Стволовые клетки

3

Содержание

1. Терапия стволовыми клетками

2. Типы стволовых клеток

2.1 Эмбриональные стволовые клетки

2.2 Гемопоэтические стволовые клетки

2.3 Мезенхимальные стволовые клетки

2.4 Стромальные стволовые клетки

2.5 Тканеспецифичные стволовые клетки

3. Ангиогенные стволовые клетки

4. Рекрутирование (мобилизация) стволовых клеток

5. Пролиферация стволовых клеток

6. Хоуминг стволовых клеток

7. Маркеры стволовых клеток

8. Болезни стволовых клеток

9. Модели для изучения человеческих стволовых клеток

10. Иммунология стволовых клеток

11. Генетика стволовых клеток

11.1.Ремоделирование хроматина

11.2 Самообновление стволовых клеток

11.3 Дифференцировка стволовых клеток

11.4 Фармакогеномика

11.5 Ассимитричное деление стволовых клеток

11.6 Генная терапия и стволовые клетки

1. Терапия стволовыми клетками

Целью регенеративной медицины является восстановление формы и функции поврежденных тканей. Один из потенциальных терапевтических подходов включает использование аутологичных клеток, полученных из костного мозга. Прогресс в трансплантации ядер, образование экспериментальных гетерокариотических клеток и наблюдаемая пластичность экспрессии генов и фенотипа у различных типов свидетельствует о пластичности ядра. Последние исследования дополнили эти открытия и показали, что эндогенные клетки в костном мозге обладают способностью включаться в дефектные ткани и репрограммироваться. Независимо от механизма потенциал для новой экспрессии генов в клетках из костного мозга в тканях - реципиентах обещает развитие клеточной терапии, как в пролиферирующих, так и в пост - митотических тканях /44/.

Стволовые клетки, представляющие наибольший интерес с точки зрения их применения в медицине, - это эмбриональные, гемопоэтические и мезенхимальные. Стволовые клетки - это недифференцированные клетки, способные как к самоподдержанию, так и к дифференцировке в зрелые специализированные клетки. По типу происхождения различают эмбриональные и соматические стволовые клетки. Первые могут неограниченно поддерживаться в культуре и способны к дифференцировке во все клетки взрослого организма. Вторые обладают ограниченной способностью к дифференцировке и, возможно, ограниченным пролиферативным потенциалом. Важным для терапевтического применения, хотя и оспариваемым рядом ученых, свойством является пластичность соматических стволовых клеток, т.е. способность к контекст-зависимой дифференцировке в “неродственные” типы клеток. Предполагается, что дифференцировка большинства типов стволовых клеток происходит по принципу поэтапного иерархического созревания через промежуточные интенсивно пролиферирующие клетки - предшественники. Применение стволовых клеток в медицине находится в основном на стадии преклинических исследований. Несмотря на перспективность эмбриональных стволовых клеток, ряд обстоятельств серьезно ограничивает их терапевтическое применение в ближайшем будущем. В то же время подходы, связанные с аутотрансплантацией гемопоэтических или мезенхимальных стволовых клеток, уже начинают успешно использоваться в клинических испытаниях для лечения ишемии конечностей и последствий инфаркта миокарда. Очевидно, что применение стволовых клеток в медицине обещает кардинальный прогресс в лечении множества тяжелых заболеваний /41/.

Таким образом, основное свойство стволовых клеток - дифференцироваться в другие типы клеток широко используется в регенеративной медицине. Различные типы стволовых клеток обладают различной пластичностью, т.е. способностью перепрограммироваться в тканях - реципиентах.

