Стволовые клетки (часть 1)

November 29, 2009 – 7:35 pm

Истории, связанные с изучением стволовых клеток, поистине фантастичны. К ним относятся сообщения о животных с повреждениями спинного мозга, которые смогли снова ходить, исцелении поврежденных органов, вылечивании больных диабетом и успешном лечении экспериментальных животных, больных паркинсонизмом. Использование стволовых клеток действительно многообещающе и, более того, может привести к революции в медицине и изменить наше восприятие жизни и смерти. Конечно, терапия с применением стволовых клеток в состоянии перевернуть наш взгляд на ограничения, которыми природа наделила человеческое тело.

Изучение стволовых клеток привлекает внимание общественности не только из-за огромного значения для здоровья человека, но и из-за целого ряда этических проблем. В этой главе мы обсудим современное состояние изучения данной проблемы, чтобы лучше понять изменения, к которым оно может привести в будущем.

Соматические, половые, стволовые клетки, взрослые и эмбриональные стволовые клетки

Перед тем как мы начнем обсуждение стволовых клеток, необходимо остановиться на некоторых основных типах клеток многоклеточного организма. Согласно представлениям классической биологии клетки подразделяются на соматические и половые. Соматические клетки, из которых состоят ткани нашего организма, содержат две копии каждой хромосомы и называются диплоидными, то есть содержат двойной набор хромосом. К половым клеткам относятся яйцеклетки и сперматозоиды (спермин). В них присутствует только одна копия каждой хромосомы, то есть такие клетки являются гаплоидными. В результате слияния половых клеток в процессе оплодотворения восстанавливается двойной набор хромосом, и клетки становятся диплоидными. Соматические клетки обычно высокодифференцированны. Дифференцированные клетки высокоспециализированны и полностью развиты. Они играют определенную роль в процессе жизнедеятельности. Строение этих клеток и проходящие внутри них химические процессы полностью подчинены выполняемой ими функции. Например, мышечные клетки имеют определенное строение, содержат специальные филаменты, которые позволяют им сокращаться. Эти клетки не могут быть заменены никаким другим типом клеток. Недифференцированные клетки более примитивны и не выполняют сложных функций.

Сравнительно недавно исследователи обнаружили, что недифференцированные клетки в органах располагаются среди дифференцированных соматических клеток. Недифференцированные клетки сохраняют способность к специализации. Такие клетки называются стволовыми. Стволовые клетки способны делиться неограниченное число раз. Они также сохраняют способность дифференцироваться в специализированные клетки. Однако стволовые клетки, найденные в данном конкретном органе тела, по-видимому, способны дифференцироваться в клетки только этого органа.

Впервые такие клетки были обнаружены в костном мозге. Их выделили и использовали в терапевтических целях. Стволовые клетки могут стать моноцитами, лимфоцитами, нейтрофилами, базофилами и эритроцитами. Они образуют клетки крови. Клетки, которые дают начало клеткам крови, называются гематопоэтическими клетками. Итак, стволовые клетки, найденные в костном мозге, называются гематопоэтическими стволовыми клетками. При пересадке костного мозга пациенты получают стволовые клетки, которые находятся в трансплантанте и посредством которых восполняется популяция различных типов клеток крови.

Стволовые клетки были также выделены из плодной ткани и умбиликальной крови. Стволовые клетки, находящиеся в тканях, рассматриваются как взрослые (соматические) стволовые клетки, просто потому что они не ведут свое происхождение от развивающегося эмбриона; стволовые клетки, происходящие от эмбрионов, называются эмбриональными стволовыми клетками. Плодные и умбиликальные стволовые клетки экспериментально использовались для лечения некоторых заболеваний. Их применение, по-видимому, может быть более многосторонним, чем в случае взрослых стволовых клеток, так как вероятность возникновения иммунного ответа в первом случае ниже.

Эмбриональные стволовые клетки образуются из оплодотворенных яйцеклеток. Как и взрослые стволовые клетки, эмбриональные стволовые клетки диплоидны. Они имеют полный комплект ДНК. В результате оплодотворения яйцеклетки формируется зигота. Эмбриональные стволовые клетки образуются достаточно рано в жизни зиготы и сохраняют способность давать начало любому типу клеток, необходимых организму. Это происходит вскоре после оплодотворения. В то время как зигота передвигается по фаллопиевой трубе матери и имплантируется в матку, клетки зиготы, все еще имеющие шарообразную форму, уже выбирают свою судьбу и больше не являются эмбриональными стволовыми клетками.

Первичной стволовой клеткой является оплодотворенная яйцеклетка — она может дать начало целому организму и отсюда называется тотипотентной. Эмбриональные стволовые клетки, полученные на ранних стадиях развития, могут дать начало любому типу клеток тела, но их нельзя индуцировать для развития целостного организма, по крайней мере с помощью существующих в настоящее время технологий. Поэтому они называются мультипотептпыми. Повзрослев, мы тоже имеем стволовые клетки. Однако они более специализированны, чем эмбриональные стволовые клетки, из которых произошли. Например, гематопоэтические стволовые клетки могут стать любой клеткой костного мозга. Кроме того, уже было показано, что они могут дать начало клеткам печени и почек. Эти клетки плюрипотентпы. Плюрипотентные стволовые клетки были выделены из мозга, мышц, кожи, желудочно-кишечного тракта, роговицы глаза, сетчатки глаза, печени и поджелудочной железы. По-видимому, существование таких клеток обеспечивает способность органов к частичному самовосстановлению.

