Стволовые клетки: типы, свойства и применение.

Введение

Недифференцированные биологические клетки, способные дифференцироваться в специализированные клетки данного типа.

В многоклеточных организмах стволовые клетки представляют собой недифференцированные или частично дифференцированные клетки, которые могут превращаться в различные типы клеток и неограниченно пролиферировать, производя больше таких же стволовых клеток. Они являются самым ранним типом клеток в клеточном роде. Они встречаются как в эмбриональных, так и во взрослом организмах, но их свойства несколько различаются. Обычно их отличают от клеток-предшественников, которые не могут делиться неограниченно, и клеток-прекурсоров или бластов, которые, как правило, определены для дифференцировки в один тип клеток. У млекопитающих внутренняя клеточная масса во время стадии бластоцисты эмбрионального развития, примерно в 5–14 дней, состоит примерно из 50–150 клеток. Они обладают способностью к стволовым клеткам. In vivo они в конечном итоге дифференцируются во все типы клеток организма (что делает их плюрипотентными). Этот процесс начинается с дифференцировки на три зародышевых листка – эктодерму, мезодерму и эндодерму – на стадии гаструляции. Однако при изоляции и культивировании in vitro их можно поддерживать на стадии стволовых клеток, и они известны как эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Взрослые стволовые клетки находятся в нескольких специализированных местах в организме, известных как ниши, например, в костном мозге или гонадах. Они существуют для восполнения быстро теряемых типов клеток и являются мультипотентными или унипотентными, то есть они дифференцируются только в несколько типов клеток или один тип клеток. У млекопитающих они включают, среди прочего, гематопоэтические стволовые клетки, которые восполняют кровь и иммунные клетки, базальные клетки, которые поддерживают эпителий кожи, и мезенхимальные стволовые клетки, которые поддерживают кости, хрящи, мышцы и жировые клетки. Взрослые стволовые клетки составляют небольшую часть клеток; их значительно превосходят по численности клетки-предшественники и терминально дифференцированные клетки, в которые они дифференцируются. По состоянию на 2016 год единственной установленной медицинской терапией с использованием стволовых клеток является трансплантация гематопоэтических стволовых клеток, впервые выполненная в 1958 году французским онкологом Жоржем Мате. Однако с 1998 года стало возможным культивировать и дифференцировать эмбриональные стволовые клетки человека (в клеточных линиях). Процесс выделения этих клеток вызывает споры, поскольку обычно приводит к разрушению эмбриона. Источники для выделения ЭСК ограничены в некоторых европейских странах и Канаде, но другие, такие как Великобритания и Китай, поддерживают исследования. Перенос ядра соматической клетки – это метод клонирования, который можно использовать для создания клонированного эмбриона для использования его эмбриональных стволовых клеток в терапии стволовыми клетками. В 2006 году японская группа под руководством Синьи Яманаки обнаружила метод превращения зрелых клеток тела обратно в стволовые клетки. Они были названы индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPSC). Пионерские работы в теории кроветворных стволовых клеток были проведены в начале 20 века Артуром Паппенгеймом, Александром Максимовым и Францем Эрнстом Кристианом Нойманом. Первой терапией с использованием стволовых клеток была пересадка костного мозга, выполненная французским онкологом Жоржем Мате в 1958 году пяти работникам Института ядерных исследований Винча в Югославии, пострадавшим в результате критической аварии. Все работники выжили. В 1981 году эмбриональные стволовые клетки (ЭС) были впервые изолированы и успешно культивированы с использованием мышиных бластоцист британскими биологами Мартином Эвансом и Мэтью Кауфманом. Это позволило создать генетические модели мышей, систему, в которой гены мышей удаляются или изменяются для изучения их функции в патологии. К 1998 году американский биолог Джеймс Томсон впервые выделил эмбриональные стволовые клетки человека, что сделало возможными новые методы трансплантации или различные типы клеток для тестирования новых методов лечения. В 2006 году группа Синьи Яманаки в Киото, Япония, преобразовала фибробласты в плюрипотентные стволовые клетки, модифицировав экспрессию всего четырех генов. Этот подвиг знаменует собой происхождение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, известных как iPS-клетки. В 2011 году самка мануловой, сбитая грузовиком, прошла лечение стволовыми клетками в Зоопарке Бразилиа, что стало первым задокументированным случаем использования стволовых клеток для лечения травм у дикого животного.

