5
13238

Ниши стволовых клеток

Тема стволовых клеток и их использование в регенеративной медицине для восстановления формы и функции повреждённых тканей достаточно хорошо раскрыта. В этом компасе пойдёт речь о нише стволовых клеток, т.е. о тех "обычных" соматических клетках, которые окружают пул стволовых клеток, непосредственно взимодействуют с ними и тем самым регулируют пролиферативный потенциал стволовых клеток путём межклеточного взаимодействия. Этот процесс рассмотрен в аспекте старения.

на сайте с 27 декабря 2008

Концепция ниш стволовых клеток

В 1978 году R. Shofield опубликовал статью в журнале "Blood cells", в которой он теоретически обсуждает роль клеток окружения в регуляции жизнедеятельности стволовых клеток. Примерный перевод основного тезиса этой статьи звучит так
"здесь предлагается гипотеза, по которой необходимо рассматривать стволовые клетки вкупе с окружающими их клетками, которые непосредственно влияют на их функционирование. Это своего рода "тканевая" единица и должна рассматриваться целостно с учётом окружающих соматических клеток. Бесперебойная работа этой единицы обеспечивает нормальное деление и дифференцировку стволовых клеток внутри неё. Однако, как любая ткань, и эта единица подвержена старению и потенциал деления и функциональные возможности окружающих клеток является лимитирующим и определяющим судьбу стволовых клеток внутри неё."

Понятие "ниши" было введено позже, термин был взят из учения об экологии  и, в настоящее время, определяется как "ограниченное специализированное микро-окружение, которое интегрирует и осуществляет межклеточные сигналы для регуляции и поддержании гомеостаза принадлежащим ей стволовым клеткам".

Стволовые клетки не существуют в организме сами по себе, они находятся в определенном микроокружении, которое обычно обозначают термином ниша.
В настоящее время этот термин также используется для обозначения совокупности факторов, обеспечивающих жизнеспособность и самовоспроизведение стволовых клеток и дифференциацию дочерних транзиторных клеток. Среди этих факторов следует упомянуть наличие базальной мембраны, молекул внеклеточного матрикса и присутствие соседних клеток, продуцирующих факторы роста и другие регуляторные молекулы. 
Ниша активно участвует в регуляции пролиферации и дифференцировке стволовых клеток, она обеспечивает самоподдержание стволовых клеток и длительное их пребывание в состоянии покоя. Стволовые клетки прочно закреплены в нише молекулами адгезии, в частности интегринами.


В то же время свободные стволовые клетки могут находить путь в соответствующую нишу благодаря хемотаксису. Ниши являются
частью структурно-функциональных единиц, из которых состоят ткани.

Ниша стволовых клеток может оставаться свободной и в дальнейшем ее могут занять новые клетки. Пустые ниши могут существовать независимо от стволовых клеток и при трансплантации в них стволовых клеток обеспечивать их нормальное функционирование.

Одно из назначений ниши в тканях взрослого организма заключается в ограничении пролиферации стволовых клеток только необходимостью поддерживать тканевой гомеостаз. Другое назначение ниши - создание условий для максимальной защищенности стволовых клеток от внешних воздействий.
Например, стволовые клетки эпителия кишечника находятся в нижней части крипт, в волосяном фолликуле стволовые клетки локализуются под
сальной железой, стволовые клетки роговицы - в области лимба.
Переход стволовых клеток в состояние покоя также повышает их устойчивость к внешним воздействиям.

Для самоподдержания стволовые клетки должны получать от своего
микроокружения (ниши) определенные сигналы.
Например, для поддержания эмбриональных стволовых клеток мыши в недифференцированном состоянии in vitro необходим фактор ингибирования лейкемии (LIF).

Внутриклеточные сигналы также необходимы для поддержания неограниченной пролиферации стволовых клеток. Для поддержания плюрипотентности и предотвращения дифференцировки эмбриональных стволовых клеток необходима экспрессия транскрипционного фактора Nanog.


В результате деления стволовые клетки дают начало дочерним клеткам с коротким клеточным циклом. Дочерние клетки благодаря нескольким
последовательным делениям создают большой компартмент (популяцию) транзиторных клеток, которые затем превращаются в дифференцированные клетки, выполняющие специфические функции в организме.


