4
14082

Восстановление пула стволовых клеток

Компас посвящен явлению сокращения пула (количества) стволовых клеток, его причинам и методам восстановления пула.

на сайте с 27 августа 2008

Стволовые клетки

Стволовые клетки Стволовые клетки – это аппарат обновления, смены устаревших «больных» клеток, в том числе для защиты от преждевременного старения. Стволовые клетки открывают огромные перспективы для лечения тяжелых неизлечимых заболеваний, таких как диабет, заболевания сердечно-сосудистой системы, нейродегенеративные заболевания и др. возраст- ассоциированные заболевания. Возможно, с их помощью будет найдено лекарство от старения.
В организме существует пул стволовых клеток, т.е. совокупность клеток всех уровней дифференцировки. С возрастом этот пул сокращается, в результате сокращается резерв для обновления тканей организма.

Подробнее о стволовых клетках можно прочитать здесь:
Стволовые клетки in vivo и in vitro
.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки.

Методы перепрограммирования соматических клеток.

Стволовые клетки, для чего они нужны.

Сокращение пула стволовых клеток

Стволовые клетки Анализ существующих на сегодняшний день теорий старения показывает, что камнем преткновения в них является, прежде всего, вопрос об идентичности механизмов старения клетки и многоклеточного организма. Огромный вклад в развитие учения о старении принадлежит В.В.Фролькису. Неординарное мышление и интересы академика В.В.Фролькиса касались эволюции продолжительности жизни таксонов, видов и индивидуумов, изменений ДНК и РНК, регулярных систем и математического моделирования, механизмов старения клетки и многоклеточного организма. Именно в трудах В.В.Фролькиса была найдена точка опоры для разработки нового взгляда на процесс старения и выработку основ идеологии клеточных технологий, рассматривая таковой с позиции «Теории истощения стволовых пространств в организме»:

1. Старение представляет собой перманентные сокращения размеров стволовых пространств организма.

2. Стволовое пространство - это пул регионарных («взрослых») стволовых клеток (мезенхимальные стволовые клетки, нейральные стволовые клетки, гемопоэтические стволовые клетки, клетки – предшественники эндокринного эпителия и др.), призваны восполнять клеточные потери определенной ткани в процессе ремоделирования организма.

3. Ремоделирование – это обновление клеточного состава всех тканей и органов за счет клеток стволовых пространств, которое имеет непрерывный характер и продолжается в течение всей жизни в организме.

4. Количество клеток в стволовых пространствах является генетически запрограммированным, что определяет ограниченность размера (пролиферативного потенциала) стволового пространства.

5.
Размеры стволовых пространств определяют скорость старения отдельных органов и систем организма.

6.
После исчерпания резервов стволовых пространств интенсивность и скорость старения многоклеточного организма значительно ускоряются и определяются механизмами старения соматических дифференцированных клеток.

7. На этапе постнатального онтогенеза расширение стволовых пространств для увеличения продолжительности жизни возможно путем введения аллогенных эмбриональных плюрипотентных прогениторных либо аутоиммунных постнатальных стволовых клеток.

Патология и старение

Колония человеческих эмбриональных клеток в окружении эмбриональных фибробластов
Следует отметить, что основные положения теории стволовых пространств способны в корне изменить существующее представление не только о процессах старения, но и болезнях, а так же последствия их лечения:

- Болезнь может быть следствием патологии клеток стволовых пространств;

- Истощение стволового пространства мезенхимальных стволовых клеток нарушает процессы ремоделирования соединительной ткани организма, что приводит к возникновению внешних признаков старости;

- Истощение стволового резерва эндотелиальных клеток вызывает развитие артериальной гипертензии

- Малые размеры стволового пространства тимуса определяют его прогрессивную возрастную инволюцию;

- Преждевременное старение является следствием малых размеров всех стволовых пространств организма;

- Медикаментозная и не медикаментозная стимуляция резерва стволовых клеток повышает качество жизни за счет сокращения ее продолжительности, т. к. уменьшает размеры стволового пространства;

- Низкая эффективность современных методов лечения обусловлена их направленностью на соматическую клетку, а не на увеличение стволовых пространств организма.

