Введение

Многопотентные стволовые клетки в организме взрослого человека

Взрослые стволовые клетки – это недифференцированные клетки, обнаруживаемые во всем организме после развития, которые размножаются путем деления клеток для восполнения запаса погибающих клеток и регенерации поврежденных тканей. Также известные как соматические стволовые клетки (от греческого σωματικóς, означающего «тело»), они встречаются у молодых, взрослых животных и людей, в отличие от эмбриональных стволовых клеток. Научный интерес к взрослым стволовым клеткам сосредоточен вокруг двух основных характеристик. Первая – это их способность к неограниченному делению или самообновлению, а вторая – способность генерировать все типы клеток органа, из которого они происходят, потенциально регенерируя весь орган из небольшого количества клеток. В отличие от эмбриональных стволовых клеток, использование взрослых стволовых клеток человека в исследованиях и терапии не вызывает этических споров, поскольку они получают из образцов тканей взрослого организма, а не из человеческих эмбрионов, предназначенных для научных исследований. Основные функции взрослых стволовых клеток заключаются в замене клеток, находящихся под угрозой гибели в результате болезни или травмы, и поддержании гомеостаза в тканях. Существует три основных метода определения способности взрослой стволовой клетки к специализации. Мультипотентность, или мультидифференциальный потенциал, – это способность генерировать потомство нескольких различных типов клеток (например, глиальных клеток и нейронов), в отличие от унипотентности, которая обозначает способность клеток производить только один тип клеток. Однако некоторые исследователи не считают мультипотентность обязательной и полагают, что могут существовать унипотентные самообновляющиеся стволовые клетки. Эти свойства можно относительно легко продемонстрировать in vitro, используя такие методы, как клоногенные тесты, в которых характеризуется потомство одной клетки. Однако известно, что условия культивирования клеток in vitro могут изменять их поведение, поэтому подтверждение наличия свойств стволовых клеток у определенной субпопуляции клеток in vivo является сложной задачей, и поэтому существуют значительные дебаты относительно того, действительно ли некоторые предполагаемые популяции стволовых клеток у взрослых являются стволовыми клетками.

Клеточное деление

Для обеспечения самообновления стволовые клетки подвергаются двум типам клеточного деления (см. диаграмму «Деление и дифференцировка стволовых клеток»). Симметричное деление приводит к образованию двух идентичных дочерних стволовых клеток, а асимметричное деление – одной стволовой клетки и одной прогениторной клетки с ограниченным потенциалом к самообновлению. Прогениторные клетки могут пройти несколько раундов клеточного деления, прежде чем окончательно дифференцироваться в зрелую клетку. Считается, что молекулярное различие между симметричным и асимметричным делениями заключается в различной сегрегации белков клеточной мембраны (таких как рецепторы) и ассоциированных с ними белков между дочерними клетками. В нормальных условиях стволовые клетки тканей делятся медленно и нечасто, проявляя признаки покоя или обратимой остановки роста. Ниша, в которой находится стволовая клетка, играет важную роль в поддержании состояния покоя. Способность регулировать клеточный цикл в ответ на внешние сигналы помогает предотвратить истощение стволовых клеток или постепенную их потерю вследствие нарушения баланса между спящим и активным состояниями. Редкое деление клеток также способствует снижению риска приобретения мутаций ДНК, которые могут передаваться дочерним клеткам.

Пластичность

В последние годы полученные данные свидетельствуют о том, что взрослые стволовые клетки могут обладать способностью дифференцироваться в типы клеток, происходящие из разных зародышевых листков. Например, нейронные стволовые клетки мозга, происходящие из эктодермы, могут дифференцироваться в эктодерму, мезодерму и эндодерму. Стволовые клетки костного мозга, происходящие из мезодермы, могут дифференцироваться в печень, легкие, желудочно-кишечный тракт и кожу, происходящие из эндодермы и мезодермы. Это явление называется трансдифференцировкой стволовых клеток или пластичностью. Оно может быть индуцировано путем изменения среды культивирования стволовых клеток in vitro или трансплантацией их в орган, отличный от того, из которого они были первоначально выделены. В настоящее время среди биологов нет единого мнения относительно распространенности и физиологической и терапевтической значимости пластичности стволовых клеток. Более поздние исследования предполагают, что плюрипотентные стволовые клетки могут находиться в крови и взрослых тканях в латентном состоянии. Эти клетки называют "стамоцелами, подобными бластомерам" (BLSC) и "очень малыми, эмбриональными" (VSEL) стволовыми клетками, и они демонстрируют плюрипотентность in vitro. Совместное выделение BLSC и VSEL клеток с другими популяциями взрослых стволовых клеток может объяснять кажущуюся плюрипотентность популяций взрослых стволовых клеток. Однако недавние исследования показали, что как человеческие, так и мышиные VSEL клетки не обладают свойствами стволовых клеток и не являются плюрипотентными.