2. Типы стволовых клеток

2.1 Эмбриональные стволовые клетки

Изучение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) началось в 1963 году, первоначально с использованием дезагрегированных эмбрионов кроликов и мышей. Их дифференцировка in vitro была довольно ограниченной и обычно сводилась к образованию трофектодермных клеток, которые прикреплялись к пластику. Клетки кроличьей морулы и бластомеры прилипали более быстро, трофектодерма образовывала слой клеток, которые покрывались стволовыми клетками из внутренней части клеточной массы. Культуры бластомеров на покрытой коллагеном поверхности образовывали разнообразные клетки, включая нервные, клетки крови, нервные, фагоциты и многие другие типы клеток. Когда внутренняя клеточная масса была освобождена и культивировалась интактной или в виде клеточных дезагрегантов, были установлены линии ЭСК, которые обладали хорошими уровнями дезагрегации и большой стабильностью в секреции энзимов, морфологии и полнотой хромосом. Способности к развитию единичной мышиной эмбриональной клетки измерялись с помощью инъекции одной или более в бластоцисту реципиента, и степень колонизации в образовавшихся химерах являлась мерой их плюрипотентности. У мышей клеточные разрастания назвали эмбриональными телами, которые давали разрастания, сходные с таковыми у кроликов. Входящие в их состав клетки широко дифференцировались, в зависимости от подверженности их влиянию различных цитокинов или субстратов. Были установлены маркеры для дифференциации или плюрипотентности, что выявило, как нервные, кардиальные, гематологические и другие линии ЭСК могут быть определены in vitro. Это оказалось полезным в изучении ранней дифференцировки и использовании эти клеток при пересадке больным пациентам. Демонстрирующие сходные свойства человеческие ЭСК “всплыли” в конце 1990-ых. Модели для клинического использования ЭСК показали, как они быстро двигаются к тканям - мишеням по эмбриональным путям, дифференцируются и колонизируют орган - мишень. Никаких признаков воспаления или повреждения тканей не было обнаружено; поврежденные ткани могли быть восстановлены, включая ремиелинацию, и не образовывалось никаких опухолей. Эмбриональные стволовые клетки имеют широкий терапевтический потенциал для человека, хотя обширные клинические исследования все еще ждут своего выполнения /15/.

Современное развитие исследований стволовых клеток указывает на огромный потенциал их, как источника тканей для регенеративных терапий. Успех этих приложений будет зависеть от точных свойств и потенциалов стволовых клеток, изолированных либо из эмбриональных, либо из взрослых тканей. ЭСК, выделенные из внутренней массы ранних мышиных эмбрионов, характеризуются почти неограниченной пролиферацией и способностью дифференцироваться в дериваты по существу всех линий. Недавние изоляции и культивирование человеческих ЭСК представило новые возможности для реконструктивной медицины. Однако остаются важные проблемы. Первое, получение дериватов человеческих эмбриональных клеток из бластомеров, полученных при оплодотворении яйцеклетки in vitro создает этические проблемы, и второе, современные техники для прямой дифференциации в популяции соматических клеток не позволяют получать чистые продукты и к тому же обладают способностью образовывать опухоли. Последние исследования показали также неожиданно высокий потенциал развития взрослых тканеспецифичных стволовых клеток. Здесь также остается много вопросов, касающихся природы и статуса взрослых стволовых клеток как in vivo, так и in vitro и их способности к пролиферации и к дифференцировке/ трансдифференцировке /13/.