- Поддержание оптимальных объемов стволовых пространств организма за счет введения в него собственных либо эмбриональных стволовых клеток дает возможность существенно продлить качество и длительность жизни.

- Выработка технологий, объемов, циклов и оптимальных методик ввода стволовых клеток будет являться первостепенной задачей современной медицины и косметологии.

Статья В.В. Фролькиса "Синдромы старения".

Причины сокращения пула стволовых клеток

Стволовые клетки На самых ранних стадиях эмбрионального развития клетки обладают способностью неограниченно делиться и затем дифференцироваться в различные типы клеток тела. Недавние исследования выявили, что большая часть замечательного регенераторного потенциала эмбриональных стволовых клеток сохраняется небольшой популяцией клеток в большинстве тканей взрослого организма. Межклеточные сигналы, которые контролируют пролиферацию, дифференцировку и выживание стволовых клеток были идентифицированы и включены в набор различных факторов роста, цитокинов и молекул клеточной адгезии. Внутриклеточные механизмы, которые определяют судьбу стволовых клеток также были выявлены и включают установленные пути вторичных мессенджеров, новые транскрипционные факторы и теломеразу. Возможность того, что уменьшение числа или пластичности популяций стволовых клеток вносит вклад в старение и связанную со старением болезнь вытекает из последних открытий. Замечательная пластичность стволовых клеток заставляет предположить, что эндогенные или трансплантированные стволовые клетки могут быть могут быть использованы в путях, которые позволят им возмещать потерю дисфункциональной клеточной популяции при болезнях от нейродегенеративных и гематопоэтических расстройств до диабета и сердечнососудистых заболеваний.
Пул стволовых клеток сокращается в течение всей жизни человека под воздействием различных факторов- генетических, факторов внешней среды, питания, образа жизни и т.д., т.е. все, что может изменить состояние организма. Например, пул стволовых клеток сокращается при атеросклерозе. Хронические повреждения артериальной стенки вносят вклад в развитие атеросклероза. Однако, важно заметить, что комплексная система репарации включает как локальные , так и происходящие из костного мозга мозга клетки, обеспечивающие гомеостаз и целостность артерии. Зависящий от возраста отказ костного мозга продуцировать сосудистые прогениторные клетки, ответственные за восстановление артерий – неспособность, которая вызвана длящимися в течение всей жизни факторами, такими, как гиперлипедемия, способствует развитию атеросклероза и его тромбоэмболических осложнений. Как последствие такого отказа, нормальный процесс восстановления артериальной стенки и омоложения нарушается. Нарушение равновесия между повреждением артериальной стенки и ее восстановлением ведет к атеросклеротическому воспалению и последующими тромбоэмболическими осложнениями. Костный мозг и происходящие из него прогениторные клетки представляют собой ключевые регуляторы атеросклероза, и прогресс в предотвращении и лечении атеросклероза и его тромбоэмболических осложнений должен осуществляться с учетом этого измерения процесса болезни (Писаржевский, 2005).