Образование большого количества дифференцированных клеток обеспечивается именно за счет размножения транзиторных клеток при малом числе делений стволовых клеток.

Это позволяет уменьшить риск генетических нарушений, которые могут
произойти в процессе репликации и пролиферации стволовых клеток, поскольку именно с генетическими нарушениями стволовых клеток связан неопластический рост. Генетические нарушения в транзиторных клетках представляют меньшую опасность, поскольку эти клетки, как правило, прекращают пролиферацию и дифференцируются.

Длительное время существовало убеждение, что транзиторные клетки необратимо выходят из компартмента стволовых клеток, однако постепенно стали появляться данные, свидетельствующие о том, что между стволовыми и транзиторными клетками нет резкой границы, а скорее имеется постепенный переход. После того как стволовые клетки в результате деления дают начало транзиторным клеткам, последние еще некоторое время могут сохранять свойства стволовых клеток. Ведущий учёный в этой области, C. Potten, глава биотех-компании Epistem,  называет их потенциальными стволовыми клетками и считает, что в норме они относятся к транзиторной популяции, но при определенных условиях, например, гибели пред существующих стволовых клеток, могут заместить последние.
Представляют интерес экспериментальные данные относительно большой пластичности транзиторных клеток. Транзиторные клетки эпителия роговицы находятся в ее центральной части и легко могут быть отделены от стволовых клеток, которые локализованы
в области лимба.

Было установлено, что транзиторные клетки эпителия роговицы кролика
могут быть перепрограммированы при взаимодействии с дермой эмбрионов мыши (дорсальной, верхней губы и подошвы). Полученные результаты показывают, что клетки роговицы взрослого животного отвечают на специфические стимулы эмбриональной дермы. Сначала появляется новый базальный слой клеток, в котором не экспрессируются кератины роговицы, а затем появляются пилосебацейные единицы, или потовые железы, в зависимости от типа дермы, и наконец в верхних слоях клеток появляется экспрессия кератинов эпидермального типа. Таким образом, происходит перепрограммирование клеток роговицы.

Межклеточные молекулярные механизмы действия ниш

Ниже приведены примеры хорошо охарактеризованных ниш для некоторых типов стволовых клеток.

Тип стволовых клеток: гематопоэтические стволовые клетки
Клетки ниши: остеобласты, остеокласты, мезенхимальные предшественники, ретикулярные клетки
Основные межклеточные сигналы: CXCL12; SCF; Tpo; SHH; Ang11
Ссылка: (Adams and Scadden, 2006)

Тип стволовых клеток: сателлитные мышечные стволовые клетки
Клетки ниши: пока неизвестны
Основные межклеточные сигналы: Wnt; Notch; HGF; CXCL121
Ссылка: (Dhawan and Rando, 2005)


Тип стволовых клеток: нервные стволовые клетки
Клетки ниши: эндотелий, ependymal
Основные межклеточные сигналы: SHH; Notch; Wnt; TGFα; FGF; VEGF;many
Ссылка: (Doetsch, 2003)

Тип стволовых клеток:  стволовые клетки кишечного эпителия
Клетки ниши: фибробалсты, гематопоэтические клетки
Основные межклеточные сигналы: Wnt; Notch; BMP4–6
Ссылка: (Barker et al., 2007)

Тип стволовых клеток:  стволовые клетки волосяного фолликула
Клетки ниши: васкулярная система фолликула
Основные межклеточные сигналы: Wnt; BMP; TGFß,many
Ссылка: (Blanpain and Fuchs, 2006)

Тип стволовых клеток:  стволовые клетки межфолликулярного эпидермиса
Клетки ниши: базальный слой эпидермиса
Основные межклеточные сигналы: Wnt; Notch
Ссылка: (Clayton et al., 2007)

Тип стволовых клеток:  стволовые клетки сперматогониев
Клетки ниши:
seminiferous tubules
Основные межклеточные сигналы: BMP4; BMP8b; SCF; FGF; GDNF
Ссылка: ([Yoshida et al., 2007a] [Yoshida et al., 2007b])

Исследования в области ниш стволовых клеток

Совсем недавно весь мир облетела новость о том, что в Лос-Анджелесе удалось вылечить человека, страдающего болезнью Паркинсона, благодаря пересадке в его мозг стволовых клеток, выделенных из мозга самого пациента. У многих учёных вызвало это волну недоверия, т.к. хотя и теоретически это вполне возможно, практически современная медицина находится достаточно далеко от применения стволовых клеток в лечении нейродегенеративных болезней. Созданный консорциум перепроверил протоколы этой работы и пришёл к выводу, что в данном конкретном случае нельзя судить о том, помогла ли исключительно трансплантация стволовых клеток или улучшение состояния пациента было вызвано эффектом принимаемых им препаратов (подробнее здесь). Тем не менее, работы в этом направлении ведутся уже давно и технологии развиваются семимильными шагами. Например было показано, что стволовые клетки периферической нервной системы помогают "сращивать" разорванные в результате травмы нервы, восстанавливая подвижность конечностей. Пока, правда, у лабораторных крыс. 

Наилучшим источником стволовых клеток является наше собственное тело. По крайней мере, выращенные в культуре стволовые клетки можно будет спокойно пересаживать, не опасаясь отторжения.

Проблема до сих пор (за ислючением, пожалуй, клеток гематопоэза) заключается в том, где "отыскать" эти вожделенные клетки, которые мало делятся и до конца сохраняют потенциал воспроизведения и дифференцировки, то есть специализации и выполнения возложенных на них функций.
Ниша для стволовых клеток подразумевает особое клеточное окружение, которое позволяет им сохранять свои уникальные свойства, покоясь как бы в "замороженном" состоянии. Подобное состояние получило название "арест". Арест клетки на той или иной стадии ее жизненного цикла регулируется сложнейшими и пока еще не до конца ясными генетическими системами, активность которых приводит к накоплению в цитоплазме особых белков, не позволяющих клетке вступать в деление.

Классическим примером такого состояния являются яйцеклетки (ооциты) в яичнике. Они претерпевают первое мейотическое деление, когда парный набор хромосом "подготавливается" к разделению на гаплоидные -одинарные. Вот тут-то и наступает арест метафазы второго мейотического деления. Яйцеклетка оказывается в "замороженном" состоянии, когда парные хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости, но не расходятся к полюсам. Снимается такое состояние ареста "внедрением" спермия, то есть оплодотворением. Оплодотворение приводит к "пробою" мембранных кальциевых каналов. Это особые белки, встроенные в оболочку клетки, через которые ионы кальция поступают в цитоплазму, стимулируя анафазу (расхождение хромосом на одинарные наборы). С одним набором соединится хромосомный набор спермия, а другой будет попросту "выкинут" из яйцеклетки.
Но это все после оплодотворения. Если же его нет, то яйцеклетка так
и остается в состоянии ареста. Более 30 лет назад была высказана
гипотеза о так называемом цитостатическом факторе, который безуспешно пытались найти в течение 20 последующих лет. И только после открытия циклинов все встало на свои места. За открытие этих протеинов регуляции жизненного цикла клетки была вручена Нобелевская премия по медицине и физиологии за 2001 год (см. "Наука и жизнь", № 1, 2002 г.). Циклины не пускают клетки в деление, что не дает клеткам превратиться в раковые. Недаром на циклины возлагают большие надежды онкологи. Как оказалось, именно циклины играют также важнейшую роль в межклеточной сигнализации внутри ниши.

Журнал "Nature" опубликовал статью специалистов Отдела молекулярной генетики Киотского университета. Они описали нишу для развития меланоцитов - клеток кожи, синтезирующих черный пигмент меланин, благодаря которому наша кожа приобретает темный цвет под действием ультрафиолета солнца. Меланоциты также окрашивают волосы и придают цвет радужке глаз.
Нишей для "культивирования" стволовых клеток, из которых при
определенной стимуляции образуются меланоциты, являются самые "донца" волосяных мешочков-фолликулов. Вводя особый ген-маркер, окрашивающий с помощью своего протеинового продукта клетки в синий цвет, японцы смогли проследить под микроскопом поведение и судьбу ген-модифицированных стволовых клеток, а также посмотреть их распределение в фолликуле.
Для доказательства того, что стволовые клетки способны к миграции и
заселению других волосяных мешочков, ученые с помощью специфических моноклональных антител убили меланоциты мышей, в результате чего животные поседели. После стимуляции стволовых клеток мыши вновь стали черными.