Имея в виду все время увеличивающуюся потребность в человеческих стволовых клетках для трансплантации, было проведено исследование in vitro и in vivo человеческих эмбриональных клеток из костного мозга/ прогениторных клеток, полученных в результате прерывания беременности 16-20 недель. При использовании приматов, как модели, было показано, что эмбриональные ткани имеют определенные свойства, которые являются оптимальными для трансплантации. Было проведено тестирование и сравнение фенотипических и функциональных характеристики эмбрионального костного мозга (ЭКМ), взрослого костного мозга (ВКМ), пуповинной крови (ПК) и периферической крови (ПЕРК) - источников наиболее примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток. Поразительные онтогенетические различия в пропорции CD34+ клеток в ЭКМ, ВКМ, ПЕРК и ПК были обнаружены. Клоногенный потенциал, судя по результатам CFU-c исследования, был выше всего у ЭКМ по сравнению с ВКМ, ПЕРК и ПК. Более того, наблюдался существенный спад пролиферативного ответа в смешанной лимфоцитарной реакции ЭМК и ПК по сравнению с ВКМ и ПЕРК. Цитокинетические профили клеток из четырех источников были также проанализированы. Это исследование выявило, что как ВМК, так и ЭМК имеют более высокую пропорцию клеток в S-фазе по сравнению с ПЕРК и ПК клетками. ЭМК и ВМК также показали более высокую пропорцию клеток в G (2) - M фазе по сравнению с ПЕРК и ПК. Эти данные показали, что ЭМК имеют наибольшее число пролиферирующих клеток. Были изучены онтогенетические различия в стромальных клетках, полученных из ЭМК, ВМК и ПК, с особым вниманием к экспрессии определенных цитокинов, таких, как CSF, GM-CSF, G-CSF, M-CSF, IL-3, IL-6, IL-10 and IL-11. ЭМК показали наивысший уровень экспрессии CSF, IL-6 и IL-11 по сравнению с другими источниками. Эти цитокины могут играть важную роль в приживлении трансплантанта и хоуминге стволовых клеток. Уровни экспрессии остальных цитокинов были сходны со всеми другими источниками стромальных клеток, за исключением G-CSF, который не определялся в ПК. Более того, число колоний ЭМК и ВМК клеток было выше при инокуляции с эмбриональными стволовыми клетками. Эти результаты заставляют предположить важную регуляторную роль цитокинов в онтогенезе гематопоэза. Проделанные наблюдения указывают, что каждый источник гематопоэтических стволовых клеток имеет различные внутренние свойства, тесно коррелирующие с онтогенетическим возрастом, который является ведущий детерминантой для фенотипических характеристик, определения линии дифференцировки, иммуногенности, как и пролиферативного потенциала. Эти данные ясно показывают, что ЭМК являются лучшим источником стволовых клеток для трансплантации и терапевтической реконституции из-за очень высокой пролиферативной способности, низкой иммуногенности и наиболее высокого числа примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток /36/.

Эмбриональные ткани являются богатейшим источником изначальных стволовых клеток и имеют несколько свойств, которые делают их особенно полезными при пересадке. Они являются превосходящими взрослые (зрелые) ткани в определенных отношениях. Первое, эмбриональные клетки способны пролиферировать быстрее и более часто, чем зрелые, полностью дифференцированные клетки. Это означает, что эти донорские клетки способны быстро восстанавливать потерянную функцию хозяина. Дополнительно, эти эмбриональные клетки могут дифференцироваться в ответ на сигналы окружающей их среды. Из-за их локализации они могут расти, удлиняться, мигрировать и устанавливать функциональные связи с другими клетками вокруг них в организме хозяина. Было обнаружено, что эти эмбриональные ткани не так легко отторгаются реципиентом из-за низкого уровня антигенов гистосовместимости в эмбриональных тканях. В то же время в них имеются ангиогенные и трофические факторы в высоких концентрациях, что увеличивает их способность расти при трансплантации. Поскольку в ранних эмбриональных гематопоэтических тканях отсутствуют лимфоциты, реакции трансплантант против хозяина минимизированы. Эмбриональные клетки имеют тенденции переживать иссечение, рассечение и пересадку лучше, поскольку у них обычно нет длинных удлинений или прочных межклеточных соединений. В заключение, эмбриональные ткани могут выживать при более низком содержании кислорода, чем зрелые клетки. Это делает их более устойчивыми к ишемическим условиям, имеющим место при трансплантации или в ситуациях in vitro. Исследования на эмбриональных клетках/тканях были вдохновляющими. Эмбриональные ткани могут быть использованы по различным показаниям, например, транслантанты эмбриональной печени быть использованы для борьбы с апластической анемией, кровь пуповины может служить альтернативой трасфузии цельной крови взрослых, эмбриональный трансплантант надпочечников был испытан для борьбы с хронической болью при артритах, эмбриональный трансплантант тимуса использовался для лечения различных иммунодефицитных состояний. Трансплантант из мозговой эмбриональной ткани был пересажен в гетеротопное положение, и наблюдалась пролиферация ткани. Нейротрансплантация эмбриональных тканей при паркинсонизме показала позитивные результаты в нескольких глобальных исследованиях. Существуют потенциальные возможности использования эмбриональных тканей в биоинженерии путем покрытия оболочкой/создания рассады из эмбриональных тканей на имплантатах, эндопротезах сосудов и других искусственных хирургических, спасающих жизнь приспособлениях, для улучшения их функционирования, и это также может увеличить срок службы этих дорогих приспособлений. Рациональное использование пре-HLA рассады из эмбриональных тканей в ортопедической, торакальной и нейрохирургии может привести к уменьшению длительного раздражения имлантата и интерфазы хозяина, и таким образом, к созданию лучших приспособлений, т.к. может быть создана более биодружелюбная интерфаза /5/.

