Стволовые клетки

6. Хоуминг стволовых клеток

В биологии стволовых клеток хоумингом называется поселение ствловых клеток в месте повреждения (в широком смысле слова) и поселение трансплантата гемопоэтических клеток в костный мозг (в узком смысле слова).

Рост и дифференцировка гемопоэтических стволовых клеток являются высоко зависимыми от регуляторных молекул, продуцируемых стромальными клетками костного мозга. Данные, накопленные в последние годы, показали, что рецепторы адгезии на гемопоэтических клетках и их лиганды на стромальных клетках и экстрацеллюлярном матриксе играют критическую роль в этих взаимодействиях. Интегрины семейтсва бета 1, в основном VLA-4 и VLA-5, наиболее хорошо охарактеризованы и были идентифицирорваны, как определяющие место прогениторных клеток в гемопоэтической иерархии, определяемой их долговременной способностью к репопуляции in vitro и in vivo. Функциональные исследования показали, что большинство прогениторных клеток эффективно связывются с эндотелиальными клетками костного мозга через бета 1 интегрин, и были описаны линия - и стадия созревания - специфичными различия. Существуют данные о прямом контроле поздней эритроидной дифференцировки VLA-4, но не ясно является ли критически важным участие бета 1 интегринов в функционировании гемопоэтических стволовых клеток в более незрелых стадиях. Многие другие интегриновые и неинтегриновые рецепторы участвуют в адгезивных взаимодействиях и экспрессируются на гемопоэтических прогениторных клетках и жестко регулируются в течение дифференцировки, но их функция остается противоречивой /12/.

У здоровых взрослых гемопоэз происходит в костном мозге, где находится большинство гемопоэтических клеток - прогениторов (ГКП). У пациентов, проходящих курс хемо и/радиотерапии, гемопоэз серьезно нарушен. Восстановление функции костного мозга может быть достигнуто трансплантацией костного мозга или трасплантацией стволовых клеток из периферической крови. Успех трансплантации стволовых клеток зависит от способности внутривенно введенных стволовых клеток размещаться в костном мозге. Этот процесс называется хоумингом. Однако, молекулярный механизм, управляющий этим процессом еще плохо понят. Выдвинута гипотеза, что хоуминг является многоступенчатым процессом, состоящий из адгезии ГКП к эндотелиальным клеткам синусоид костного мозга, за которым следует трансэндотелиальная миграция, направляемая хемоатрактантами, и закрепление во внесосудистых пространствах костного мозга, где уже происходят пролиферация и дифференцировка. В этом связи важны роли хемокина происходящего из стромы фактора 1 (SDF-1) и его рецептора CXCR-4, участие молекул адгезии в индукции полимеризации актина в ГКП. Определение роли хемокинов и молекул адгезии в миграции и приживлении трансплантанта стволовых клеток человека поможет раскрыть внутренние механизмы, которые регулируют хоуминг стволовых клеток, и, в конечном счете, приведет к прогрессу в трансплантации стволовых клеток /59/.

Все зрелые клетки крови могут быть получены из ГСК. Как и все другие гемопоэтические клетки, стволовые клетки мобильны, и эта способность к мобильности позволила трансплантации костного мозга стать рутинной клинической процедурой. Успешная трансплантация требует, чтобы гемопоэтические стволовые клетки поселились в костном мозге, вышли из периферического кровообращения и были стабилизированы в регуляторных нишах во вне сосудистом пространстве костного мозга. Этот процесс хоуминга обратим - гемопоэтические стволовые клетки могут быть освобождены из костного мозга за счет молекулярных взаимодействий, что также важно в хоуминге после за трансплантации. Молекулярные события, регулирующие этот двунаправленный процесс, начинают устанавливаться, и появилось много новых данных, которые проливают свет на процессы в этих сложных физиологических событиях /60/.

Хоуминг транспалантированных стволовых клеток в костный мозг реципиента является критическим шагом в приживлении трасплантанта и инициировании реконструкции костного мозга. В настоящее время достигнуто только частичное понимание клеточных и молекулярных механизмов, управляющих хоумингом. Существует только неполный список молекул адгезии, участвующих в направлении траффика стволовых клеток в микроокружение костного мозга. Альтернативная гипотеза, которая связывает хоуминг с организованным и оркестрованным каскадом событий или со случайной миграцией цирулирующих клеток, находит достаточное экспериментальное подтверждение. Также неопределенна судьба осевших в костном мозге клеток вскоре после трансплантации и скорость, с которой они начинают пролиферировать в своем новом микроокружении. Ограниченное число исследований в этом направлении и несоразмерность в их экспериментальном дизайне увеличивает неразбериху, окружающую эти критические аспекты биологии стволовых клеток. Однако эта область исследований быстро развивается и приближается получение результатов, проясняющих многие из этих вопросов /54/.

