Подписаться
Оглавление

Ствол и ветки: стволовые клетки

  • 5852
  • 7,9
  • 2
  • 3
Добавить в избранное
Обзор

«Чудо-дерево»

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В статье дан обзор современных представлений о стволовых клетках (СК) животных. Разобрана роль стволовых клеток различных групп животных в бесполом размножении и регенерации. Описаны разные типы стволовых клеток млекопитающих и источники их получения для культивирования. Обсуждается концепция ниши стволовых клеток. Кратко охарактеризовано современное состояние, проблемы и перспективы применения СК в медицинской практике.

Конкурс «био/мол/текст»-2011

Победитель конкурса «био/мол/текст»-2012Эта работа заняла первое место в номинации «Лучшая обзорная статья» конкурса «био/мол/текст»-2011.

Одна из главных проблем биологии развития — механизмы дифференцировки клеток. Как и почему клетки, появившиеся в результате деления зиготы, становятся разными? Почему одни из них превращаются в нервные, другие — в мышечные, а третьи — в безъядерные эритроциты? Еще недавно эта тема интересовала в основном ученых и обсуждалась на страницах научных журналов и монографий. Но сейчас достижения в этой области «вдруг» стали интересовать всех — дело дошло до практического применения.

В этой статье пойдет речь о стволовых клетках (СК). Их изучение тесно связано и с проблемами дифференцировки, и с практическим использованием достижений эмбриологии.

Были когда-то и мы стволовыми...

Словосочетание «стволовые клетки» у всех на слуху. Но что за ним стоит? Оказывается, даже среди ученых в этом нет полного согласия [1]. Поэтому начнем с определения. Стволовые клетки должны обладать тремя главными признаками:

  • во-первых, СК не до конца дифференцированы. Это позволяет их потомкам развиваться в нескольких разных направлениях;
  • во-вторых, эти клетки могут неограниченно делиться и давать любое число поколений потомков (по крайней мере, в течение жизни данного организма);
  • в-третьих, эти клетки образуют самоподдерживающуюся популяцию. Это означает, что при делении некоторые их потомки остаются стволовыми, а другие дифференцируются (рис. 1).
Унипотентная стволовая клетка

Рисунок 1. Унипотентная стволовая клетка. Самообновляющаяся популяция таких клеток дает зрелые клетки только одного типа.

СК сильно различаются по своей способности давать разные типы клеток-потомков. На одном конце спектра находятся клетки, способные дать целый организм — тотипотентные клетки . На другом конце находятся унипотентные СК, которые могут дифференцироваться только в клетки одного типа (например, СК эпидермиса кожи).

В конце статьи есть Словарик.

Чаще же всего СК плюрипотентны (могут давать клетки разных зародышевых листков, но не целый организм) или мультипотентны (могут давать несколько типов клеток, часто входящих в состав одного органа или ткани). На самом деле границы между этими типами СК очень размыты — всё зависит от условий дифференцировки.

СК разделяют также на генеративные (клетки зародышевого пути, способные превращаться в гаметы) и соматические, дающие остальные клетки тела. Генеративные СК есть у всех групп животных. Соматические СК некоторые животные во взрослом состоянии утрачивают. Это, например, виды с постоянством клеточного состава — многие нематоды, коловратки, мезозои. Когда клеток у взрослого организма строго определенное число, каждая имеет свой «номер», выполняет свою функцию и занимает строго определенное положение — стволовым клеткам нет места. Но у большинства животных в тех или иных тканях есть соматические СК.

Клетки и губки

У губок давно были известны СК — это археоциты. Новые молекулярно-генетические исследования подтвердили, что у этих тотипотентных клеток есть особые клеточные маркеры — белки, присутствующие только в них. Эти СК составляют внутренние ткани личинок, из них состоят геммулы — стадии бесполого размножения пресноводных губок. Затем археоциты дифференцируются в трех направлениях: дают покровные, скелетные или сократимые клетки губки. Из археоцитов образуются и половые клетки. Необычная черта губок — способность полностью дифференцированных воротничково-жгутиковых клеток утрачивать дифференцировку и превращаться в археоциты. Оказывается, грань между стволовыми и дифференцированными клетками преодолима (и, как мы увидим, не только у губок).