Таким образом, эмбриональные стволовые клетки обладают большей способностью к пролиферации и большей пластичностью (способностью к более разнообразной дифференцировке), чем взрослые стволовые клетки, а так же низкой иммуногенностью.

2.2 Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) определяются по их способности давать все гемопоэтические линии in vivo и поддерживать образование этих клеток в течение всей жизни человека. В отсутствие надежных прямых маркеров ГСК, их идентификация и подсчет зависят от функциональных и мультилинейных исследований репопуляции in vivo. Необыкновенно низкая встречаемость ГСК в любой ткани и отсутствие специфического ГСК фенотипа сделали их очистку и характеристику весьма трудной задачей. ГСК и примитивные гемопоэтические клетки могут быть отличимы от зрелых клеток крови по отсутствию у них линия - специфичных маркеров и присутствию некоторых других поверхностных антигенов, таких, как CD133 (для человеческих клеток) и c-kit и Sca-1 (у мышиных клеток). Функциональный анализ субпопуляций примитивных гемопоэтических клеток привел к созданию нескольких процедур для изоляции клеточных популяций, которые сильно обогащены клетками, проявляющими активность стволовых клеток in vivo. Упрощенные методы для получения этих клеток с высоким выходом были важны для практического использовании таких наработок /61/.

ГСК широко использовались для ауто и алло трансплантаций в течение десятилетий, хотя мало было известно об их миграции, выживании, самообновлении и дифференциации. Сортировка их по CD34 (+) маркеру, который они экспрессируют на клеточной поверхности, привела к открытию ГСК в CD34 (-) компартменте, что может предшествовать появлению CD34 (+) ГСК в процессе дифференцировки. До недавнего времени стволовые клетки в костном мозге считали специфичными для гемопоэза. Эксперименты, включающие клинические испытания, показали образование различных тканей, например, мускульных, нервных клеток и гепатоцитов, после трансплантации медуллярных клеток и опровергнули эту догму. Фактически, доказательства такой трасдифференцировки ГСК все еще отсутствуют, и данные могут быть получены при изучении дифференцировки других мультипотентных клеток, присутствующих в костном мозге, таких, как мезенхимальные стволовые клетки и более примитивные мультипотентные взрослые зародышевые клетки и клетки побочной популяции /10/.

В последние годы стало очевидным, что хемокин SDF-1 и его рецептор CXCR4 играют пилотную роль в нормальном гемопоэзе. Они являются важными для нормального онтогенеза гемопоэза в течение эмбриогенеза и продолжают играть ключевую роль в сохранении гемопоэтических прогениторных клеток в микроокружении костного мозга у взрослых. В сязи с этой роли прерывание взаимодействий SDF-1/CXCR4 приводит к мобилизации гемопоэтических прогениторных клеток, а стандартный протокол мобилизации препятствует им. Сходно, взаимодействия SDF-1/CXCR4 требуются для хоуминга и приживления трансплантанта во время трансплантации. SDF-1 регулирует локализацию лейкемических клеток, и, как их нормальные двойники, большинство лейкемических клеток отвечают на SDF-1 увеличенными адгезией, выживанием и пролиферацией. Однако в некоторых случаях ответы лейкемических клеток на SDF-1 могут быть разрегулированы, а влияние этого на прогрессирование болезни неизвестно /25/.