Селектины - это лектины клеточной поверхности, участвующие в опосредовании адгезии белых клеток крови к эндотелиальным клеткам и тромбоцитам. Они распознают фукозилированные, сиализированные и в некоторых случаях сульфатированные лиганды, экспрессируемые на гликопротеинах, служащих как функциональные контр - рецепторы. Селектины регулируются на уровне траскрипции, через протеолитический процессинг, через клеточную сортировку и через регулируемую экспрессию гликозил - трансферераз, ответственных за образование функциональных лигандов. Селектины физиологически важны при воспалении, хоуминге лимфоцитов, иммунологических ответах и хоуминге стволовых клеток костного мозга. Они играют роль при атеросклерозе, повреждении ишемии - реперфузии, воспалительной болезни и метастатическом распространении некоторых опухолей /32/.

Недавнее открытие того, что взрослые стволовые клетки способны образовывать новые кровеносные сосуды и клетки паренхимы в тканях, которые они колонизируют, вызвали огромный оптимизм и надежду на то, что эти клетки обеспечат функциональное восстановление поврежденного органа. Использование взрослых стволовых клетк ля регенеративной медицины ставит задачу получения эти клеток в нужном месте с минимальной смертностью и максимальной эффективностью. В идеале тканевоспецифичная колонизация должна быть достигнута путем внутрисосудистого введения стволовых клеток и использования нормальных физиологических процессов, управляющих клеточным траффиком. Критическим для успеха этого направления является использование стволовых клеток, несущих соответствующие мембранные молекулы, которые опосредуют хоуминг из сосудов в тканевой компартмент. Гемопоэтические клетки экспрессируют новую гликоформу CD44, известную, как E-/L-selectin лиганд гемопоэтических клеток (HCELL). Эта молекула является наиболее сильным Е-селектин лигандом, экспрессируемом в любой человеческой клетке /48/.

Таким образом, хоуминг стволовых клеток регулируется межклеточными взаимодействиями и растворимыми факторами. Особую роль в хоуминге принадлежит селектинам.

7. Маркеры стволовых клеток

Стволовые клетки были идентифицированы и охарактеризованы в различных тканях. Обсуждаются возможные общие свойства стволовых клеток. Высказано предположение, что независимо от их линейного происхождения, стволовые клетки отвечают сходным образом на регуляторные сигналы самообновления и дифференцировки, и похоже на то, что контроль клеточного цикла, контроль ассиметрии/дифференцировки, механизмы клеточной защиты и репарации ДНК и связанные апоптоз/старение сигнальные пути имеют более высокий уровень регуляции в стволовых клетках, возможно, за счет сходных механизмов. Предложен набор генов кандидатов, специфичных для стволовых клеток /9/.

Таким образом, предложен набор генов, характерных для всех стволовых клеток (генные маркеры стволовых клеток).

8. Болезни стволовых клеток

Предложена новая концепция классификации болезней стволовых клеток: (1) аплазия стволовых клеток (апластическая анемия); (2) пролиферативный синдром гемопоэтических стволовых клеток (лейкемия и миелодиспластический синдром); (3) пролиферативный синдром поликлональных гематопоэтических клеток (системные и органоспецифичные аутоиммунные заболевания). Рассатриваются следующие две группы болезней стволовых клеток: болезни мезенхимальных клеток и органоспецифичные болезни стволовых клеток. Связанные с возрастом болезни, такие, как болезнь Альцгеймера, остеопороз и фиброз легких принадлежат к первой, в то время, как карциносаркома в легких и аденокарцинорма эндокринных клеток в животе принадлежит ко второй. Предложен новый метод трансплантации аллогенного костного мозга с использованием резистентных к химеризму, подверженных аутоиммунным заболеваниям MRL/lpr мышей. В этом методе клетки костного мозга, содержащие небольшое количество Т клеток и мзенхимальных стволовых клеток инъецировались непосредственно в полость костного мозга. MRL/lpr мыши, леченные инъециями стволовых клеток, жили более 2 лет без симптомов аутоиммунного заболевания. Для приложимости этого метода к людям разработана его модификация для стволовых клеток костного мозга, полученных от обезьян. В этом методе клетки получали из длинных костей с использованием перфузионного метода, и инъецировали их прямо в полость костного мозга реципиентов. Этот новый метод может стать мощной стратегией лечения различных трудноизлечимых заболеваний /24/.

Таким образом, в настоящее время определены болезни, которые являются болезнями стволовых клеток.

9. Модели для изучения человеческих стволовых клеток

Область изучения мышиных моделей ксенотрансплантации очень выросло в последние две декады. Многие важные аспекты биологии человеческих стволовых клеток могут быть исследованы in vivo с использованием иммунодефицитных мышей, поэтому число различных линий и моделей постоянно увеличивается /35/.

Таким образом, многие вопросы биологии стволовых клеток человека могут быть исследованы на моделях на животных.