Эмбриональные стволовые клетки

Взрослые стволовые клетки

Взрослые стволовые клетки получают из тканей взрослого организма, пуповины и даже из плодных тканей. Необходимо заметить, что все эти клетки рассматриваются в качестве взрослых стволовых клеток, хотя источником их получения необязательно служат ткани взрослого организма. Стволовые клетки, подобно всем клеткам организма, содержат генетические инструкции, предназначенные для осуществления всех клеточных функций. Теоретически недифференцированная клетка может дать начало любому из 200 типов клеток тела человека. В настоящее время еще не до конца понятно, какие факторы направляют стволовые клетки по тому или иному пути дифференциации при их созревании.

Пока взрослые стволовые клетки еще не начали дифференцироваться, есть вероятность направить их по тому или иному пути дифференцировки, какие бы механизмы ни контролировали созревание клетки. Например, мы бы хотели взять клетки костного мозга и направить их по пути дифференциации клеток сердца. Результаты лабораторных экспериментов свидетельствуют о том, что взрослые стволовые клетки обладают способностью давать начало более широкому ряду клеток, чем думали раньше. Гематопоэтические стволовые клетки были введены мышам, у которых благодаря воздействию высоких доз радиации наблюдалось характерное повреждение тканей. Сообщалось, что гематопоэтические стволовые клетки мигрировали не в костный мозг, а в другие ткани, что приводило к восстановлению поврежденных тканей легких, печени и почек. Однако эти исследования носят лишь предварительный характер. Кроме того, клетки мыши могут сильно отличаться от клеток человека. Например, есть данные, что число активных генов в стволовых клетках мыши значительно меньше, чем у человека.

В настоящее время взрослые стволовые клетки являются единственным типом стволовых клеток, которые используются для лечения заболеваний человека. Однако их применение в достаточной мере ограничено. Эмбриональные стволовые клетки не используются в подобных целях. Пересадка стволовых клеток костного мозга задействуется для лечения рака крови и гемофилии. Стволовые клетки играют важную роль при пересадке кожи методами пластической хирургии, особенно при ожогах. Участок кожи пострадавшего удаляется и сохраняется в культуре, где стволовые клетки образуют кожу, в результате чего его размер увеличивается. Образующийся в результате трансплантант называется аутологическим, так как происходит из ткани пострадавшего.

Во время клинических испытаний стволовые клетки костного мозга были пересажены пациентам с заболеваниями сердца. Сообщения клиницистов свидетельствует об умеренном восстановлении поврежденных тканей сердца. Однако данные о том, что стволовые клетки участвовали в этом восстановлении, отсутствуют. Стволовые клетки могут секретировать факторы роста и участвовать в образовании новых кровеносных сосудов. Стволовые клетки из жировой и костной ткани используются для восстановления хряща у лошадей. В настоящее время проводятся исследования о возможности применения стволовых клеток для восстановительной терапии при заболеваниях молочной железы.

В клинических испытаниях было показано, что стволовые клетки умбиликальной крови могут использоваться в качестве источника гематопоэтических стволовых клеток. Эти клетки с меньшей вероятностью вызывают иммунный ответ у пациентов, чем гематопоэтические стволовые клетки, полученные от взрослого организма.

Сходным образом стволовые клетки из плодных тканей использовались в клинических испытаниях для лечения болезни Паркенсона и диабета. Испытания проходили с переменным успехом. Безусловно, применение взрослых стволовых клеток будет более успешным, когда мы больше узнаем о феномене клеточной дифференцировки.

У нас есть надежда, что взрослые стволовые клетки могут быть использованы для восстановления поврежденных органов. Теоретически из стволовых клеток можно получить целые органы, которые впоследствии будут использоваться для замены поврежденных органов. В этой терапии имеется, однако, несколько технических препятствий. Во-первых, таких клеток очень немного, и их сложно изолировать. Представьте себе, что вы все же обнаружили такие клетки, выделили их и обеспечили им возможность размножаться в лабораторных условиях. Однако даже в этом случае остается еще одно обескураживающее препятствие — эти клетки чрезвычайно тяжело выращивать в культуре. Поэтому в настоящее время не представляется возможным выделить их и заставить их размножаться.

Взрослые стволовые клетки, показанные на рис. 9.2, имеют другие сложности в терапевтическом применении. Например, если стволовые клетки печени взяты у пациента с заболеванием печени и затем снова введены для лечения этого заболевания, может проявиться тот же самый генетический дефект, который наблюдался вначале. Если использовать взрослые стволовые клетки другого человека (донора), вероятно их отторжение иммунной системой реципиента. Так как эти клетки находятся в организме столь же долго, сколь долго живет сам организм, часто в стволовых клетках пожилых индивидуумов происходят нарушения в ДНК благодаря накоплению токсинов. Кроме того, к сожалению, исследователи сообщают, что жизнеспособность стволовых клеток уменьшается с увеличением возраста донора или пациента.