукторы обусловливают развитие недифференцированных клеток в определенном направлении (т.е., по сути их дифференцировку). В подавляющем большинстве случаев по своей природе индуктивные факторы являются белками или гликопротеидами, нуклеотидами или стероидами. Следует иметь в виду, что для получения одного вида ткани In vitro необходимо использовать конкретный дифференцирующий фактор.

    Стадия дифференцировки проводится в достаточно жестких лабораторных условиях, поскольку предполагается, что изменение параметров на этой стадии может приводить к дифференцировке стволовых клеток в другой вид ткани.

    После выделения, культивации и дифференцировки стволовые клетки (а, точнее, ткань, полученная на основе стволовых клеток) используются в заместительной и регенеративной медицине.

 

Часть 5: использование стволовых клеток в медицине.

     Ввиду потентности стволовых клеток, возможности получения и культивирования их в лабораторных условиях, они нашли применение в различных областях медицины. На сегодняшний день накоплен довольно большой опыт применения эмбриональных стволовых клеток на моделях – животных для лечения заболеваний, связанных с разрушением или дисфункцией специфических типов клеток. К числу этих заболеваний, в частности, принадлежат сахарный диабет типа I, при котором нарушается нормальная работа островковых клеток поджелудочной железы, и болезнь Паркинсона, при которой разрушаются дофаминэргические нейроны в определенной зоне головного мозга.

    Исследования, проведенные на животных, показали, что трансплантация эмбриональных стволовых клеток эффективна в случае различных хронических заболеваний: травматических повреждений спинного мозга, дегенерации клеток Пуркинье, повреждений клеток печени, мышечной дистрофии Дюшенна, нарушений остеогенеза.

    Мезенхимальные стволовые клетки (плюрипотентные стволовые клетки, содержащиеся во всех мезенхимальных тканях (главным образом в костном мозге), способные к дифференцировке в различные типы мезенхимальных тканей, а так же в клетки других зародышевых слоёв, могут использоваться при поражениях соеденительной ткани (в т.ч. лейкозов, т.к. стволовые клетки крови могут быть отнесены к мезенхимальным).

    Также были проведены операции по трансплантации человеку органов, выращенных из стволовых клеток. Первая такая операция была проведена в июне 2008 года профессором Паоло Макиарини в клинике Барселоны. Пациентом была взрослая женщина, чья трахея пострадала от туберкулёза. Трахея была создана по сложной технологии: медики использовали трахею недавно умершего человека, и нейтрализовав в ней химическими препаратами живые клетки, они ввели в волокнистую белковую ткань стволовые клетки, взятые из костного мозга пациентки. Эти клетки развивались четыре дня в специальном биореакторе, после чего трахея была готова для пересадки. Через месяц кровоснабжение пересаженного органа полностью восстановилось.