In multicellular organisms, stem cells are undifferentiated or partially differentiated cells that can change into various types of cells and proliferate indefinitely to produce more of the same stem cell. They are the earliest type of cell in a cell lineage. They are found in both embryonic and adult organisms, but they have slightly different properties in each. They are usually distinguished from progenitor cells, which cannot divide indefinitely, and precursor or blast cells, which are usually committed to differentiating into one cell type. In mammals, roughly 50 to 150 cells make up the inner cell mass during the blastocyst stage of embryonic development, around days 5–14. These have stem cell capability. In vivo, they eventually differentiate into all of the body's cell types (making them pluripotent). This process starts with the differentiation into the three germ layers – the ectoderm, mesoderm and endoderm – at the gastrulation stage. However, when they are isolated and cultured in vitro, they can be kept in the stem cell stage and are known as embryonic stem cells (ESCs). Adult stem cells are found in a few select locations in the body, known as niches, such as those in the bone marrow or gonads. They exist to replenish rapidly lost cell types and are multipotent or unipotent, meaning they only differentiate into a few cell types or one type of cell. In mammals, they include, among others, hematopoietic stem cells, which replenish blood and immune cells, basal cells, which maintain the skin epithelium, and mesenchymal stem cells, which maintain bone, cartilage, muscle and fat cells. Adult stem cells are a small minority of cells; they are vastly outnumbered by the progenitor cells and terminally differentiated cells that they differentiate into. as of 2016, the only established medical therapy using stem cells is hematopoietic stem cell transplantation, first performed in 1958 by French oncologist Georges Mathé. Since 1998 however, it has been possible to culture and differentiate human embryonic stem cells (in stem cell lines). The process of isolating these cells has been controversial, because it typically results in the destruction of the embryo. Sources for isolating ESCs have been restricted in some European countries and Canada, but others such as the UK and China have promoted the research. Somatic cell nuclear transfer is a cloning method that can be used to create a cloned embryo for the use of its embryonic stem cells in stem cell therapy. In 2006, a Japanese team led by Shinya Yamanaka discovered a method to convert mature body cells back into stem cells. These were termed induced pluripotent stem cells (iPSCs). Pioneering works in theory of blood stem cell were conducted in the beginning of 20th century by Artur Pappenheim, Alexander Maximow, Franz Ernst Christian Neumann. The first therapy using stem cells was a bone marrow transplant performed by French oncologist Georges Mathé in 1958 on five workers at the Vinča Nuclear Institute in Yugoslavia who had been affected by a criticality accident. The workers all survived. In 1981, embryonic stem (ES) cells were first isolated and successfully cultured using mouse blastocysts by British biologists Martin Evans and Matthew Kaufman. This allowed the formation of murine genetic models, a system in which the genes of mice are deleted or altered in order to study their function in pathology. By 1998, human embryonic stem cells were first isolated by American biologist James Thomson, which made it possible to have new transplantation methods or various cell types for testing new treatments. In 2006, Shinya Yamanaka's team in Kyoto, Japan converted fibroblasts into pluripotent stem cells by modifying the expression of only four genes. The feat represents the origin of induced pluripotent stem cells, known as iPS cells. In 2011, a female maned wolf, run over by a truck, underwent stem cell treatment at the Zoo Brasília, this being the first recorded case of the use of stem cells to heal injuries in a wild animal.