Восстановление пула стволовых клеток при патологиях гемопоэза

Гемопоэтические стволовые клетки
Самым известным и широкоиспользуемым способом восстановления пула стволовых клеток (СК) является пересадка костного мозга. Развитие этой методики связано с распространением различных заболеваний кроветворной системы (в основном у детей).
Основным способом преодоления тяжелых лекарственных цитопений и неотъемлемой частью современных химиотерапевтических протоколов при различных онкологических заболеваниях, особенно при гемобластозах, является трансплантация стволовых кроветворных клеток. Цель процедуры – это максимально быстрое и полное восстановление кроветворения, поврежденного высокими дозами цитостатических препаратов.
   Основой для использования стволовых кроветворных клеток в условиях клиники послужили результаты длительных многочисленных фундаментальных исследований. Впервые восстановление кроветворения у смертельно облученных животных из экранированной бедренной кости продемонстрировано L.O. Jacobson и соавт. в 1950 г. , а в 1952 г. E. Lorenz и соавт. показали, что восстановление кроветворения возможно и при внутривенной инфузии (введения) клеток костного мозга. Таким образом, была экспериментально подтверждена гипотеза русского военного врача А.А. Максимова о циркуляции в периферическом русле кровяных клеток, способных мигрировать из костного мозга и при необходимости восполнять кроветворение.
   Термин “стволовая кроветворная клетка” (СКК) в экспериментальной гематологии появился в работах американских ученых J.W. Goodman и G. Hodgson в 1962 г. Тогда же был разработан и применен в эксперименте метод клонирования кроветворных клеток в селезенке смертельно облученных мышей. Дальнейшие эксперименты установили способность стволовых кроветворных клеток/клеток-предшественниц гемопоэза формировать в организме или культуре колонии-клоны, возникающие из одной клонообразующей клетки, эти клетки были названы колониеобразующими единицами (КОЕ).
  Благодаря развитию методов клонирования гемопоэтических клеток-предшественниц не только in vivo, но и ех vivo стало возможным глубокое изучение клеток данного отдела гемопоэза, показана неоднородность пула стволовых кроветворных клеток. В 70-е годы были охарактеризованы полипотентные СКК, способные к самоподдержанию, обеспечивающие стойкое, длительное восстановление гемопоэза. Эти клетки имели высокий потенциал пролиферации и были способны к дифференцировке по всем направлениям гемопоэза.
   Экспериментально было установлено, что существуют разные типы СКК, сходных морфологически (по строению), но различающихся по уровням дифференцировки, пролиферативному потенциалу и способностью к восстановлению. В итоге сформировалась относительно четкая иерархическая система, характеризующая последовательность клеточных дифференцировок на ранних этапах кроветворения.
   Длительное время в качестве источника стволовых кроветворных клеток использовался эксфузионный костный мозг (т.е. костный мозг от другого человека). Первая успешная трансплантация (аллогенная трансплантация клеток костного мозга) была выполнена в США ребенку, страдавшему тяжелой формой иммунодефицита, в 1968 г. С тех пор и до середины 90-х годов прошлого столетия значительную долю трансплантаций кроветворной ткани составляли ауто- и аллотрансплантации клеток костного мозга. Несмотря на значительные клинические успехи, метод имел ряд серьезных ограничений. С конца 90-х годов, когда был подтвержден феномен “мобилизации”, т. е. выход СКК в периферическое русло под влиянием колониестимулирующих факторов и/или химиотерапии, а также отработаны протоколы стимуляции кроветворения, основным источником СКК становится периферическая кровь.
   В настоящее время ежегодно проводятся тысячи аутологичных и аллогенных трансплантаций кроветворной ткани, и большинство из них – это трансплантации “мобилизованных” или, иначе, периферических стволовых клеток крови (ПСКK). Фракцию мононуклеарных клеток крови, обогащенную CКК, получают в ходе процедуры цитафереза, который при необходимости можно неоднократно повторять.
   Одной из самых серьезных проблем при трансплантации кроветворной ткани является вопрос качества трансплантата, т.е. способность кроветворных клеток полноценно восстановить кроветворение.
   Длительное время оценку качества гемопоэтического материала проводили на основании определения роста различных типов клеточных колоний в полужидких культуральных системах. Однако отсутствие единых стандартов теста из-за многообразия реактивов, а также отсроченность в получении результатов делали метод колониеобразования не совсем удобным для клинического применения.
   Существовала также проблема определения момента начала проведения процедур цитафереза. Гематологические показатели крови не всегда отражали реальный выброс СКК в периферическое русло, и часто требовалось проведение более 3 процедур. Эти проблемы были решены с открытием антигена CD34. Молекула CD34 является стадиеспецифичным антигеном, определяющим клетки ранних этапов дифференцировки, спектр ее экспрессии и структура в настоящее время детально описаны, а функции CD34-антигена и возможности применения пула стволовых клеток для клиники стали предметом детального изучения во всем мире.
   Именно минорная популяция (т.е. популяция клеток составляющая меньшую часть от всех клеток данного типа) CD34+-клеток в последние годы была объектом детального изучения. Показано, что при достаточной морфологической однородности CD34+-клетки гетерогенны по функциональным свойствам и уровню пролиферативной активности. Установлено, что по мере дифференцировки клетки от истинно стволовой (обладающей широким спектром возможностей к дифференцировке и пролиферации) до унипотентной (способной к дифференцировке только по одному ростку кроветворения) репопулирующая способность и потенциал пролиферации снижаются.
   В пределах пула СКК и экспрессия самого стволовоклеточного антигена CD34 варьирует в широких пределах – от яркой на истинно стволовой, полипотентной стволовой клетке до слабой на унипотентных гемопоэтических предшественниках. Однако независимо от уровней экспрессии CD34 на мембране стволовых кроветворных клеток именно суммарный пул CD34+-клеток определяет скорость восстановления кроветворения при трансплантации гемопоэтической ткани.
   Совершенствование клеточных технологий и использование прямых флюоресцентных конъюгатов моноклональных антител (МКА) к антигену CD34 сократило срок определения количества стволовых, CD34+-клеток в любой кроветворной ткани до 1,5–2 ч. Определение стволовых клеток проводится цитофлюориметрически в реакции прямой иммунофлюоресценции с использованием различных флюорохромных конъюгатов МКА к антигену CD34.

При краткосрочности выполнения методика цитометрического определения СКК достаточно сложна, поскольку речь идет о минорной клеточной популяции.
   В настоящее время существует несколько стандартизированных и одинаково признанных в мире цитометрических протоколов оценки СКК.
   Двухэтапный протокол (SIHON) для определения абсолютного количества стволовых клеток требует подсчета 2 величин: процента CD34+-ядерных клеток (цитометрия) и числа лейкоцитов крови (гемограмма).
   Так называемый ISHAGE дает возможность напрямую при цитометрическом определении выявлять абсолютное количество CD34+-клеток в 1 мкл исследуемой кроветворной ткани и не требует подсчета лейкоцитов. По мнению некоторых ученых, второй метод менее гибкий, несмотря на кажущуюся простоту, так как не позволяет определять число CD34+-клеток при лейкоцитах менее 1000 клеток, что бывает клинически необходимо. Протокол ISHAGE требует специальных программ обработки и достаточно дорогих реагентов.

После оценки содержания СКК и их способности к пролиферации, дифференцировке и функционированию, их вводят пациенту.

Сейчас, ввиду актуальности проблемы онкологических заболеваний, ведутся интенсивные исследования по всему миру, в том числе и в знаменитом московском Онкологическом центре им. Н.Н. Блохина (ГУ РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН). В подготовке этого компаса использована статья сотрудников этого центра Л.Ю. Гривцовой и Н.Н. Тупицына "Субпопуляции трансплантируемых стволовых клеток".

Пересадка гемопоэтических стволовых клеток при аутоиммунных заболеваниях

Стволовые клетки для лечения аутоиммунных заболеваний Одним из центров изучения применения трансплантации гемопоэтических стволовых клеток при аутоиммунных заболеваниях является Университет Базеля, Швейцария. В недавнно вышедшем обзоре "Аллогенная трансплантация гемопоэтических стволовых клеток для лечения некоторых аутоиммунных заболеваний" Alois Gratwohl пишет, что аллогенная трансплантация гемопоэтических стволовых клеток (HSCT) -это уникальная возможность преодолеть заболевания кроветворной или иммунной системы с помощью клеток здорового донора. Но метод не дает 100%-ной гарантии. Устойчивая ремиссия достигается в стольких же случаях, что и неудачи. Но эту технологию необходимо развивать. Сейчас HSCT применяется при тромбоцитопении, васкулитах, рассеянном склерозе и других аутоиммунных заболеваниях, а также заболеваний, не относящихся к аутоиммунным.

Статьи по теме:
HSCT для лечения тромбоцитопении.

HSCT для лечения системных васкулитов и сходных заболеваний.

Трансплантация СК для лечения рассеянного склероза
.

Трансплантация СК для лечения эритроматоза.

Процедуры трансплантации СК
.

Перестройка иммунной системы после трансплантации СК.

Трансплантация СК для лечения ревматических заболеваний.

Трансплантация СК для лечения желудочно-кишечных заболеваний.

Трансплантация человеческих мезенхимальных СК, полученных из адипоцитов, в сочетании с гемопоэтическими СК.

Трансплантация мезенхимальных СК для лечения сердечно-сосудистых заболеваний

Шумаков Первый  опыт клинического  применения  аутологичных мезенхимальных  стволовых  клеток  костного  мозга  для восстановления сократительной  функции  миокарда был проведен в московском НИИ Трансплантологии и искусственных органов под руководством ныне уже покойного великого русского ученого Валерия Ивановича Шумакова в 2003 году.
Несмотря на успехи медицинской науки последних лет, количество пациентов с хронической сердечной недостаточностью (ХСН) увеличивается с каждым годом, что является одной из главных проблем здравоохранения всех экономически развитых стран мира. Увеличение частоты развития ХСН в человеческой популяции заставляет специалистов разрабатывать принципиально новые, доступные и эффективные методы лечения ХСН. Одним из таких методов является пересадка в миокард малодифференцированных клеток с мощным потенциалом к пролиферации и дифференцировке, с целью улучшения сократительной способности миокарда, регуляции процессов ремоделирования левого желудочка (ЛЖ) после инфаркта миокарда (ИМ), лечения дилатационной кардиомиопатии (ДКМП) и других патологий.
В эксперименте было доказано, что восстановление функции миокарда может быть достигнуто путем повышения функционального резерва кардиомиоцитов реципиента за счет стимуляции в них процессов гиперплазии и неоангиогенеза, а также ингибирования апоптоза.
Из различных направлений клеточной трансплантации наиболее перспективным является трансплантация прекультивированных мезенхимальных СК (МСК) аутологичного костного мозга (т.е. от самого пациента). Эти клетки, будучи аутологичными для реципиента, снимают с врача этические, юридические и организационные проблемы получения донорских клеток, а также устраняют необходимость иммуносупрессивной терапии, которая обычно требуется после трансплантации эмбриональных и фетальных клеток. Среди МСК костного мозга выделяют две популяции клеток: популяцию гемопоэтических стволовых клеток, которые способны пролиферировать и дифференцироваться в элементы красной и белой крови, и популяцию стромальных пластик-адгезивных клеток, которые при культивировании могут дифференцироваться в клетки тканей мезенхимального происхождения, в том числе — и в кардиомиоциты.
Важным результатом данного исследования является констатация того факта, что МСК, введенные интракоронарно (т.е. в коронарную артерию, питающую большую часть миокарда), остаются в бассейне коронарной артерии, через которую осуществлялось их введение: вне этой зоны очагового накопления индикатора не было обнаружено, а бассейн накопления клеток соответствовал области перенесенного инфаркта миокарда.
Для всех 4-х больных, наблюдавшихся нами в течение 1 месяца после трансплантации МСК, установлена положительная тенденция изменения показателей клинического состояния, как обьективных, так и субъективных.
Статья, посвященная этому исследованию.

С помощью этого метода проводится частичное восстановление пула стволовых клеток, которые замещают поврежденный миокард. Это крайне актуально для лечения возраст-ассоциированных сердечно-сосудистых заболеваний.


Недавно ученые из Stanford University School of Medicine из Cardiothoracic Transplantation Laboratory под руководством Роберта Роббинса (Robert Robbins) провели исследование, имеющее своей целью сравнить эффективность применения различных СК для лечения заболеваний сердца. Исследовали 4 типа СК (мононуклеары из костного мозга (MN), МСК, скелетные миобласты (SkMb), фибробласты (Fibro)) на мышиной модели инфаркта миокарда. Клетки экспрессировали люциферазу и зеленый флуоресцирующий белок (GFP), благодаря чему их можно было зарегистрировать с помощью проточного цитометра. Функция сердца оценивалась с помощью ЭКГ и др. методов.
Исследования показали, что каждый тип клеток имеет свои достоинства и недостатки для использования в терапии. Выяснено,что MN выживают лучше,чем SkMb и MSC. Но MN ненамного учлучшают функционирование сердца. Ученые надеются, что их дальнейшие исследования помогут в определении лучшего метода лечения для больных.

Статьи по теме:
Трансплантация клеток костного мозга для улучшения функции желудочков.

Перепрограммирование соматических клеток

стволовые клетки Разработка методов перепрограммирования соматических клеток открыла новые возможности для восстановления пула стволовых клеток. Благодаря новейшим исследованиям фантастика станет реальностью- ученые научатся выращивать из соматических клеток органы и ткани человеческого организма. Каким же образом? С помощью перепрограммирования. С помощью этого комплекса методов будет решена проблема дефицита донорских органов, проблема поиска подходящего донора, а также все проблемы,которые возникают при трансплантации чужеродной ткани (отторжение, иммуносупрессия и т.д.), т.к. для выращивания будут использованы клетки самого больного. Также, с помощью таких разработок, решаются этические и технические вопросы,связанные с использованием эмбриональных стволовых клеток.

Каковы на сегодняшний день методы перепрограммирования? Их 3:
1. Вставка ядра соматической клетки в эмбриональную стволовую клетку (Nuclear transfer)
2. Слияние соматической клетки и эмбриональной (Fusion)
3. Использование ретровирусных векторов с эмбриональными генами (Retroviral transduction of embrionic genes)

Общий смысл перепрограммирования (верхняя часть схемы) заключается в том,чтобы ввести в эмбриональную клетку (клетку зародыша) генетический материал (в виде ДНК) соматической клетки (клетки взрослого организма). Таким образом полученная клетка становится плюрипотентной,т.е. она не строго детерминированна (направленна в своем развитии), как соматическая, а имеет несколько возможных путей развития, что можно использовать для выращивания различных тканей.

В заключение

Не вызывает сомнений то, что стволовые клетки открыли новые перспективы для борьбы состарением. Благодаря прогрессивным разработкам ученых со всего мира, уже сейчас есть возможность помочь многим тяжело больным людям. Восстановление пула стволовых клеток- это путь к омоложению, к победе над старением, к лекарству от страшных заболеваний, мучающих миллионы пожилых людей. Хотя многие моменты еще не отработаны, но есть большая вероятность того, что уже скоро в 70, 80 и даже 90 лет люди будут вести активный образ жизни и забудут о старости.

15 ноября 2008 года

Комментарии

25 октября 2009 в 13:09
 
В отношении перепрограммирования соматических клеток и выращивания из них других органов это уже Маниловщина и не понимание процесса дифференцировки клеток. А своё время при исследовании синтеза антител при дифференцировке лимфоидных клеток, был открыт принцип два гена один белок и была за это присвоена даже Нобелевская премия. Но никто не увидел за этим основополагающий принцип, который говорит о том, что дифференцировка клеток сопровождается их необратимыми генетическими изменениями. Принцип клональности. Поэтому то и успех клонирования минимален при пересадке ядер. попал на стволовую клетку предшественник, удалось, нет - отрицательный результат. Вот поэтому то и не удастся перепрыгнуть с одной ветви дифференцировки клеток на другую. Хотя и единичные варианты наверное возможны.
11 февраля 2010 в 10:11
 
Этика хромает. Абортивный материал нужно воспринимать как материал, полученный в результате убийства нерождённого ребёнка.В качестве альтернативы источника попробуйте пуповинную кровь.
20 марта 2014 в 13:33
 
Привет. Весьма нужный совет в этом посте. Это маленькие изменения, которые делают заметные перемены. Большое спасибо, http://lynxconcept.com/ что поделились.

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter