Стволовые клетки не перестают удивлять учёных, которые до сих пор не очень хорошо понимают, как работают эти «солдаты медицины будущего». К двум основным механизмам, предложенным до сих пор, — замена стволовыми клетками клеток повреждённого органа и стимуляция деления клеток его сохранившихся частей — добавился ещё один.
По крайней мере часть стволовых клеток способна сливаться с некоторыми нейронами, образуя удивительные двуядерные образования. В ответ на хроническое воспаление, сигнализирующее организму о болезни, стволовые клетки крови устремляются в мозг и сливаются с одним из типов нейронов в 100 раз интенсивнее, чем ранее считалось.
По мнению учёных, это может хотя бы частично объяснить многочисленные положительные клинические эффекты, описанные до сих пор, а также стать новым направлением для клеточной терапии.
Гемопоэтические стволовые клетки удивляют ученых не в первый раз. Ещё в начале прошлого века петербургский учёный Александр Максимов предположил наличие в костном мозге небольшой популяции клеток, обладающих способностью к образованию всех остальных клеток крови. Эти «универсалы», позже названные гемопоэтическими стволовыми клетками, стали первыми стволовыми клетками, известными науке.
клетка, способная претерпевать асимметричное деление, в результате которого образуется одна клетка, идентичная материнской (самовоспроизведение) и вторая клетка, вступившая на путь превращения в клетку одного из более чем 220 известных цитофенотипов.
In vivo (в живом организме) клетка может стать и оставаться стволовой только в соответствующем микроокружении (клетки-соседи, межклеточное вещество). В культуре – при соответствующем составе культуральной среды и свойствах поверхности культурального сосуда; иногда необходимо присутствие других клеток – так называемых фидерных клеток.
Критерии «стволовости»»
1. Способность к неограниченному самовоспроизведению без изменения фенотипа и кариотипа.
2. Способность делиться симметрично или асимметрично.
3. Клоногенность, т.е. способность каждой ЭСК давать потомство, тождественное материнской клетке.
4. Способность к дифференцировке – потентность: тотипотентность, плюрипотентность, мультипотентность, олигопотентность, монопотентность.
5. Способность встраиваться в ткани донора после ауто- или аллотрансплантации.
У человека и млекопитающих выделяют: эмбриональные стволовые клетки, региональные стволовые клетки: пренатальные и постнатальные (взрослые) и зародышевые (герминальные) клетки.
Всё эти особенности легли в основу современной регенеративной медицины.
Однако до сих пор вклад различных механизмов в действительно значительный эффект, достигаемый при трансплантации различных стволовых клеток, остаётся невыясненным. В частности, ученые до сих спорят, что действует сильнее — встраивание стволовых клеток в поврежденный орган или же влияние их на сохранившиеся в целостности клетки.
Теперь жаждущим истины ученым придётся выбирать среди трёх механизмов – список пополнился «слиянием», «переоткрытым» Хелен Блау и её коллегами по Стэнфордскому университету (внесен Минюстом в перечень нежелательных в России организаций).
Они показали, что, когда начинается хроническое воспаление, клетки-предшественники устремляются в головной мозг и сливаются с определенным типом нервных клеток в 100 раз чаще, чем ранее считалось.
клетки, содержащие два или более ядер, несущих различные генотипы, которые получаются при слиянии соматических клеток.
В природе образование гетерокарионов распространено у многих видов грибов как одна из регулярных фаз жизненного цикла и возникает при анастомозах гиф разных мицелиев, что ведёт к обмену цитоплазмой и ядрами через анастомоз. Такая ядерная гетерогенность – гетерокариоз – имеет адаптационную ценность, так как в случае наличия в клетке ядер, различающихся по нескольким парам аллелей, приводит к гетерозиготности, что позволяет компенсировать эффект рецессивных мутаций. Гетерокариоз играет также важную роль в размножении грибов, так как у многих групп половой процесс начитнается с конъюгации генетически различных гифов.
Гетерокарионы могут быть получены искусственно слиянием клеток растений либо животных, обработкой клеток животных либо протопластов агентами, вызывающими слияние цитоплазматических мембран и, соответственно, слияние цитоплазм. В качестве агентов, вызывающих слияние, могут использоваться некоторые вирусы (например, вирус Сендай) либо поверхностно-активные вещества (лизолецитин, полиэтиленгликоль).
При первом делении гетерокарионы, образованные из клеток животных, могут образовывать одноядерные клетки, при этом случайным образом утрачивается часть хромосом одной или обеих родительских клеток (образование анеуплоидов). Так, деление клеток содержащих гетерокарионы клеток человека и грызунов сопровождается потерей большей части хромосом человека с частым сохранением полного набора хромосом грызуна. Для культур таких гибридных клеток характерна изменчивость числа хромосом в пределах одной линии, то есть в этом случае линия характеризуется не стабильным кариотипом, а модальным числом хромосом – то есть наиболее частым числом хромосом в линии.
Гетерокарионы высших растений, образующихся при слиянии протопластов различных видов, кроме образования анеуплоидов, могут давать новые гибридные ядра, сохраняющие оба набора хромосом, то есть образовывать амфиполиплоиды. Такие клетки, полученные слиянием соматических клеток и способные к дальнейшему делению, называют соматическими гибридами.
Но регуляторные механизмы заставляют ядро клетки-предшественника экспрессировать ранее «молчащие» гены, характерные именно для нервной ткани.
Как справедливо отметили ученые в своей работе, принятой к публикации в Nature Biology, этот эффект уже был замечен для гемопоэтических клеток в паре с нейронами, клетками печени и скелетной мускулатуры. Однако внимания на него не обратили — слишком мала была частота явления, даже в условиях повреждения ткани-мишени. Ученые решили, что этот феномен не обладает реальной биологической значимостью.
Блау и её коллеги сконцентрировались на клетках Пуркинье — огромных нейронах, располагающихся в одном из слоев коры мозжечка. Прежде к особенностям клеток Пуркинье помимо огромного размера, выделяющего их даже среди нейронов, относили большое количество межклеточных контактов и полное отсутствие способности к регенерации. Теперь выяснилось ещё одно их свойство — способность сливаться с клетками-предшественниками из крови и костного мозга.
Учёные обнаружили явление благодаря новому методу изучения слияний клеток.
Предыдущие эксперименты по изучению этого явления на мышах заключались в использовании сублетальных доз радиации, которые не убивают животное, но полностью уничтожают костный мозг. После этого облученной мышке пересаживают костный мозг от грызуна той же линии, обладающего таким же генетическим материалом, — это классический эксперимент 60-х годов, отличающийся только новым методом поиска. В ядра пересаживаемых клеток добавляют ген зеленого флуоресцирующего белка, который позволяет легко находить пересаженные в костный мозг и мигрировавшие в другие органы гемопоэтические клетки.
Этот эксперимент обладает существенным недостатком. Облучение — значительный стресс для организма, приводящий к нарушению естественного полупроницаемого — так называемого гемато-энцефалического — барьера между кровью и головным мозгом. С точки зрения иммунологии в здоровом организме клетки крови вообще не должны проникать в нервную ткань.
Клетки крови играют ключевую роль в доставке кислорода к тканям, защитных реакциях организма и гемостазе. Эритроциты живут в среднем 120 суток, тромбоциты - 7-10 суток, а гранулоциты - всего 6-8 часов. Дольше всех (иногда - годами) могут жить лимфоциты , однако лимфопоэз неэффективен - лишь около 5% клеток в процессе созревания проходят отбор в костном мозге и тимусе и попадают в кровь.
Ежедневно в организме взрослого человека весом 70 кг погибают более полутриллиона дифференцированных клеток, включая 200 миллиардов эритроцитов и 70 миллиардов нейтрофилов .