Эмбриональный

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) – это клетки внутренней клеточной массы бластоцисты, сформированные до имплантации в матку. В эмбриональном развитии человека стадия бластоцисты достигается через 4–5 дней после оплодотворения, к этому времени она состоит из 50–150 клеток. ЭСК являются плюрипотентными и в процессе развития дают начало всем производным трех зародышевых листков: эктодермы, эндодермы и мезодермы. Другими словами, они могут развиться в каждый из более чем 200 типов клеток взрослого организма при получении достаточной и необходимой стимуляции для конкретного типа клеток. Они не участвуют в формировании внеэмбриональных мембран или плаценты. Во время эмбрионального развития клетки внутренней клеточной массы непрерывно делятся и становятся более специализированными. Например, часть эктодермы в дорсальной части эмбриона специализируется в «нейроэктодерму», которая станет будущей центральной нервной системой. Позднее в процессе развития нейруляция приводит к формированию из нейроэктодермы нервной трубки. На стадии нервной трубки передняя часть подвергается энцефализации для формирования или «задания» основной формы мозга. На этой стадии развития основным типом клеток ЦНС считается нервная стволовая клетка. Нервные стволовые клетки способны к самообновлению и в определенный момент переходят в радиальные глиальные прогениторные клетки (РГК). Ранне сформированные РГК самообновляются путем симметричного деления, образуя резервный пул прогениторных клеток. Эти клетки переходят в нейрогенное состояние и начинают делиться асимметрично, производя большое разнообразие различных типов нейронов, каждый из которых обладает уникальной экспрессией генов, морфологическими и функциональными характеристиками. Процесс генерации нейронов из радиальных глиальных клеток называется нейрогенезом. Радиальная глиальная клетка имеет характерную биполярную морфологию с сильно удлиненными отростками, охватывающими толщину стенки нервной трубки. Она обладает некоторыми глиальными характеристиками, в частности, экспрессией глиального фибриллярного кислого белка (GFAP). Радиальная глиальная клетка является основной нервной стволовой клеткой развивающейся ЦНС позвоночных, и ее тело клетки располагается в желудочковой зоне, прилегающей к развивающейся желудочковой системе. Нервные стволовые клетки привержены к нейронным линиям (нейронам, астроцитам и олигодендроцитам), и, следовательно, их потенция ограничена. ЭСК человека выращиваются на кормовом слое эмбриональных фибробластов мыши и требуют присутствия основного фактора роста фибробластов (bFGF или FGF 2). Без оптимальных условий культивирования или генетических манипуляций эмбриональные стволовые клетки быстро дифференцируются. Эмбриональная стволовая клетка человека также определяется экспрессией нескольких факторов транскрипции и белков клеточной поверхности. Факторы транскрипции Oct 4, Nanog и Sox2 формируют основную регуляторную сеть, обеспечивающую подавление генов, приводящих к дифференцировке, и поддержание плюрипотентности. Наиболее часто используемыми антигенами клеточной поверхности для идентификации hES-клеток являются гликолипиды, специфичные для эмбриональной стадии антигены 3 и 4, а также антигены кератансульфата Tra 1-60 и Tra 1-81. Молекулярное определение стволовой клетки включает в себя гораздо больше белков и продолжает оставаться предметом исследований. Используя человеческие эмбриональные стволовые клетки для получения специализированных клеток, таких как нервные клетки или клетки сердца, в лаборатории, ученые получают доступ к взрослым человеческим клеткам, не изымая ткани у пациентов. Затем они могут детально изучить эти специализированные взрослые клетки, чтобы попытаться выявить осложнения заболеваний или изучить реакцию клеток на предлагаемые новые лекарства. Благодаря их сочетанию неограниченного расширения и плюрипотентности, эмбриональные стволовые клетки остаются теоретически потенциальным источником для регенеративной медицины и замены тканей после травмы или болезни, однако в настоящее время не существует одобренных методов лечения с использованием ЭСК. Первое клиническое испытание было одобрено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в январе 2009 года. Однако клиническое испытание началось только 13 октября 2010 года в Атланте в рамках исследования травм спинного мозга. 14 ноября 2011 года компания, проводившая испытание (Geron Corporation), объявила о прекращении дальнейшей разработки своих программ по стволовым клеткам. Дифференцировка ЭСК в пригодные для использования клетки и предотвращение отторжения трансплантата – это лишь некоторые из проблем, с которыми по-прежнему сталкиваются исследователи эмбриональных стволовых клеток. Эмбриональные стволовые клетки, будучи плюрипотентными, требуют специфических сигналов для правильной дифференцировки – при непосредственном введении в другой организм ЭСК дифференцируются во множество различных типов клеток, вызывая тератому. Этические соображения, касающиеся использования тканей человеческого эмбриона, являются еще одной причиной отсутствия одобренных методов лечения с использованием эмбриональных стволовых клеток. Многие страны в настоящее время ввели мораторий или ограничения на исследования с использованием человеческих ЭСК или на создание новых линий человеческих ЭСК.

Embryonic stem cells (ESCs) are the cells of the inner cell mass of a blastocyst, formed prior to implantation in the uterus. In human embryonic development the blastocyst stage is reached 4–5 days after fertilization, at which time it consists of 50–150 cells. ESCs are pluripotent and give rise during development to all derivatives of the three germ layers: ectoderm, endoderm and mesoderm. In other words, they can develop into each of the more than 200 cell types of the adult body when given sufficient and necessary stimulation for a specific cell type. They do not contribute to the extraembryonic membranes or to the placenta. During embryonic development the cells of the inner cell mass continuously divide and become more specialized. For example, a portion of the ectoderm in the dorsal part of the embryo specializes as 'neurectoderm', which will become the future central nervous system. Later in development, neurulation causes the neurectoderm to form the neural tube. At the neural tube stage, the anterior portion undergoes encephalization to generate or 'pattern' the basic form of the brain. At this stage of development, the principal cell type of the CNS is considered a neural stem cell. The neural stem cells self renew and at some point transition into radial glial progenitor cells (RGPs). Early formed RGPs self renew by symmetrical division to form a reservoir group of progenitor cells. These cells transition to a neurogenic state and start to divide asymmetrically to produce a large diversity of many different neuron types, each with unique gene expression, morphological, and functional characteristics. The process of generating neurons from radial glial cells is called neurogenesis. The radial glial cell, has a distinctive bipolar morphology with highly elongated processes spanning the thickness of the neural tube wall. It shares some glial characteristics, most notably the expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP). The radial glial cell is the primary neural stem cell of the developing vertebrate CNS, and its cell body resides in the ventricular zone, adjacent to the developing ventricular system. Neural stem cells are committed to the neuronal lineages (neurons, astrocytes, and oligodendrocytes), and thus their potency is restricted. Human ESCs are grown on a feeder layer of mouse embryonic fibroblasts and require the presence of basic fibroblast growth factor (bFGF or FGF 2). Without optimal culture conditions or genetic manipulation, embryonic stem cells will rapidly differentiate. A human embryonic stem cell is also defined by the expression of several transcription factors and cell surface proteins. The transcription factors Oct 4, Nanog, and Sox2 form the core regulatory network that ensures the suppression of genes that lead to differentiation and the maintenance of pluripotency. The cell surface antigens most commonly used to identify hES cells are the glycolipids stage specific embryonic antigen 3 and 4, and the keratan sulfate antigens Tra 1 60 and Tra 1 81. The molecular definition of a stem cell includes many more proteins and continues to be a topic of research. By using human embryonic stem cells to produce specialized cells like nerve cells or heart cells in the lab, scientists can gain access to adult human cells without taking tissue from patients. They can then study these specialized adult cells in detail to try to discern complications of diseases, or to study cell reactions to proposed new drugs. Because of their combined abilities of unlimited expansion and pluripotency, embryonic stem cells remain a theoretically potential source for regenerative medicine and tissue replacement after injury or disease., however, there are currently no approved treatments using ES cells. The first human trial was approved by the US Food and Drug Administration in January 2009. However, the human trial was not initiated until October 13, 2010 in Atlanta for spinal cord injury research. On November 14, 2011 the company conducting the trial (Geron Corporation) announced that it will discontinue further development of its stem cell programs. Differentiating ES cells into usable cells while avoiding transplant rejection are just a few of the hurdles that embryonic stem cell researchers still face. Embryonic stem cells, being pluripotent, require specific signals for correct differentiation – if injected directly into another body, ES cells will differentiate into many different types of cells, causing a teratoma. Ethical considerations regarding the use of unborn human tissue are another reason for the lack of approved treatments using embryonic stem cells. Many nations currently have moratoria or limitations on either human ES cell research or the production of new human ES cell lines.

Мезенхимальные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) или мезенхимальные стромальные клетки, также известные как лекарственные сигнальные клетки, являются мультипотентными и обнаруживаются во взрослых тканях, например, в мышцах, печени, костном мозге и жировой ткани. Обычно мезенхимальные стволовые клетки выполняют функцию структурной поддержки в различных органах, как указано выше, и регулируют транспорт веществ. МСК способны дифференцироваться в различные типы клеток, такие как адипоциты, остеоциты и хондроциты, происходящие из мезодермального слоя. Мезодерма способствует формированию скелетных элементов тела, включая хрящи и кости. Термин "мезо" означает "средний", происходящий от греческого, что указывает на способность мезенхимальных клеток перемещаться между эктодермальным и эндодермальным слоями в процессе раннего эмбрионального развития. Этот механизм важен для заполнения пространства и, следовательно, играет ключевую роль в заживлении ран у взрослых организмов, затрагивающих мезенхимальные клетки в дерме (коже), костях или мышцах. Мезенхимальные стволовые клетки признаны незаменимыми в регенеративной медицине и широко изучаются в клинических испытаниях. Благодаря простоте выделения, высокой продуктивности и пластичности, они способствуют уменьшению воспаления, стимулируют рост клеток, клеточную дифференцировку и восстановление тканей посредством иммуномодуляции и иммуносупрессии. МСК получают из костного мозга, что требует инвазивной процедуры для выделения необходимого количества и качества клеток, и зависит от возраста донора. При сравнении содержания МСК в аспиратах костного мозга и строме костного мозга, аспираты обычно содержат меньше МСК, чем строма. МСК характеризуются гетерогенностью и экспрессируют высокий уровень плюрипотентных маркеров по сравнению с другими типами стволовых клеток, такими как эмбриональные стволовые клетки.

Гематопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) подвержены повреждению ДНК и накоплению мутаций с возрастом. Эта подверженность может объяснять повышенный риск развития медленно прогрессирующих раковых заболеваний крови (миелоидных злокачественных новообразований) у пожилых людей.

Амниотическая

Эти многопотенциальные стволовые клетки, также называемые перинатальными стволовыми клетками, содержатся в амниотической жидкости и пуповинной крови. Эти стволовые клетки очень активны, способны к обширному размножению без поддерживающих клеток и не вызывают образование опухолей. Амниотические стволовые клетки являются многопотенциальными и могут дифференцироваться в клетки адипоцитарного, остеогенного, миогенного, эндотелиального, гепатоцитарного и нейронного типов. Амниотические стволовые клетки – предмет активных исследований. Использование стволовых клеток из амниотической жидкости позволяет избежать этических возражений, связанных с использованием человеческих эмбрионов в качестве источника клеток. Римско-католическая церковь запрещает использование эмбриональных стволовых клеток в экспериментах; соответственно, ватиканская газета "Оссерваторе Романо" назвала амниотические стволовые клетки "будущим медицины". Амниотические стволовые клетки можно собирать как для донорского использования, так и для аутологичного применения: первый банк амниотических стволовых клеток в США был открыт в 2009 году в Медфорде (штат Массачусетс) компанией Biocell Center Corporation и сотрудничает с различными больницами и университетами по всему миру.

Индуцированная плюрипотентность

Взрослые стволовые клетки имеют ограничения в своей потенции; в отличие от эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), они не способны дифференцироваться в клетки из всех трех зародышевых листков. В связи с этим они считаются мультипотентными. Однако перепрограммирование позволяет создавать плюрипотентные клетки – индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) – из взрослых клеток. Это не взрослые стволовые клетки, а соматические клетки (например, эпителиальные клетки), перепрограммированные для получения клеток с плюрипотентными свойствами. С помощью генетического перепрограммирования с использованием белковых факторов транскрипции были получены плюрипотентные стволовые клетки, обладающие свойствами, схожими с ЭСК. Первая демонстрация индуцированных плюрипотентных стволовых клеток была проведена Синья Яманака и его коллегами в Киотском университете. Они использовали факторы транскрипции Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4 для перепрограммирования клеток фибробластов мыши в плюрипотентные клетки. В последующих исследованиях эти факторы использовались для индуцирования плюрипотенции в клетках фибробластов человека. Юньин Ю, Джеймс Томсон и их коллеги из Университета Висконсин-Мэдисон использовали другой набор факторов – Oct4, Sox2, Nanog и Lin28 – и провели свои эксперименты, используя клетки крайней плоти человека. Однако им удалось воспроизвести результаты Яманаки, показавшие, что индуцирование плюрипотенции в клетках человека возможно. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки отличаются от эмбриональных стволовых клеток. Они обладают многими схожими свойствами, такими как плюрипотентность и потенциал дифференцировки, экспрессия генов плюрипотентности, эпигенетические паттерны, формирование эмбриоидных тел и тератом, а также способность к формированию жизнеспособных химер.

iPSC значительно продвинули область медицины, предоставив многочисленные способы лечения заболеваний. Человеческие iPSC дали возможность создавать in vitro модели для изучения токсинов и патогенеза. Кроме того, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки обладают рядом терапевтических преимуществ. Как и ЭСК, они плюрипотентны и, следовательно, обладают высоким потенциалом дифференцировки; теоретически они могут производить любую клетку в организме человека (если перепрограммирование в плюрипотентность было "полным"). Замороженные образцы крови могут служить ценным источником индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Пациент-специфичные стволовые клетки позволяют проводить скрининг на побочные эффекты перед началом лечения лекарственными препаратами, а также снижают риск отторжения трансплантата. Исходя из предположения, что более быстрый клеточный цикл является ключевым компонентом плюрипотенции, можно повысить эффективность перепрограммирования. Методы повышения плюрипотенции путем манипулирования регуляторами клеточного цикла включают: сверхэкспрессию циклинов D/Cdk4, фосфорилирование Sox2 в позициях S39 и S253, сверхэкспрессию циклинов A и E, подавление экспрессии Rb, а также подавление экспрессии членов семейств Cip/Kip или Ink.

Родословная

Анализ клеточного происхождения – важная процедура для изучения развивающихся эмбрионов. Поскольку клеточные линии демонстрируют взаимосвязь между клетками при каждом делении. Это помогает в анализе линий стволовых клеток, что позволяет оценить эффективность стволовых клеток, их продолжительность жизни и другие факторы. С помощью метода анализа клеточного происхождения мутантные гены можно изучать в клонах стволовых клеток, что может быть полезно для понимания генетических путей. Эти пути могут регулировать функционирование стволовых клеток. Для обеспечения самообновления стволовые клетки подвергаются двум типам клеточного деления (см. схему «Деление и дифференцировка стволовых клеток»). Симметричное деление приводит к образованию двух идентичных дочерних клеток, обе из которых обладают свойствами стволовых клеток. Асимметричное деление, напротив, производит только одну стволовую клетку и прогениторную клетку с ограниченным потенциалом к самообновлению. Прогениторные клетки могут пройти несколько циклов деления, прежде чем окончательно дифференцироваться в зрелую клетку. Возможно, молекулярное различие между симметричным и асимметричным делением заключается в различной сегрегации белков клеточной мембраны (например, рецепторов) между дочерними клетками. Альтернативная теория предполагает, что стволовые клетки остаются недифференцированными благодаря сигналам окружающей среды в их специфической нише. Стволовые клетки дифференцируются, когда покидают эту нишу или перестают получать эти сигналы. Исследования на гермариуме дрозофилы выявили сигналы decapentaplegic и адгеренсовые соединения, которые предотвращают дифференцировку стволовых клеток гермария. В Соединенных Штатах исполнительный указ № 13505 установил, что федеральные средства могут быть использованы для исследований с использованием одобренных линий человеческих эмбриональных стволовых клеток (hESC), но не могут быть использованы для получения новых линий. Руководство Национального института здоровья (NIH) по исследованиям стволовых клеток человека, вступившее в силу 7 июля 2009 года, реализовало исполнительный указ № 13505, установив критерии, которым должны соответствовать линии hESC для получения финансирования. Онлайн-реестр человеческих эмбриональных стволовых клеток NIH содержит актуальную информацию о клеточных линиях, имеющих право на финансирование NIH. По состоянию на январь 2022 года было одобрено 486 линий.

Lineage is an important procedure to analyze developing embryos. Since cell lineages shows the relationship between cells at each division. This helps in analyzing stem cell lineages along the way which helps recognize stem cell effectiveness, lifespan, and other factors. With the technique of cell lineage mutant genes can be analyzed in stem cell clones that can help in genetic pathways. These pathways can regulate how the stem cell perform. To ensure self renewal, stem cells undergo two types of cell division (see Stem cell division and differentiation diagram). Symmetric division gives rise to two identical daughter cells both endowed with stem cell properties. Asymmetric division, on the other hand, produces only one stem cell and a progenitor cell with limited self renewal potential. Progenitors can go through several rounds of cell division before terminally differentiating into a mature cell. It is possible that the molecular distinction between symmetric and asymmetric divisions lies in differential segregation of cell membrane proteins (such as receptors) between the daughter cells. An alternative theory is that stem cells remain undifferentiated due to environmental cues in their particular niche. Stem cells differentiate when they leave that niche or no longer receive those signals. Studies in Drosophila germarium have identified the signals decapentaplegic and adherens junctions that prevent germarium stem cells from differentiating. In the United States, Executive Order 13505 established that federal money can be used for research in which approved human embryonic stem cell (hESC) lines are used, but it cannot be used to derive new lines. The National Institutes of Health (NIH) Guidelines on Human Stem Cell Research, effective July 7, 2009, implemented the Executive Order 13505 by establishing criteria which hESC lines must meet to be approved for funding. The NIH Human Embryonic Stem Cell Registry can be accessed online and has updated information on cell lines eligible for NIH funding. There are 486 approved lines as of January 2022.

Лечение

Терапия стволовыми клетками – это использование стволовых клеток для лечения или профилактики заболевания или состояния. Трансплантация костного мозга является формой терапии стволовыми клетками, которая применяется на протяжении многих лет, поскольку её эффективность была доказана в клинических испытаниях. Имплантация стволовых клеток может способствовать укреплению левого желудочка сердца, а также сохранению сердечной ткани у пациентов, перенесших инфаркт миокарда в прошлом. Более 90 лет трансплантация гематопоэтических стволовых клеток (ГСКТ) используется для лечения заболеваний, таких как лейкемия и лимфома; это единственная широко применяемая форма терапии стволовыми клетками. По состоянию на 2016 год единственной признанной терапией с использованием стволовых клеток остаётся трансплантация гематопоэтических стволовых клеток. Обычно она проводится в виде трансплантации костного мозга, но клетки также могут быть получены из пуповинной крови. Ведутся исследования по разработке различных источников стволовых клеток, а также по применению методов лечения стволовыми клетками при нейродегенеративных заболеваниях и состояниях, таких как диабет и сердечно-сосудистые заболевания.

Преимущества

Лечение стволовыми клетками может облегчить симптомы заболевания или состояния, которое лечится. Уменьшение симптомов может позволить пациентам снизить дозу принимаемых лекарств. Лечение стволовыми клетками также может предоставить обществу знания для дальнейшего изучения стволовых клеток и разработки новых методов лечения. Основной принцип врачебной этики – не навредить, и стволовые клетки делают это проще, чем когда-либо. Хирургические вмешательства по своей сути травматичны. Для достижения успеха часто необходимо удаление тканей. Использование стволовых клеток позволяет избежать опасностей, связанных с хирургическими операциями. Кроме того, существует риск возникновения осложнений, и в случае неудачи процедуры может потребоваться повторное хирургическое вмешательство. Риски, связанные с анестезией, также можно исключить при использовании стволовых клеток. Более того, стволовые клетки берутся из организма самого пациента и возвращаются туда, где они необходимы. Поскольку они происходят из тела пациента, это называется аутологичным лечением. Аутологичные методы лечения считаются наиболее безопасными, поскольку вероятность отторжения практически отсутствует.

Недостатки

Лечение стволовыми клетками может потребовать иммуносупрессии из-за необходимости проведения облучения перед трансплантацией для удаления собственных клеток пациента, или из-за того, что иммунная система пациента может атаковать стволовые клетки. Один из способов избежать последней проблемы – использовать стволовые клетки самого пациента, которому проводится лечение. Плюрипотентность некоторых стволовых клеток также может затруднить получение конкретного типа клеток. Кроме того, сложно получить именно тот тип клеток, который необходим, поскольку не все клетки в популяции дифференцируются одинаково. Недифференцированные клетки могут формировать ткани, отличные от желаемых. Некоторые стволовые клетки образуют опухоли после трансплантации; плюрипотентность связана с образованием опухолей, особенно в эмбриональных стволовых клетках, стволовых клетках плода, индуцированных плюрипотентных стволовых клетках. Стволовые клетки плода могут формировать опухоли, несмотря на свою мультипотентность. Использование или исследование эмбриональных стволовых клеток также вызывает этические опасения. Получение клеток из бластоцисты приводит к её гибели. Возникает вопрос, следует ли считать бластоцисту человеческой жизнью. Дискуссия по этому вопросу носит преимущественно философский, а не научный характер.

Туризм стволовых клеток

Туризм стволовых клеток – это часть индустрии медицинского туризма, в которой пациенты отправляются в другие страны для получения процедур с использованием стволовых клеток. В Соединенных Штатах наблюдается резкий рост числа "клиник стволовых клеток". Процедуры с использованием стволовых клеток крайне прибыльны для клиник. Реклама выглядит авторитетно, однако эффективность и безопасность этих процедур не доказаны. У пациентов иногда возникают осложнения, такие как опухоли спинного мозга и даже смерть. Высокая стоимость также может привести к финансовым трудностям. По мнению Международного общества исследований стволовых клеток, крупнейшей академической организации, поддерживающей исследования стволовых клеток, методы лечения стволовыми клетками находятся в стадии разработки и их эффективность пока не подтверждена. Врачи должны информировать пациентов о том, что клинические испытания продолжаются для оценки безопасности и эффективности этих методов, в то время как недобросовестные клиники представляют их как уже проверенные.

Исследования

Некоторые из фундаментальных патентов, охватывающих человеческие эмбриональные стволовые клетки, принадлежат Исследовательскому фонду выпускников Висконсина (WARF) – это патенты 5,843,780, 6,200,806 и 7,029,913, изобретенные Джеймсом А. Томсоном. WARF не применяет эти патенты против академических ученых, но применяет их против компаний. В 2006 году запрос на пересмотр трех патентов был подан в Управление по патентам и товарным знакам США (USPTO) Общественным патентным фондом от имени его клиента, некоммерческой организации, осуществляющей контроль за патентами, Consumer Watchdog (ранее Фонд по защите прав налогоплательщиков и потребителей). Однако в ответ WARF изменила формулы изобретения всех трех патентов, чтобы сузить их объем, и в 2008 году USPTO признало измененные формулы изобретения во всех трех патентах патентоспособными. Решение по одному из патентов (7,029,913) подлежало обжалованию, в то время как решения по двум другим – нет. Consumer Watchdog обжаловал выдачу патента 913 в Совет по патентным апелляциям и вмешательствам (BPAI) USPTO, который удовлетворил апелляцию, и в 2010 году BPAI решил, что измененные формулы изобретения патента 913 не патентоспособны. Однако WARF смогла возобновить рассмотрение дела и сделала это, вновь изменив формулы изобретения патента 913, чтобы сузить их объем, и в январе 2013 года измененные формулы изобретения были одобрены. В июле 2013 года Consumer Watchdog объявила о намерении обжаловать решение об одобрении формул изобретения патента 913 в Апелляционном суде США по федеральному округу (CAFC), федеральном апелляционном суде, рассматривающем патентные дела. На слушании в декабре 2013 года CAFC поднял вопрос о наличии у Consumer Watchdog процессуального права на обжалование; дело не могло быть рассмотрено до разрешения этого вопроса.

Примечательные исследования

В августе 2021 года исследователи из Онкологического центра принцессы Маргарет при Сети здравоохранения Университета опубликовали свое открытие механизма, отвечающего за состояние покоя ключевых стволовых клеток, что может способствовать разработке новых методов лечения рака в будущем.