Бессмертная гидра

Пресноводная гидра больше 250 лет верой и правдой служит науке — и уже этим заслужила бессмертие. Это замечательная модель для изучения СК. Промежуточные клетки гидры (i-клетки) — типичные плюрипотентные СК. Часто считают, что из i-клеток гидры могут возникать все типы клеток. Но на самом деле это не так. Из i-клеток образуются половые клетки, железистые клетки, нервные и стрекательные клетки. Кожно-мускульные клетки эктодермы и энтодермы — самостоятельные клеточные линии. В средней части тела гидры кожно-мускульные клетки имеют свойства СК и постоянно делятся. Постепенно эти клетки сдвигаются к подошве, ротовому конусу и щупальцам. По ходу дела они дифференцируются: например, клетки эктодермы на щупальцах превращаются в клетки стрекательных батарей, а на подошве — в клетки, выделяющие слизь. Затем эти клетки гибнут. Но сама гидра, чьё тело состоит чуть ли не целиком из СК, по-видимому, может в благоприятных условиях жить вечно.

Геном гидры сейчас расшифрован. Разработан способ получения генетически модифицированных гидр. Можно получать химерных гидр, у которых генетически различаются i-клетки и кожно-мускульные клетки. Наконец, можно получить «безнервных гидр», химическим путем лишив их i-клеток. У таких гидр кожно-мускульные клетки продолжают делиться. Они могут расти и почковаться, если им насильно запихивать пищу в рот (сами они не могут ни ловить добычу, так как лишены стрекательных клеток, ни глотать её — для этого нужны нервные клетки).

Со времен Трамбле гидра — один из главных модельных объектов для изучения регенерации. Уже довольно давно из гидры выделены пептиды, усиливающие регенерацию «головы» и подошвы. Интересно, что у «безнервных» гидр регенерация не нарушена, хотя в норме эти пептиды образуются в нервных клетках. Если же нервных клеток нет, необходимые для регенерации гены активируются в кожно-мускульных клетках.

Все это делает гидру прекрасным объектом и для изучения дифференцировки клеток. А многие гены, задействованные в развитии и дифференцировке у гидры, не так уж сильно отличаются от человеческих.

Все яйца в одной корзине

Другой популярный объект для изучения регенерации — планарии. Яйца они, правда, откладывают обычно в нескольких «корзинах»-коконах. А вот СК у них — только один тип. Эти плюрипотентные СК — необласты — расположены в рыхлой мезодермальной ткани планарий, паренхиме. Делясь, необласты могут дифференцироваться в любые типы клеток, в том числе в клетки покровов и нервной системы (эктодермы). Только необласты отвечают у планарий за регенерацию. После дифференцировки их потомки перестают делиться. Необласты служат также для бесполого размножения и могут превращаться в половые клетки.

Ну как же без дрозофилы...

Хорошо изучены и СК насекомых. Большинство типов этих клеток есть у зародышей или личинок и отсутствуют у имаго (взрослой особи). Типичные для насекомых с полным превращением СК — это клетки имагинальных дисков. Из этих небольших групп клеток личинки развивается большинство органов имаго. Интересная особенность этих клеток — их способность к трансдетерминации. На довольно ранней стадии в имагинальном диске уже есть «разметка» будущего органа: например, известно, какие из клеток крылового диска станут клетками передней половины крыла, а какие — задней. Внешне эти клетки еще не различаются, но их судьба предопределена (детерминирована). Однако при удалении части диска судьба клеток меняется так, что может восстанавливаться нормальная структура крыла.

У большинства взрослых насекомых не так уж много СК. Удивительно, что у многих видов с неполным превращением они сохраняются в особом отделе головного мозга — грибовидных телах. Эти центры мозга насекомых отвечают за многие формы научения. Нейробласты грибовидных тел (СК мозга) у взрослых сверчков постоянно образуют новые интернейроны. Их число увеличивается при усиленной стимуляции органов зрения и обоняния (например, у самцов — при драках с соперниками). У большинства насекомых с полным превращением СК грибовидных тел гибнут на стадии куколки, и пластичность поведения имаго связана с ростом аксонов и образованием новых синапсов.

Из ядущего вышло едомое

Сравнительно новый модельный объект для изучения СК — оболочники. У этих ближайших родственников позвоночных высока способность к регенерации, а многие из них размножаются бесполым путем и образуют колонии. Только у сидячих оболочников — асцидий — насчитывается чуть ли не десяток разных способов деления и почкования!

На асцидиях часто изучают способность различать «свое и чужое» — основу иммунитета. В последние годы чаще всего используют для таких исследований мелкую, широко распространенную колониальную асцидию Botryllus schlosseri.

Особи колонии (зоóиды) окружены прозрачной оболочкой — туникой — и имеют общую кровеносную систему (рис. 2). В норме колония живет 1–5 лет, а каждый зооид — всего неделю. За это время он успевает сформировать почку — зачаток нового зооида. После этого старый зооид распадается, и его клетки гибнут путем апоптоза; затем клетки растущей почки фагоцитируют остатки зооида, и почка его заменяет.

Botryllus schlosseri

Рисунок 2. Образование колоний у Botryllus schlosseri (вид сверху). После оседания личинки исходная особь (оозооид) начинает почковаться и образует розетки генетически идентичных зооидов. Колония может включать от одной такой розетки до сотни.

Но при удалении всех зооидов происходит сосудистое почкование. В небольших слепых выростах кровеносных сосудов — ампулах — скапливаются лимфоцитоподобные клетки крови. Это — тотипотентные СК асцидии. Из них образуются похожие на бластулы шарики, а затем почки. Одним из первых обособляется в такой почке сердце, затем формируются остальные органы, и новый зооид начинает почковаться обычным способом.

Если две колонии асцидий соприкасаются при росте, они могут либо сливаться, либо разделяться после отторжения и гибели тканей. Результат зависит от одного гена — Fu/HC (fusibility/histocompatibility — ген слияния/гистосовместимости). Этот ген похож на гены, отвечающие за отторжение чужеродных тканей у позвоночных (а возможно, и гомологичен им). Если у двух колоний совпадает хотя бы один аллель этого гена из пары, то они срастаются. Первыми вступают в контакт ампулы, и происходит объединение кровеносной системы колоний.

Самые удивительные события происходят после слияния. У одного из «партнеров» начинается массовая гибель клеток, и все его зооиды полностью разрушаются. Бóльшую часть погибших клеток фагоцитируют клетки крови. Но оказалось, что у «победителя» довольно часто все клетки зародышевого пути имеют генотип «съеденного» партнера! Это означает, что тотипотентные СК «съеденной» особи сохраняются и заселяют «победителя». Иногда и соматические ткани «победителя» целиком или частично заменяются клетками «побежденного». Вот уж действительно — «из ядущего вышло едомое»! Исход «конкуренции» соматических и половых клеток зависит от генотипов сросшихся колоний. Роль этого явления в эволюции и экологии асцидий интенсивно изучается.

И пришивают голову и хвост туда, где нужно...

Для позвоночных бесполое размножение нехарактерно (если не считать полиэмбрионии), но способность к регенерации у них достаточно хорошо развита. Рекордсмены в этом плане — хвостатые амфибии. У саламандр — даже взрослых — регенерируют хвост, глаза, ноги, челюсти, участки миокарда и спинного мозга и другие органы.

Классический объект для изучения регенерации — конечности саламандр и тритонов. После ампутации конечности рана быстро затягивается эпидермисом, а под ним формируется «шапочка» из недифференцированных клеток — бластема.

Откуда берутся эти клетки? Этот вопрос был источником споров в течение десятилетий. И сейчас тут не все еще ясно. Известно, что многие клетки в районе ампутации гибнут, а оставшиеся дедифференцируются. Например, многоядерные клетки скелетных мышц распадаются на одноядерные клетки, а потомки этих одноядерных клеток, возможно, могут превращаться в фибробласты — клетки соединительной ткани. Но насколько они плюрипотентны? В костном мозге, мышцах и соединительной ткани есть и недифференцированные, стволовые клетки. Но насколько важен их вклад в регенерацию?

Сейчас доказано, что большинство клеток бластемы «помнит» свою клеточную линию и в основном дает клетки этой линии при регенерации. Но есть и клетки, которые становятся мультипотентными — это, прежде всего, фибробласты кожи. Большинство клеток бластемы — их потомки, и они точно превращаются в ходе регенерации не только в новые фибробласты, но и в клетки хряща.

Для регенерации, как правило, необходима нервная ткань. Шванновские клетки, окружающие аксоны нервов, подходящих к бластеме, выделяют белок, стимулирующий деление клеток бластемы.

Но в подходящих условиях можно заставить развиваться и бластему, отделенную от конечности. И даже изолированная бластема все равно отращивает только ту часть ноги, которая была отрезана! Значит, клетки бластемы запоминают не только клеточную линию, к которой принадлежат. Они еще и помнят, из какой части ноги происходят и в каком порядке нужно делиться, чтобы недостающая часть была не культей, а нормальной ногой.

Жалкая кучка глупых недифференцированных клеток обладает такой мудростью, что способна сотворить ногу с правильным расположением пальцев, костей и мышц! Как это удается клеткам — тема для отдельной статьи.

«А есть ли СК в СССР?» Стволовые клетки млекопитающих: немного истории

Стволовые клетки крови у взрослых птиц и млекопитающих (включая человека) описал выдающийся российский (с 1922 года — американский) гистолог Александр Александрович Максимов (рис. 3а). В своих работах 1902–1909 гг. он выдвинул и развил идею о существовании общей СК — предшественнике форменных элементов крови. В статье 1909 г. он же впервые использовал термин «стволовая клетка» (к столетнему юбилею публикации эта статья, опубликованная на немецком, была переведена на русский язык [3]). Одним из первых в этих исследованиях Максимов стал использовать культивирование клеток вне организма.

Следующим крупнейшим достижением в этой области стало открытие мезенхимальных мультипотентных СК (МСК). Их открыл советский ученый Александр Яковлевич Фриденштейн (рис. 3б) и его сотрудники [4].

Максимов и Фриденштейн

Рисунок 3. Выдающиеся ученые, работавшие со стволовыми клетками. а — Александр Александрович Максимов (1874–1928). б — Александр Яковлевич Фриденштейн (1924–1997).

Оказалось, что в красном костном мозге есть не только кроветворные СК, но и СК ретикулярной (мезенхимальной) ткани — МСК. Как в культуре, так и в организме человека единственная такая СК может давать клетки костной, хрящевой, фиброзной и жировой тканей.

В 1981 г. Мартин Эванс и Мэтью Кауфман и, независимо от них, Гейл Мартин получили культуру эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) мыши, а в 1998 г Джеймс Томсон создал первую культивируемую линию ЭСК человека. Оказалось, что эти клетки при определенных условиях культивирования длительное время сохраняют плюрипотентность. С этого момента начался настоящий бум изучения СК: ведь их культивируемые линии позволяют изучать условия и механизмы дифференцировки. Сейчас слова «стволовые клетки» присутствуют в названии примерно двух десятков международных научных журналов.

В 2007 г. сэр Мартин Эванс, Марио Капекки и Оливер Смитис получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие принципов введения специфических генных модификаций в организм мышей посредством эмбриональных стволовых клеток». Этот метод позволил получать «нокаутных мышей», произведших настоящий бум в молекулярно-биологических исследованиях [5][6].

Да их там тысячи!..

Наиболее «детские» СК — эмбриональные СК (ЭСК). Их у млекопитающих обычно получают из внутренней клеточной массы бластоцисты — раннего зародыша (рис. 4). Можно получить их и из одного бластомера четырехклеточного или восьмиклеточного зародыша. Эти клетки тотипотентны [7].

Один из способов получения ЭСК млекопитающих

Рисунок 4. Один из способов получения ЭСК млекопитающих. (4) — выделение и культивирование клеток внутренней клеточной массы из раннего зародыша, бластоцисты (3). В подходящих условиях ЭСК дифференцируются в клетки разных тканей (5).

Разнообразные СК содержатся в органах плода и внезародышевых оболочках, в амниотической жидкости. Плюрипотентные СК с генотипом ребенка можно получить из крови плаценты и пуповинного канатика после его рождения. Среди этих клеток есть очень разные (в том числе СК крови), но некоторые точно плюрипотентны — их потомки могут превращаться и в нейроны, и в клетки печени, и в клетки эндотелия сосудов. Таким же или даже бóльшим потенциалом обладают МСК соединительной ткани пуповинного канатика — вартонова студня. Эти клетки очень перспективны для использования в медицинских целях: их сравнительно много, они хорошо растут и быстро размножаются в культуре, долгое время не теряя своих свойств.

По-видимому, плюрипотентны и стволовые клетки из зачатка третьего моляра («зуба мудрости»). Зубы — очень сложные органы, в их состав входит множество тканей. А «зуб мудрости» у детей 5–6 лет еще не начинает дифференцироваться. Часто приходится его удалять в ортопедических (или правильнее — ортодонтических?) целях, и он может оказаться прекрасным источником стволовых клеток для тех, кто не запас пуповинную кровь.

Мультипотентные МСК, видимо, присутствуют в большинстве тканей. К настоящему моменту они обнаружены в эндометрии матки, менструальной крови [8], грудном молоке, в жировой и мышечной ткани и т.д. Возможно, многие из них остаются и плюрипотентными. Доказано, что МСК из костного мозга и жировой ткани могут в культуре в присутствии определенных ростовых факторов превращаться в работающие нейроны.

Уже не вызывает изумления, что мультипотентные СК есть в мозге взрослых млекопитающих. СК гиппокампа, а также некоторых других участков переднего мозга могут превращаться во взрослом мозге в работающие нейроны и клетки глии. Вероятно, СК есть и в мозжечке.