В норме скорость образования клеток крови равна скорости разрушения, но в ответ на увеличение потребности один или несколько клеточных ростков гиперплазируются .
Таким образом, поддержание постоянства состава крови требует непрерывного образования новых клеток. Этот процесс называется кроветворением. Он обеспечивается стволовыми кроветворными клетками - небольшой (0,01%) фракцией костномозговых клеток, из которых возникают все клетки крови.
Гематопоэз – это процес генерации зрелых клеток крови , которых за день организм человека производит не много не мало 400 миллиардов. Гематопоэтические клетки происходят от очень небольшого числа тотипотентных стволовых клеток , которые дифференцируются, давая все линии клеток крови. Тотипотентные стволовые клетки наименее специализированы. Более специализированы плюрипотентные стволовые клетки. Они способны дифференцироваться, давая только определенные линии клеток. Различают две популяции плюрипотентных клеток - лимфоидные и миелоидные.
Лимфоидные плюрипотентные клетки дают при дифференцировке В- и Т-лимфоциты.
Миелоидные - дают множество клеток, включая эритроциты, нейтрофилы, моноциты, переходящие в макрофаги, дендритные клетки, которые, играют очень важную роль в иммунном ответе, и являются антиген представляющими клетками , эозинофилы, базофилы и мегакариоциты, дающие в свою очередь тромбоциты (Platelets). Эти клетки являются зрелыми. Они уже неспособны к пролиферации. Между плюрипотентными и зрелыми клетками находятся еще более, чем плюрипотентные клетки, специализированные прогениторные клетки (progenitor cells). Однако они также способны к значительной пролиферации.
Лимфоидная линия (lineage) включает в себя В- и Т-клеточные линии. Миелоидная линия включает эритроидную, гранулоцитную (дающую нейтрофилы, предназначенные для борьбы с инфекцией), макрофаговую ( дающую макрофаги), дендритную и мегакариотическую линии. Первичным местом гематопоэза является красный костный мозг .
При угнетении кроветворения симптоматика появляется по мере убыли нормальных клеток. Так как первыми исчезают гранулоциты , вначале снижается устойчивость к инфекциям; позднее присоединяется тромбоцитопеническая кровоточивость . Бледность , слабость и одышка при нагрузке (результат убыли эритроцитов ) появляются в последнюю очередь.
Образование кровяных клеток (гемопоэз) по необходимости подвергается сложному контролю, при котором количество клеток каждого типа регулируется индивидуально, в соответствии с меняющимися потребностями.
Через 38 недель более половины всех клеток крови такой «химеры» становились «зелёными». После этого сроднившихся мышек разделяли, но в крови необлученного партнера оставалось достаточно зеленых клеток-предшественников, число которых постепенно уменьшалось со временем. Этих клеток-предшественников было достаточно для продолжения образования гетерокарионов с клетками Пуркинье. Правда, число их оставалось небольшим — всего лишь несколько десятков на весь мозжечок.
Однако у некоторых особей это число превысило несколько сотен, а в отдельных случаях измерялось тысячами.
Когда ученые стали разбираться, в чем причина такого стократного увеличения, то обнаружили, что все «исключительные» мыши больны тяжелым аутоиммунным заболеванием — идиопатическим язвенным дерматитом, проявляющимся на коже, но сказывающимся и на всей иммунной системе, а это миллиарды клеток по всему организму.
В итоге экспериментаторы получили в свои руки новый, весьма эффективный инструмент для влияния на свойства тканей, органов и отдельных клеток, а теоретики от биологии и медицины получили новую головную боль: причина обнаруженного явления до сих пор не известна.
Ну а обычные люди не теряют надежду, что с объяснением механизма работы стволовых клеток регенеративная медицина станет работать лучше и для большего числа людей. Пока её успехи сродни скорее слепому поиску, чем движению к намеченной издалека цели.