10. Иммунология стволовых клеток

Несколько исследований показали, что терапия клеточной трансплатацией, проводившаяся вслед за инфарктом миокарда обладает определенной эффективностью в способствовании заживлению миокарда и последующим восстановлением его функции Крупномасштабная продукция человеческих эмбриональных стволовых клеток, дающих при дифференцировке кардиомиоциты может потенциально обеспечить обильный запас донорских клеток для миокардиальной трансплантации. Существуют, однако, иммунологические барьеры для их использования в клинической терапии у человека. Новый подход состоит в использовании полученных из человеческих эмбриональных клеток кардиомиоцитов для репрограммирования аутологичных взрослых стволовых клеток для экспрессирования кардиомиогенной функции вместо того, чтобы прямо использовать их для трансплантации. Это может быть достигнуто с помощью нескольких новых технологий. Цитопласты с удаленным ядром, полученные из кардиомиоцитов, в свою очередь полученные из эмбриональных стволовых клеток, могут быть внесены в аутологичные взрослые стволовые клетки для получения цитоплазматических гибридов. Взрослые стволовые клетки могут также быть временно пермеализированы и подвергнуты действию цитоплазматичесих экстрактов, полученных из этих кардиомиоцитов. Или альтернативно, интактные или энуклеированные цитопласты из кардиомиоитов, полученных из человеческих эмбриональных стволовыф клеток могут быть культивируемы совместно со взрослыми стволовыми клетками in vitro для обеспечения клеточных контактов и электрических соединений, которые могут способствовать некоторой трансдифференцировке /23/.

Изолированные из ранней бластоцисты эмбриональные стволовые клетки захватывают короткий момент плюрипотентности в развивающемся эмбрионе, о чем свидетельствует их дифференцировка во многие типы соматических клеток in vitro. Хотя эти свойства помогают удовлетворить спрос на “запасные части" для замещения больных или изношенных тканей, их использование в так называемой терапии клеточной замены ставит несколько проблем, не последней из которых является их последующее отторжение. Эмбриональные стволовые клетки могут порождать клеточные типы, необходимые для лечения болезни, в то же время они являются источником гемопоэтических стволовых клеток или терминально дифференцированных дендритных клеток, которые могут содействовать индукции трансплантационной толерантности к замещающим тканям /17/.

Трансплантация стволовых клеток при аутоиммунной болезни отягощена отсутствием определенных клинических данных, способных подтвердить ее пользу. Этот недостаток усугубляется по мере того, как растет стимул ввести и оценить ценность дополнительных технологий, направленных на увеличение безопасности и эффективности процедуры. Развитие эффективного суррогатного анализа для предсказания исхода путем измерения возродившихся аутоиммунных клонов или путем применения основанных на геномике или протеомике технологий для определения ранних рецидивов болезни может иметь ценность для определения преимуществ этих модификаций без необходимости проводить полномасштабные, длительные, рандомизированные исследования. Введение более безопасных аллогенных трансплантационных технологий может увеличить эффективность процедуры, в то время, как работа над пластичностью стволовых клеток костного мозга и/ или интеграции предполагает, что трансплантация стволовых клеток может служить не только для остановки аутоиммунного процесса, но также поставлять клетки, способные заживлять или регенерировать больные органы. Введение терапевтических трансгенов в трансплантируемые клетки может увеличить эффективность трансплантации стволовых клеток, хотя регуляторные сложности испытаний генной терапии, возможно, затормозят этот процесс. Все эти инновации обеспечат большие изменения в практике и целях трансплантации стволовых клеток для лечения аутоиммунных заболеваний в следующем десятилетии /7/.

Lewis X антиген (Le (X)) является маркером стволовых эмбриональных клеток, эмбриональных клеток карциномы, мультипотентных клеток раннего эмбриона у мышей. Le (X) расположен на разветвленных, высокого молекулярного веса поли-N-ацетиллактозаминах (эмбриогликанах). В то время, как эмбриогликан присутствует в человеческих эмбриональных клетках карциномы, он не экспрессируется в человеческих эмбриональных стволовых клетках или клетках внутренней массы. Вместо этого эти клетки экспрессируют SSEA-3 и SSEA-4, оба из которых находятся на гликолипидах. Le (X) является маркером изначальных зародышевых клеток или мультипотентных стволовых клеток, полученных из изначальных зародышевых клеток у мыши и человека. У других видов позвоночных Le (X) широко экспрессируется в ранних эмбриональных клетках и изначальных зародышевых клетках, но способ экспрессии не является полностью одинаковым среди различных видов. Le (X) экспрессируется в невральных стволовых клетках у человека и мышей. Гемопоэтические стволовые клетки не экспрессируют эти углеводные маркеры. Маркером этих клеток является CD34, связанный с мембраной сиаломуцин. Другой сиаломуцин, CD164 (MGC-24v), экспрессируется гемопоэтическими прогениторными клетками. В качестве функции для Le (X) в стволовых клетках предложено способствование действию интегрина, что основано на анализе гликопротеинов маркера, экспериментов по трансфекции сДНК и ингибиторных эффектах анти - Le (X) антител. Наиболее вероятно, что Le (X) антиген, также как поли-N-ацетиллактозамины участвует во взаимодействиях на той же самой мембране. С другой стороны О-связанные олигосахариды CD34 и CD164, вероятно, участвуют в регуляции клеточной адгезии и пролиферации через межклеточное узнавание /40/.