Но оказывается, способные превращаться в нейроны СК есть и в крови взрослых людей! Циркулируют в крови и СК эндотелия сосудов, и другие типы СК. Возможно, там присутствуют и плюрипотентные СК, способные давать вообще практически все ткани. На их роль претендуют недавно обнаруженные «очень маленькие стволовые клетки, похожие на эмбриональные» (VSELsc, very small embryonic-like stem cells). Эти клетки (они и правда очень маленькие, диаметром около 5 мкм) присутствуют в крови в ничтожной концентрации. Их первооткрыватели предполагают, что эти «детские» СК запасаются в разных тканях зародыша и сидят там, не делясь. (Надо сказать, что сами СК вообще делятся редко. Обычно быстро делятся их потомки, уже вставшие на путь диффренцировки — «транзиторные амплифицирующиеся клетки».) Их покоящееся состояние обеспечивается геномным импринтингом [9], но оно обратимо. Возможно, именно эти клетки превращаются во взрослом организме в тканеспецифичные СК. Исчерпание запаса «очень маленьких клеток» может быть связано со старением.

В целом мы явно недооценивали свои «взрослые» СК. Их способность к дифференцировке оказалась ненамного меньше, чем у эмбриональных.

Впасть в детство — но хорошо бы, не навсегда

Почему стволовые клетки — стволовые? И почему некоторые их потомки перестают быть СК и дифференцируются?

Видимо, есть два основных механизма дифференцировки — асимметричное деление и разное микроокружение потомков (рис. 5). Например, нейробласты в ЦНС дрозофилы делятся асимметрично — одна клетка остается СК, а другая превращается в нейрон, и они различаются по размерам (первый механизм). СК эпидермиса человека остаются таковыми, только если сохраняют контакт с межклеточным веществом базальной пластинки (второй механизм).

Основные механизмы дифференцировки СК

Рисунок 5. Основные механизмы дифференцировки СК. а — Дифференцировка зависит от микроокружения. б — Дифференцировка зависит от асимметричного деления.

В обоих случаях дифференцировка связана с изменением состава белков. Значит, в потомках СК выключаются одни гены и включаются другие. Сейчас для многих линий СК эти белки и гены удалось идентифицировать. И это чрезвычайно важно. Поверхностные белки-маркеры позволяют выявить СК. А на гены можно попробовать повлиять, чтобы вызвать дифференцировку в нужном направлении.

А нельзя ли обратить ее вспять? Оказалось, что можно! Достаточно включить в зрелой клетке (даже не стволовой, а обычной — например, в фибробласте) всего несколько генов — и она вновь станет вести себя, как стволовая. Такие индуцированные плюрипотентные СК (ИПСК) были впервые получены в 2006–2007 гг. А в 2008 г. журнал Science признал получение ИПСК одним из важнейших открытий года [11].

Включить для превращения клетки в ИПСК нужно всего 3–4 гена [12]. Их белковые продукты — факторы транскрипции. Они воздействуют на ДНК и меняют в клетке экспрессию сотен других генов. Например, активируется работа теломеразы — фермента, достраивающего концы хромосом и обеспечивающего способность клетки неограниченно долго делиться. А многие «взрослые» гены, активные в дифференцированных клетках, замолкают.

Сначала эти 4 «гена-хозяина» ЭСК встраивали в геном с помощью ретровирусов. Но такая операция в некоторых случаях может превратить клетку в раковую. Затем удалось уменьшить их число, исключив наиболее опасный — протоонкоген c-Myc. Наконец, оказалось, что можно обойтись вектором на основе аденовируса; он не встраивает гены в хромосомы клетки, а только доставляет их внутрь. Достаточно, что образуются нужные белки — и потомки этой клетки, геном которых не изменен, «запоминают» свое состояние и остаются плюрипотентными. Возможно, скоро научатся получать ИПСК вообще без генетических манипуляций — только с помощью воздействия комбинаций ростовых факторов и других веществ.

В 2009 году было доказано, что ИПСК могут давать полноценный организм, в том числе и клетки зародышевого пути. Так что ИПСК оказались тотипотентными: ИПСК, полученные из фибробластов кожи мышей, дали здоровых взрослых мышей, способных нормально размножаться.

Кстати, при этом впервые были получены по-настоящему клонированные животные. Ведь при стандартной процедуре клонирования (методом пересадки ядер) митохондриальная ДНК передается потомству от яйцеклетки-реципиента, так что клон — не точная генетическая копия донора.

Но получить ИПСК — это полдела. Хотелось бы еще заставить их дифференцироваться в нужном направлении — в культуре, а в перспективе в организме больного. И это тоже постепенно учатся делать. Недавно, например, из ЭСК удалось получить в культуре нейроны, вырабатывающие дофамин. Гибель таких нейронов в мозге вызывает болезнь Паркинсона.

Ниши и клетки

В культуре ЭСК и ИПСК могут долгое время делиться, оставаясь недифференцированными — нужно только создать подходящие условия. А что будет, если ввести ЭСК человека в организм бестимусной мыши с ослабленным иммунитетом? Как правило, они дают тератомы — опухоли, содержащие клетки всех трех зародышевых листков. Это стандартный тест на проверку плюрипотентности СК. Попав в непривычное окружение, ЭСК «не понимают», как им себя вести. В результате они обычно дают беспорядочно расположенные ткани, а иногда — целые органы, но там, где не надо...

Нередко хлопоты доставляют и наши собственные СК. Видимо, они более склонны к злокачественному перерождению, чем остальные. Генеративные СК могут развиваться в тератомы. СК мозга часто дают начало глиобластомам и другим опухолям ЦНС.

Все эти факты говорят о том, что СК, как толпу буйных детей, нужно постоянно держать под контролем — организм должен ограничивать деление СК и направлять в нужное русло их дифференцировку. И огромную роль в этом играет микроокружение СК — их «ниши».

Этот заимствованный в экологии термин в применении к СК означает клетки и межклеточное вещество определенной ткани, которые окружают СК, контролируют их деление и дифференцировку. Расшифровка сигналов, получаемых СК от компонентов «ниши», позволит нам управлять стволовыми клетками. Например, можно коммитировать ЭСК или МСК — направлять их дифференцировку в сторону определенного сорта клеток.

Как нейтрофилы спешат к месту воспаления, так и СК могут выходить из своих ниш (мобилизация) и спешить к месту повреждения, где надеются оказаться полезными (хоуминг). К примеру, при инсульте в поврежденном участке мозга образуются сигнальные вещества, «зовущие на помощь» СК мозга, СК крови и МСК из костного мозга. Все эти клетки находят поврежденный участок, в котором идет воспаление, и пытаются его залечить: выделяют противовоспалительные вещества, стимулируют рост новых кровеносных сосудов, сливаются с выжившими нейронами и заменяют их ядра, дифференцируются в новые нейроны и клетки глии. Если нейральные СК (или другие СК, коммитированные к развитию в нейроны) ввести в желудочек мозга или даже просто в вену, они найдут пораженную инсультом область. У подопытных животных это уменьшает последствия инсульта.

Вот уже десяток лет обсуждается вопрос о существовании особых СК злокачественных опухолей и особых ниш злокачественных СК. Многие факты говорят о том, что СК опухолей существуют. Возможно, именно они отвечают за образование метастазов. И возможно, что они возникают из обычных СК, если ниша за ними «не уследила». Более того — ниша может превращать «обычные» злокачественные клетки в злокачественные СК, позволяя им отрываться от опухоли и проникать в кровеносные сосуды. Само образование метастазов можно рассматривать как аналог мобилизации и хоуминга обычных СК.

Существуют и данные о том, что первичная опухоль готовит ниши для своих будущих метастазов. Она выделяет вещества, вызывающие мобилизацию кроветворных СК; те выходят из костного мозга и проникают в определенные ткани, меняя их свойства и подготавливая к заселению опухолевыми СК. Если эти данные подтвердятся, они укажут множество новых путей для терапии онкологических заболеваний (рис. 6).

Раковые стволовые клетки

Рисунок 6. Гипотеза о наличии раковых стволовых клеток пока окончательно не доказана, но их существование весьма вероятно. а — Прежние представления о том, что любая клетка опухоли способна дать метастазы, могут оказаться неверными. б — Гипотеза раковых СК постулирует, что лишь эти клетки могут стать родоначальницами метастазов. В таком случае для эффективной терапии необходимо выявить их особенности и направленно уничтожить.

И всё — равно, и всё — едино

В одной из статей высказывалась идея, что существует два принципиально разных типа СК, имеющих различное эволюционное происхождение. Одни служат у беспозвоночных для бесполого размножения, а другие — для создания разнообразия клеток. В это можно поверить, вспомнив клеточные линии гидры. Но в целом эта гипотеза вряд ли оправдана: всё, что мы знаем о происхождении и эволюции животных, убеждает в изначальной способности их клеток к взаимным превращениям [14].

Еще недавно нам казалось, что между разными тканями и тем более зародышевыми листками высших животных существуют четкие границы. Но сейчас от этих представлений приходится отказаться. Даже в теле взрослого человека эти границы постоянно нарушаются. СК одних тканей могут менять свою судьбу и входить в состав совсем других тканей и органов.

Так что в этом отношении мы не так сильно отличаемся от губок. Образно говоря, сто миллиардов воротничковых жгутиконосцев, из которых состоит наше тело, до сих пор не утратили способность превращаться в амеб и обратно.

Использование СК: надежды и опасения

Часто обсуждают возникающие при использовании ЭСК человека морально-этические проблемы (рис. 7). Следует ли считать эмбрион, лишенный нервной системы, человеком со всеми его правами? Это — вопрос спорный, его можно обсуждать. Но в данном случае копья, похоже, ломаются зря.

Карикатура о стволовых клетках

Рисунок 7. «Я помер, дожидаясь, пока исследователи эмбриональных стволовых клеток найдут способ лечения. А ты?» — «А я был использованным для этих исследований эмбрионом...».

Для получения ЭСК нет необходимости убивать эмбрионов [7]. Извлечение одного бластомера восьмиклеточного зародыша человека — рутинная процедура при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО [15]); она необходима для диагностики генетических заболеваний. С помощью той же процедуры можно получать ЭСК. При ЭКО остаются также неиспользованные для имплантации зародыши. Поэтому опасения, что для получения ЭСК будут специально создаваться «плантации человеческих эмбрионов», беспочвенны — в этом нет необходимости. А, кроме того, видимо, и ИПСК ничем не хуже ЭСК. Так что главные для биологов и врачей проблемы — научно-медицинские.

Работа Эванса, Капекки и Смитиса недаром была отмечена Нобелевской премией. На данный момент это — главное для науки и практики достижение исследований СК. «Нокаут» (полное отключение транскрипции) определенных генов — мощнейший инструмент научных исследований [6]. Дополненный генной инженерией, он позволяет получать мышей и крыс с отсутствующим или видоизмененным белком в любой ткани и органе. Благодаря этому можно изучать функции генов и белков, создавать «мышиные модели» множества болезней человека.

Одно из важных направлений использования СК человека — испытание безопасности лекарств на культурах этих клеток. Правда, полностью от опытов на животных отказаться все равно не удастся. Например, на культуре клеток нельзя выявить тератогенный (вызывающий уродства в ходе развития) эффект лекарств.

Отмечу сразу, что в официальной медицине ЭСК пока не используются. С 2010 года в США и Европе проходят первые этапы нескольких серий клинических испытаний коммитированных ЭСК. Клетки, способные превращаться в олигодендроциты (аналоги шванновских клеток в ЦНС), пробуют использовать для лечения больных с травмами спинного мозга. Главные проблемы у таких больных — разрушение миелиновых оболочек аксонов и образование рубцовой ткани. Опыты на крысах показали, что ЭСК могут образовывать новые миелиновые оболочки и выделяют факторы, препятствующие воспалению и образованию рубца. Крысы с травмой шейного отдела спинного мозга после введения ЭСК начинали ходить. В другом испытании попробуют лечить введением ЭСК одну из наследственных форм макулярной дегенерации сетчатки, приводящей к слепоте. Опыты на животных с этим заболеванием позволили вернуть им зрение.

Главная цель этой фазы испытаний — проверка безопасности метода. Параллельно совершенствуются способы сортировки ЭСК, позволяющие отделить недифференцированные туморогенные (способные давать опухоль) клетки от клеток, «вставших на путь истинный» — дифференцирующихся в нужном направлении.

Использование в медицине ИПСК — тоже дело будущего. Пока проводят опыты на животных; для практического применения есть масса барьеров. Например, наиболее безопасные методы перепрограммирования дают очень низкий выход ИПСК, а для терапии их нужно много.

Зато «взрослые» унипотентные или мультипотентные СК (в том числе СК пуповинной крови) используют в медицине успешно, причем все более широко. Уже более 40 лет применяют пересадку костного мозга для лечения лейкозов, а сейчас — и ряда аутоиммунных и наследственных болезней. В последнем случае клетки пациента генетически модифицируют в культуре или применяют клетки подходящего донора (рис. 8).

Возможности использования СК в терапии наследственных болезней

Рисунок 8. Возможности использования СК в терапии наследственных болезней. а — «Взрослые» СК (например, СК красного костного мозга) забирают у больного, доставляют в них терапевтический ген в культуре, а после селекции и размножения трансформированных клеток возвращают их в организм пациента. б — В перспективе для терапии можно будет использовать и ЭСК, даже если больной не имеет запаса таких клеток. Для этого можно генетически модифицировать чужие ЭСК, чтобы они не вызывали иммунного ответа (1); подобрать ЭСК подходящего донора с теми же генами, отвечающими за совместимость тканей (2); наконец, можно получить клонированный зародыш методом пересадки ядра в яйцеклетку донора и получить из него линию ЭСК пациента.

Вот уже 20 лет сложную операцию по пересадке костного мозга часто удается заменить введением СК пуповинной крови. Их не только проще получить — эти клетки по многим своим свойствам лучше подходят для терапии. Они способны дольше делиться и реже заражены вирусами; кроме того, в них еще не успели накопиться соматические мутации. Иметь такие собственные клетки «про запас» явно не вредно. Поэтому создание банков замороженной пуповинной крови — важное направление в здравоохранении.

К этим старым успехам добавились новые. Например, в 1998 г были начаты опыты по использованию СК эпителия роговицы глаза для лечения тяжелых ожогов роговицы (рис. 9). СК располагаются на периферии роговицы; их собирали из неповрежденных участков того же или второго, менее пострадавшего глаза, размножали в культуре и подсаживали обратно пациенту. У многих больных прозрачность роговицы полностью восстановилась, и этот результат сохранялся в течение 10 лет.

Результаты лечения повреждений роговицы

Рисунок 9. Результаты лечения повреждений роговицы лимбальными стволовыми клетками пациента

СК из разнообразных источников пробуют использовать для восстановления функции желудочков после инфаркта миокарда. В некоторых случаях СК превращаются в клетки сердечной мышцы и улучшают сократительную способность сердца.

От клеток — к органам

Впечатляющие успехи достигнуты с применением тканевых СК в выращивании органов (видео 1). Из многих органов можно удалить все клетки, и останется каркас из межклеточного вещества, повторяющий форму органа. Можно и изготовить такой каркас из биодеградируемого материала. Если затем заселить его клетками, которые взяты из соответствующей ткани больного, то в подходящих условиях эти клетки размножаются и строят новый, функционирующий орган [17]. С помощью такой технологии удалось вырастить кровеносные сосуды, трахею и мочевой пузырь. Первые больные с мочевым пузырем «из пробирки» прожили уже более пяти лет.

Еще одна многообещающая технология — печатание органов на струйном принтере. Специальный 3D-принтер заряжают смесью клеток и особого студня («межклеточного вещества»). С помощью компьютерной программы принтер послойно «печатает точки» из групп клеток, восстанавливая трехмерную структуру органа. Кажется, до такого не додумались даже писатели-фантасты!

Видео 1. Когда слушаешь лекцию пионера регенеративной медицины Энтони Атала о производстве искусственных органов — кажется, что это фантастический рассказ. И в самом деле, фантастике уже трудно угнаться за реальными достижениями науки...

Автор благодарит Е.А. Мусаткину за помощь в подготовке этой статьи. Первоначально работа была опубликована в журнале «Биология в школе» [18].

Литература

  1. Корочкин Л.И. (2005). Что такое стволовые клетки. «Природа». 6, 3–11;
  2. Diana J. Laird, Anthony W. De Tomaso. (2005). Predatory Stem Cells in the Non-Zebrafish Chordate,Botryllus schlosseri. Zebrafish. 1, 357-361;
  3. Максимов А.А. (2009). Лимфоцит как общая стволовая клетка различных элементов крови в эмбриональном развитии и постфетальной жизни млекопитающих. «Клеточная терапия и трансплантация». 1;
  4. Чайлахян Р.К., Лациник Н.В., Герасимов Ю.В., Куролесова А.И., Горская Ю.Ф. (2006). Памяти Ученого и Учителя Александра Яковлевича Фриденштейна посвящается. «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия». 4, 9–12;
  5. Элементы: «Нобелевская премия по физиологии и медицине — 2007»;
  6. Нобелевскую премию по физиологии или медицине вручили за технологию нокаутирования мышей;
  7. Щадящие стволовые клетки;
  8. Эндометрий как альтернативный источник стволовых клеток;
  9. Глаголев С.М. (2011). Биология развития — «невезучая» наука. «Биология в школе». 6, 3–15;
  10. Alberts B. et al. Molecular biology of the cell (5th edition). 2008. — 1421 p.;
  11. Элементы: «Год перепрограммированных клеток»;
  12. Была клетка простая, стала стволовая;
  13. Ryan J. Ward, Peter B. Dirks. (2007). Cancer Stem Cells: At the Headwaters of Tumor Development. Annu. Rev. Pathol. Mech. Dis.. 2, 175-189;
  14. Kirill V. Mikhailov, Anastasiya V. Konstantinova, Mikhail A. Nikitin, Peter V. Troshin, Leonid Yu. Rusin, et. al.. (2009). The origin of Metazoa: a transition from temporal to spatial cell differentiation. BioEssays. 31, 758-768;
  15. «За экстракорпоральное оплодотворение» — это не тост, а Нобелевская премия!;
  16. Paolo Rama, Stanislav Matuska, Giorgio Paganoni, Alessandra Spinelli, Michele De Luca, Graziella Pellegrini. (2010). Limbal Stem-Cell Therapy and Long-Term Corneal Regeneration. N Engl J Med. 363, 147-155;
  17. Тканевая инженерия — окно в современную медицину;
  18. Глаголев С.М. (2011). Стволовые клетки. «Биология в школе». 7, 3–13.

Комментарии