Таким образом, подтверждено, что корень волоса является не только
резервуаром стволовых клеток для роста самого волосяного стержня, но
также и нишей для будущих меланоцитов. Открытие имеет большое
теоретическое и практическое значение. Ведь впервые получена удобная "живая" модель для изучения свойств не только самих стволовых клеток, но также и их ниши. Не будем забывать, что меланомы являются самыми "злыми" изо всех опухолей человека. И ученые легче справятся с ними, если познают суть "становления" меланоцитов из их стволовых клеток.
С практической же точки зрения новое открытие может преобразовать всю косметологию. Вполне может быть, что в не таком уж далеком будущем людям не нужно будет красить волосы, чтобы скрыть седину. Вместо этого они смогут обратиться к врачу-косметологу, который с помощью протеинов-стимуляторов активирует их стволовые клетки, которые и осуществят репигментацию волос.

Современные работы в области ниш стволовых клеток

Таким образом, стволовым клеткам необходимо соответствующее окружение, от которого зависит их способность к нормальному функционированию, самовоспроизведению и дифференцировке. Сами по себе, стволовые клетки теоретически способны к неограниченному количеству делений, но продолжительность их жизни, оказывается определяется "обычными" клетками ниши, которые их окружают.

Рассмотрим подробнее, чем занимаются учёные в этой области и каким образом можно повлиять на стволовые клетки через клетки ниши.
Всемирно известная лаборатория David T. Scadden из Центра по Регенеративной медицине (Department of Stem Cell and Regenerative Biology, Center for Regenerative Medicine) в Бостоне занимается вопросами пролиферации стволовых клеток, а точнее молекулярными сигналами, которые воспринимаются стволовыми клетками от своего окружения и являются запуском программы деления. Исследования эти проводятся с учётом использования этих сигналов для искусственного поддерживания пролиферации стволовых клеток в случае, если клетки ниши не способны в полной степени посылать эти сигналы.

Лаборатория Erin Lavik занимается нишами нервных стволовых клеток с целью разработки терапевтических средств для лечения повреждений спинного мозга, глаукомы и дегенерации ретины. В частности, ими была проведена интересная работа по воссозданию искусственной ниши для нервных стволовых клеток с помощью синтетических полимеров. Проект оказался довольно успешным, но, к сожалению, слишком дорогостоящим для использования его в рутинных лабораторных целях. Тем не менее, эксперименты показали, что такой подход - создание искусственных ниш для стволовых клеток - в приципе возможен.

В настоящее время, много лабораторий с мировым именем занимаются исследованиями именно в этом направлении - созданием искусственных ниш для "выращивания" стволовых клеток. Эти исследования проводятся в сотрудничестве с разиличными биотехнологическими фирмами, которые соперничают между собой за право первыми предложить эффективный и относительно дешёвый кит для культивирования стволовых клеток любого типа. Для этого, в настоящее время, используют животных. Одной из перспективных фирм в этом направлении является швейцарская Лаборатория Биоинженерии Стволовых Клеток.

Вопросы, на которые ещё нет ответов

Возможности стволовых клеток по регенерации различных тканей кажутся безграничными.
Почему же, как правило, повреждение тканей у человека заканчивается образованием соединительнотканнго рубца?

Каковы реальные функции стволовых клеток in vivo?

Почему происходит старение, несмотря на наличие бессмертных стволовых клеток?
Здесь определённо играют важнейшую роль клетки ниши, но будет ли это достаточно эффективным регенерировать клетки ниши для поддержани пролиферативного потенциала стволовых клеток?

Почему стволовые клетки, обладающие безграничной способностью к размножению не образуют раковые опухоли? Эти вопросы еще ждут ответа.

21 июня 2009

Литература по теме

Комментарии

17 апреля 2013 в 22:55
 
Здравствуйте, есть компания, препараты которой обеспечивают естественный выпуск плюрипотентных стволовых клеток, пролангация выхода до 3 часов, увеличение количества в кровотоке на 25%, С уважением, Лариса Сергеевна, Sibirskaya7@gmail.com

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter