Стволовые клетки
Стволовые клетки - недифференцированные клеточные элементы, обладающие свойствами самообновления и дифференцировки. Сам термин «стволовая клетка» ввел петербургский гематолог А. Максимов в 1908 году. Вторым основоположником клеточной терапии был С.Воронцов, работавший в 20-е гг. в Париже. Большой вклад в исследования стволовых клеток в России в 60-70-е гг. сделали гематологи А.Фриденштейн и И.Чертков. Стволовые клетки можно классифицировать в соответствии с их дифференцировочным потенциалом.
1) Тотипотентные клетки способны формировать все эмбриональные и экстра-эмбриональные типы клеток. К ним относятся только оплодотворённый ооцит и бластомеры 2 – 8 клеточной стадии.
2) Плюрипотентные клетки способны формировать все типы клеток эмбриона. К ним относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином.
3) Другие типы стволовых клеток локализуются в сформировавшихся тканях взрослого организма (adult stem cells) и называются взрослыми, регионарными или тканевыми стволовыми клетками. Они варьируют по способности к дифференцировке от мульти- до унипотентных.
Однако в последние годы чаще используется классификация стволовых клеток по источникам их выделения: эмбриональные, фетальные (выделенные из абортивного материала) и стволовые клетки взрослого организма.
|
|
|
|
С этого момента по всему миру - сначала в США и в Европе, а затем и в России, начали создаваться банки пуповинной крови и проводиться сотни исследований с применением терапии стволовыми клетками пуповинной крови.
В 2005 году компания «Транс-Технологии» получила лицензию Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения и социального развития на применение новых клеточных технологий в здравоохранении, после чего был открыт первый в Санкт-Петербурге Банк стволовых клеток. За время работы компанией был накоплен огромный опыт как по хранению, так и по трансплантации стволовых клеток.
1. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК)
получают из так называемой внутренней клеточной массы раннего эмбриона на этапе бластоцисты (4-7 день развития). Это «идеальные» стволовые клетки, из которых в дальнейшем развивается весь организм. Все специализированные клетки организма по мере формирования эмбриона дифференцируются из неспециализированных эмбриональных стволовых клеток.
ЭСК обладают рядом положительных и отрицательных характеристик, к которым относятся:
Плюрипотентность - способность стволовой клетки дифференцироваться в несколько типов клеток различных тканей и органов (нервные клетки, красные кровяные тельца, клетки печени, клетки поджелудочной железы, кардиомиоциты, клетки эпидермиса, мышечные клетки и др.).
Низкий уровень иммунореактивности – Эмбриональные стволовые клетки не несут на своих мембранах специфических молекул, которые могут быть опознаны иммунными клетками реципиента как чужеродные. По этой причине ЭСК практически никогда не отторгаются после трансплантации и не вызывают так называемой «реакции хозяин против трансплантата.
Онкологические осложнения - трансплантация эмбриональных СК может спровоцировать рост доброкачественных и злокачественных новообразований.
Формирование тератомы после трансплантации эмбриональных стволовых клеток при моделировании экспериментального инсульта.
Erdo F, Buhrle C, Blunk J, Hoehn M, Xia Y, Fleischmann BK, Focking M, Kustermann E, Kolossov E, Hescheler J, Hossmann K-A, and Trapp T.
Host-dependent tumorogenesis of embrionic stem sell transplantation in experimental stroke. Journal of Cerebral Bloob Flow and Methabolism. 2003, 23:780-785.
Этический аспект - Основным источником эмбриональных СК является абортивный материал или материал, оставшийся невостребованным после искусственного оплодотворения.
В случае ЭСК невозможно использовать аутологичный (собственный) материал
1. Фетальный клеточный материал - клетки зародыша на 9-12 неделе развития.
Наиболее веским обоснованием для использования фетального материала является возможность применения материала необходимого генеза. Вместе с тем возникают проблемы этического характера, а также множество вопросов относительно качества материала.
Возможность применения материала необходимого генеза - В 60-90-е гг. прошлого века при лечении психоневрологических заболеваний трансплантировали фетальный клеточный материал, в котором присутствовали стволовые клетки поврежденной ткани.
Этический аспект – Материал, оставшийся в результате прерывания беременности, т.е. аборта.
Качество материала - Использование непроверенного фетального материала может привести к заражению реципиента СПИДом, гепатитами, цитомегаловирусом и др. Проверка материала занимает время и достаточно дорогостояща, что приводит к увеличению стоимости услуг.
Невозможно использовать аутологичный материал
ЭМБРИОНАЛЬНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ЗАПРЕЩЕНЫ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МИНИСТЕРСТВОМ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ.
1. Стволовые клетки взрослого организма:
В течение жизни во взрослом организме постоянно происходит гибель клеток различных тканей, как при естественном обновлении (апоптоз), так и при повреждениях (некроз). Восстановление утраченных клеток происходит за счет камбиальных элементов. В кишечнике, коже, мышцах, красном костном мозге, печени, головном мозге существуют пролиферирующие тканеспецифические популяции клеток.
В последние годы в тканях сформировавшегося организма были выявлены клеточные элементы, способные к дифференцировке не только в тканеспецифических направлениях, но и в клетки иного тканевого происхождения. При этом происходит потеря первичных тканевых маркеров и функций и приобретение маркеров и функций вновь образованного клеточного типа. Это явление получило название трансдифференцировки или пластичности. Подобные клеточные элементы классифицируют как мультипотентные стволовые клетки взрослого организма. Ещё одно их свойство – способность к миграции в другие ткани in vivo.
Открытие стволовых клеток взрослого организма позволяет по-новому подойти к проблеме обновления сформировавшихся тканей, изменить концепцию клеточной и генной терапии различных заболеваний. Изучение свойств стволовых клеток и их влияния на репаративные процессы в организме - одна из наиболее актуальных задач современной клеточной биологии. Особая значимость исследований в данной области связана с применением клеточных технологий для лечения человека.
К настоящему моменту выделены следующие типы стволовых клеток взрослого организма: гемопоэтические, мышечные, нервной ткани, кожи, эндотелия, кишечника, миокарда, гемопоэтические и мезенхимные стволовые клетки.
ГЕМОПОЭТИЧЕСКИЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ (ГСК)
Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) - популяция мультипотентных стволовых клеток - в настоящее время охарактеризована наиболее полно. ГСК находятся в красном костном мозге взрослого организма. Впервые популяция ГСК была выделена из костного мозга (КМ) мыши около 30 лет назад. Клоногенные свойства этих клеток, доказанные позднее в экспериментах in vivo и in vitro, позволили выделять данные клетки с высоким уровнем чистоты (~85 %-95 %). Фенотипическим "портретом" чистых популяций ГСК считается присутствие на поверхности клетки маркеров CD34, CD133, c-kit (CD117), и отсутствие CD38, и специфических маркеров коммитированных клеток крови: гликофорина A, CD2,CD3, CD4, CD8, CD14, CD15, CD16, CD19, CD20, CD56 и CD66b (Lin-). Долгое время считалось, что ГСК способны дифференцироваться только в клетки крови. Однако исследования по выявлению мультипотентности ГСК, выполненные в последние годы, показали, что при трансплантации в кровоток ГСК могут дифференцироваться также в гепатоциты, клетки эпителия и эндотелий.
На основании экспериментальных работ, выполненных в течение последних лет, ГСК можно считать агентами клеточной терапии только при повреждениях печени и сосудов. Несмотря на разработанные протоколы выделения чистых популяций ГСК из взрослого организма, нет методик их культивирования in vitro(в лабораторных условиях). Существующие методы позволяют лишь сохранить или незначительно обогатить популяцию гемопоэтических стволовых клеток. Уже первые попытки их культивирования показали необходимость присутствия фидерного слоя из клеток стромы костного мозга. Как выяснилось позднее, именно клетки стромы костного мозга являются ключевыми регуляторами популяции ГСК. Стромальные элементы определяют пролиферацию и дифференцировку ГСК в костном мозге. Следует отметить, что стромальные клеточные элементы выделяют факторы, определяющие дифференцировку ГСК и миграцию ГСК в костный мозг. 
ГСК способны мигрировать не только в костный мозг, но и из костного мозга в кровоток. Показано, что выход ГСК из костного мозга происходит в ответ на воздействие факторов мобилизации: гранулоцитарно-макрафагального колоние-стимулирующего фактора (ГМ-КСФ), гранулоцитарного колоние-стимулирующего фактора (Г-КСФ). Эти факторы также выделяются клетками стромы. Воздействие ГМ-КСФ и Г-КСФ увеличивает количество ГСК в периферической крови на порядок.
ГСК могут являться инструментом клеточной терапии при некоторых заболеваниях. Современный уровень развития биотехнологии позволяет исследователям использовать аутологичные ГСК, выделяя их из периферической крови в достаточном количестве. Однако механизмы трансдифференцировки ГСК в настоящий момент изучены недостаточно.
До последнего времени костный мозг являлся единственным источником гемопоэтических стволовых клеток. После некоторых медицинских процедур и введения в организм так называемых факторов мобилизации (Г-КСФ и ГМ-КСФ) в периферической крови можно увеличить количество ГСК. Нехватка образцов костного мозга заставила исследователей обратить внимание на альтернативные источники стволовых клеток крови. Несомненно, одним из них является пуповинная/плацентарная кровь. В последние годы исследования применимости пуповинной крови шагнули далеко вперед и многие врачи сошлись во мнении, что трансплантация стволовых клеток пуповинной крови может быть альтернативой пересадки костного мозга при онкогематологических и гематологических заболеваниях.
Итак, ГСК мультипотентны, могут дифференцироваться в клетки различных органов. При работе с ГСК можно использовать аутологичный материал, и как следствие нет риска отторжения при трансплантации реципиента. Они подвергаются криоконсервации, иными словами существует возможность хранения собственных клеток «про запас» с возможностью их использования через длительное время при сохранении всех свойств и возраста клеток на момент забора. Они не дают опухолей in vivo, при введении в организм не вызывают роста новообразований. На сегодняшний день их нельзя культивировать ex vivo, на настоящий момент еще не выработаны стабильно воспроизводимые методики увеличения количества гемопоэтических клеток в лабораторных условиях.
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ НЕРВНОЙ ТКАНИ
Стволовые клетки нервной ткани (НСК) расположены в специфических областях мозга человека и других млекопитающих.
Источником стволовых клеток нервной ткани является головной мозг как сформировавшегося, так и развивающегося организма. В результате проведенных экспериментов по трансплантации НСК клетки с донорской меткой были обнаружены в сердце, печени, центральной нервной системе, кишечнике и легких, что доказывает их мультипотентность. 
Несмотря на то, что НСК являются мультипотентными и существует возможность их культивирования in vivo, их применение влечет за собой массу сложностей. Выделение стволовых клеток нервной ткани связано с полным разрушением головного мозга, что делает невозможным применение аутологичного материала, а, как следствие этого, появляются те же проблемы этического и иммунологического характера, что и при использовании фетальных клеток.
Для клеточной терапии НСК наиболее перспективны при использовании их ортодоксального дифференцировочного потенциала (нейроны и глия). К настоящему моменту разработаны коктейли химических индукторов коммитации НСК к дифференцировке в одном направлении (Bithell and Williams 2005). НСК локализованы в субэпендимном клеточном слое 3 и 4 желудочков головного мозга (Romanko et al., 2004). Таким образом, выделение НСК связано с разрушением головного мозга донора (Rietze et al., 2001). Но при этом возможно использование аллогенного материала для клеточной терапии ЦНС в связи с наличием гематоэнцефалического барьера и отсутствием иммунологических реакций на чужеродный материал, введенный в ЦНС реципиента. Эксперименты с применением фетального материала при терапии болезни Паркинсона к настоящему моменту уже проведены как на экспериментальных животных, так и в клинике (Burnstein et al., 2004).
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ КОЖИ
Стволовые клетки кожи выделяют из покровных тканей как эмбриона, так и взрослого организма. Клеточную терапию стволовыми клетками кожи связывают прежде всего с восстановлением кожных покровов, например, с восстановлением кожи после обширных ожогов. Сегодня подобные разработки уже применяют в клинике.
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СКЕЛЕТНОЙ МУСКУЛАТУРЫ
Стволовые клетки скелетной мускулатуры выделяют из поперечнополосатой мускулатуры. Эти клетки способны к дифференцировке в клетки нервной, хрящевой, жировой и костной тканей, а также, естественно, в клетки поперечнополосатой мускулатуры. Однако последние исследования показывают, что клетки скелетной мускулатуры являются не чем иным, как отдельной популяцией мезенхимных стволовых клеток (см. ниже). 
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ МИОКАРДА
В 90-х гг. ХХ века из миокарда новорожденных крыс были выделены клеточные элементы, способные к дифференцировке в кардиомиоциты и эндотелий сосудов. Трансплантация таких клеток в область инфаркта миокарда приводит к развитию в зоне повреждения новых кардиомиоцитов и сосудов, в результате чего восстанавливаются функции органа. Однако методика выделения данных клеточных элементов очень сложна и связана с полным разрушением мышечной ткани сердца.
МЕЗЕНХИМНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ (МСК)
Традиционным источником МСК является строма костного мозга. В результате проведенных исследований мезенхимные стволовые клетки были обнаружены также в подкожной жировой ткани, которая в больших количествах остается после пластических операций.
В настоящее время ведется множество научно-исследовательских работ по выделению достаточного количества МСК из костной ткани и пуповинной крови.
Мезенхимные стволовые клетки рассматривают как один из основных элементов клеточной терапии. Действительно, МСК плюрипотентны и могут дифференцироваться в клетки костной, жировой, мышечной, хрящевой, нервной и прочих тканей. Неоспоримым достоинством работы с МСК служит то, что существует возможность применения аутологичного материала.
|
Источники МСК | |||
 |  | |  |
| Костный мозг | Жировая ткань | Костная ткань | Пуповинная кровь |
| + | - |
|---|---|
| Плюрипотентны
Могут дифференцироваться в клетки костной, жировой, мышечной, хрящевой, нервной тканей и др. | Необходим постоянный инфекционный контроль при культивировании |
| Можно использовать аутологичный материал
Использование собственного (аутологичного) материала позволяет избежать при введении в организм реакции «хозяин против трансплантата», т.к. реципиенту вводят его собственные клетки. | |
| Можно получать из аспиратов костного мозга и культивировать ex vivo
При взятии даже небольшого количества костного мозга или небольшой концентрации СК в костном мозге в условиях специализированных лабораторий можно вырастить необходимое количество МСК. | |
| Хорошо пролиферируют (делятся) в культуре, подвергаются криоконсервации
При использовании специальных питательных сред МСК начинают быстро размножаться. Возможно хранение клеток при низких температурах. После размораживания клетки сохранят все свои свойства и ВОЗРАСТ первоначально забранного материала. | |
| Не дают опухолей in vivo
При трансплантации в организм человека не вызывают онкологических осложнений. | |
| In vivo имеют тропность к местам повреждений
При заболевании или травме после трансплантации МСК вместе с кровотоком направляются к месту повреждения (гибели) клеток. |