Старение

С возрастом функция стволовых клеток ухудшается, что способствует прогрессирующему снижению способности тканей к самовосстановлению и регенерации. Вероятной важной причиной возрастающей дисфункции стволовых клеток является накопление повреждений ДНК с возрастом как в самих стволовых клетках, так и в клетках их микроокружения. Это открывает перспективы для существенного замедления старения человека. Такие клетки относятся к различным классам индуцированных стволовых клеток.

Гематопоэтические стволовые клетки

Гематопоэтические стволовые клетки (ГСК) — это стволовые клетки, способные дифференцироваться во все типы клеток крови. Этот процесс называется гематопоэзом. Гематопоэтические стволовые клетки находятся в костном мозге и крови пуповины. У взрослых ГСК обычно находятся в состоянии покоя, что обусловлено их природой.

Стволовые клетки молочной железы

Млечные стволовые клетки служат источником клеток для роста молочной железы в период полового созревания и беременности и играют важную роль в канцерогенезе молочной железы. Млечные стволовые клетки были выделены из тканей человека и мыши, а также из клеточных линий, полученных из молочной железы. Отдельные такие клетки способны давать начало как луминальным, так и миоэпителиальным типам клеток железы и, как было показано, обладают способностью регенерировать весь орган у мышей. Кишечные стволовые клетки располагаются вблизи основания ниши стволовых клеток, называемой криптами Либеркюна. Кишечные стволовые клетки, вероятно, являются источником большинства раковых опухолей тонкой и толстой кишки.

Мезенхимальные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) имеют стромальное происхождение и могут дифференцироваться в различные типы тканей. МСК были выделены из плаценты, жировой ткани, легких, костного мозга и крови, желе Уортона из пуповины. Благодаря способности к дифференцировке, обеспечению трофической поддержки и модуляции врожденного иммунного ответа, МСК представляют интерес для клинической терапии. Эти клетки дифференцируются в различные типы клеток, такие как остеобласты, хондробласты, адипоциты, нейроэктодермальные клетки и гепатоциты. МСК также секретируют биоактивные медиаторы, способствующие локальному росту клеток. Наблюдается также противовоспалительное воздействие на местную микросреду, которое способствует заживлению тканей. Воспалительный ответ может быть модулирован регенеративными клетками, полученными из жировой ткани (ADRC), включая мезенхимальные стволовые клетки и регуляторные Т-лимфоциты. Таким образом, МСК изменяют исход иммунного ответа, изменяя секрецию цитокинов различными субпопуляциями дендритных и Т-клеток. Это приводит к сдвигу от провоспалительной среды к противовоспалительной или толерантной клеточной среде.

Эндотелиальные стволовые клетки

Эндотелиальные стволовые клетки – один из трех типов мультипотентных стволовых клеток, обнаруженных в костном мозге. Это редкая и дискуссионная группа клеток, обладающая способностью дифференцироваться в эндотелиальные клетки, выстилающие как кровеносные, так и лимфатические сосуды. Эндотелиальные стволовые клетки играют важную роль в сосудистой сети и даже влияют на перемещение лейкоцитов.

Нейронные стволовые клетки

Существование стволовых клеток в мозге взрослого организма было предположено после открытия того, что процесс нейрогенеза, рождение новых нейронов, продолжается и во взрослом возрасте у крыс. О наличии стволовых клеток в мозге зрелых приматов впервые сообщили в 1967 году. С тех пор было показано, что новые нейроны образуются у взрослых мышей, певчих птиц и приматов, включая человека. В норме нейрогенез взрослых ограничен двумя областями мозга – субвентрикулярной зоной, выстилающей боковые желудочки, и зубчатой извилиной гиппокампа. Хотя генерация новых нейронов в гиппокампе хорошо установлена, наличие там истинно самообновляющихся стволовых клеток остаётся предметом дискуссий. При определенных обстоятельствах, таких как повреждение тканей при ишемии, нейрогенез может быть индуцирован и в других областях мозга, включая неокортекс. Нейронные стволовые клетки обычно культивируют in vitro в виде так называемых нейросфер – плавающих гетерогенных агрегатов клеток, содержащих значительную долю стволовых клеток. Они могут пролиферировать в течение длительного времени и дифференцироваться как в нейроны, так и в глиальные клетки, и поэтому проявляют свойства стволовых клеток. Однако некоторые недавние исследования предполагают, что такое поведение индуцируется условиями культивирования в прогениторных клетках – потомках деления стволовых клеток, которые в норме проходят строго ограниченное количество циклов репликации in vivo. Более того, клетки, полученные из нейросфер, не проявляют свойств стволовых клеток при трансплантации обратно в мозг. Нейронные стволовые клетки обладают многими общими характеристиками с гематопоэтическими стволовыми клетками (ГСК). Примечательно, что при введении в кровь клетки, полученные из нейросфер, дифференцируются в различные типы клеток иммунной системы.

Ольфаторные взрослые стволовые клетки

Взрослые обонятельные стволовые клетки были успешно получены из клеток обонятельной слизистой оболочки человека, расположенных в выстилке носа и участвующих в восприятии запахов. При создании подходящей химической среды эти клетки обладают такой же способностью, как и эмбриональные стволовые клетки, к развитию в различные типы клеток. Обонятельные стволовые клетки обладают потенциалом для терапевтического применения и, в отличие от нейральных стволовых клеток, могут быть легко получены без ущерба для пациента. Это означает, что их можно легко получить у любого человека, включая пожилых пациентов, которым терапия стволовыми клетками может быть наиболее необходима.

Стволовые клетки нервной коры

Волосяные фолликулы содержат два типа стволовых клеток, один из которых, по-видимому, является остатком стволовых клеток эмбрионального нервного гребня. Подобные клетки были обнаружены в желудочно-кишечном тракте, седалищном нерве, выносящем тракте сердца, спинальных и симпатических ганглиях. Эти клетки способны генерировать нейроны, клетки Швана, миофибробласты, хондроциты и меланоциты.

Яичниковые клетки

Многопотентные стволовые клетки, эквивалентные эмбриональным стволовым клеткам, по заявлениям исследователей, были получены из сперматогониальных предшественников, обнаруженных в яичках лабораторных мышей, учеными из Германии и США. Год спустя исследователи из Германии и Великобритании подтвердили возможность получения аналогичных клеток из яичек человека. Полученные стволовые клетки известны как стволовые клетки зародышевой линии взрослого человека (ГСК). Многопотентные стволовые клетки также были получены из зародышевых клеток, найденных в яичках человека.

Клиническое значение

Лечение взрослыми стволовыми клетками успешно применяется на протяжении многих лет для лечения лейкемии и связанных с ней раковых заболеваний костей и крови с использованием трансплантации костного мозга. Использование взрослых стволовых клеток в исследованиях и терапии считается менее спорным, чем использование эмбриональных стволовых клеток, поскольку для получения взрослых стволовых клеток не требуется разрушение эмбриона. Первые регенеративные применения взрослых стволовых клеток были сосредоточены на внутривенном введении прогениторов крови, известных как гематопоэтические стволовые клетки (ГСК). Гематопоэтические стволовые клетки CD34+ клинически применяются для лечения различных заболеваний, включая травмы спинного мозга, цирроз печени и заболевания периферических сосудов. Исследования показали, что у мужчин, пострадавших от травм спинного мозга, гематопоэтические стволовые клетки CD34+ встречаются в относительно большем количестве, чем у женщин репродуктивного возраста. Другие ранние коммерческие разработки были сосредоточены на мезенхимальных стволовых клетках (МСК). Для обеих клеточных линий предпочтительным методом лечения может быть прямое введение или размещение клеток в области, нуждающейся в восстановлении, поскольку при сосудистой доставке наблюдается "эффект первого прохождения через легкие", когда внутривенно введенные клетки задерживаются в легких. Опубликованы клинические примеры применения в ортопедии. Wakitani опубликовал небольшую серию из девяти дефектов в пяти коленных суставах, включающую хирургическую трансплантацию мезенхимальных стволовых клеток с покрытием обработанных хондральных дефектов. Centeno и соавторы сообщили о данных МРТ высокого разрешения, свидетельствующих об увеличении объема хряща и мениска у отдельных пациентов, прошедших клиническое лечение, а также о крупном исследовании безопасности (n=227). Многие другие методы лечения на основе стволовых клеток практикуются за пределами США, и вокруг них возникает много споров, поскольку некоторые считают необходимым усилить регулирование, так как клиники склонны преувеличивать заявления об успехе и преуменьшать или скрывать риски.

Лечение

Терапевтический потенциал взрослых стволовых клеток является предметом многочисленных научных исследований благодаря их способности быть полученными из организма-донора, в частности, у женщин во время родов. Подобно эмбриональным стволовым клеткам, взрослые стволовые клетки могут дифференцироваться в более чем один тип клеток, но, в отличие от последних, они часто ограничены определенными типами или "линиями". Способность дифференцированной стволовой клетки одной линии давать клетки другой линии называется трансдифференцировкой. Некоторые типы взрослых стволовых клеток обладают большей способностью к трансдифференцировке, чем другие, однако для многих не существует доказательств возможности такой трансформации. Следовательно, для терапии с использованием взрослых стволовых клеток требуется источник стволовых клеток конкретной необходимой линии, а их получение и/или культивирование в требуемом количестве представляет собой сложную задачу. Кроме того, сигналы из микроокружения (включая жесткость или пористость окружающей структуры/внеклеточного матрикса) могут изменять или усиливать судьбу и дифференцировку стволовых клеток.

Рак

В последние годы возросла признанность концепции взрослых стволовых клеток. В настоящее время существует гипотеза о том, что стволовые клетки находятся во многих взрослых тканях, и что эти уникальные резервуары клеток не только обеспечивают нормальные репаративные и регенеративные процессы, но и рассматриваются как основная мишень для генетических и эпигенетических изменений, приводящих ко многим патологическим состояниям, включая рак. (Подробнее о раковых стволовых клетках – в соответствующей статье.)

Мультирезистентность

Взрослые стволовые клетки экспрессируют транспортеры семейства АТФ-связывающих кассет, которые активно выкачивают из клетки широкий спектр органических молекул. Многие фармацевтические препараты экспортируются этими транспортерами, что обуславливает развитие лекарственной устойчивости в клетках. Это затрудняет разработку лекарственных средств, в частности, таргетной терапии на основе нейронных стволовых клеток для лечения клинической депрессии.

Модель органов легких: заболевание легких при COVID-19

Вирус, вызывающий COVID-19, SARS CoV-2, вызывает обширное повреждение легких при чрезмерно активном иммунном ответе. Взрослые стволовые клетки были получены из глубоких биопсий легких и использованы для создания полной модели легких, включающей эпителий как проксимальных, так и дистальных дыхательных путей. После выращивания в 3D-культурах органоиды были разделены на отдельные клетки для формирования 2D-монослоев. Эти модели легких использовались для изучения повреждений, которые SARS CoV-2 наносит при воздействии на апикальную сторону трансвелла.

Лечение инсульта

Благодаря многопотентности, способности высвобождать факторы роста и иммуномодулирующим возможностям, терапия на основе стволовых клеток стала эффективным инструментом для лечения как острой, так и поздней фаз инсульта. Индуцируя нейрогенез, ангиогенез и синаптогенез, а также активируя эндогенные процессы восстановления посредством выработки цитокинов и трофических факторов, трансдифференцировка может приводить к формированию клеток нейронного происхождения.