Инструменты биотехнологии: стволовые клетки

Начало брошюры см. здесь.

Взрослые и эмбриональные стволовые клетки

После рождения ткани организма, образовавшиеся в результате дифференцировки клеток эмбриона, в основном состоят из специализированных клеток, не способных к делению. Но часть клеток остаются не до конца дифференцированными. В случае необходимости такие взрослые стволовые клетки делятся надвое. Одна из образовавшихся при этом клеток дифференцируется и превращается в клетку, необходимую ткани для восстановления целостности (например, в случае травмы) или замещения клеток, умерших «естественной смертью» – в результате апоптоза. Вторая клетка остается недифференцированной. Это дает организму возможность замещения поврежденных клеток или поддержания необходимого количества клеток определенных типов, например, красных и белых клеток крови.

Эмбриональные стволовые клетки обладают гораздо большей пластичностью, чем взрослые: они способны превращаться в клетки любого типа ткани. Впервые стволовые клетки мышиного эмбриона были выделены и культивированы в 1950-х годах. Они были получены из клеток половых зачатков 12-дневного мышиного эмбриона, которые впоследствии, у взрослого животного, должны были превратиться в мышиные яйцеклетки или сперматозоиды. В 1981 году был найден другой источник эмбриональных стволовых клеток, обладающих абсолютной дифференцировочной пластичностью, – клетки четырехдневного мышиного эмбриона.

В конце 1990-х исследователи смогли выделить эмбриональные стволовые клетки из аналогичных человеческих источников: первичных половых клеток и пятидневных эмбрионов. Недавно ученым удалось выделить плюрипотентные стволовые клетки из человеческой плаценты, полученной в результате нормальных родов. В зависимости от состава питательной среды такие клетки могут трансформироваться в клетки различных тканей.

В результате исследований эмбриональных и взрослых стволовых клеток можно получить ответы на критические вопросы клеточной дифференцировки: какие факторы определяют роль неспециализированных стволовых клеток? Насколько пластичны взрослые стволовые клетки? Реально ли подобрать определенную комбинацию факторов, необходимых для трансформации взрослых стволовых клеток в клетки различных тканей? Почему стволовые клетки сохраняют способность к неограниченному делению? Является ли фактор, обеспечивающий продолжительную способность эмбриональных стволовых клеток к делению, причиной неконтролируемого деления злокачественных клеток? Если это так, не приведет ли трансплантация эмбриональных клеток к развитию опухоли?

Ответы на эти и другие вопросы должны установить допустимые границы терапевтического потенциала эмбриональных и взрослых стволовых клеток. Только получив точную комбинацию факторов, контролирующих клеточное деление и развитие, мы можем заняться перепрограммированием стволовых клеток и их использованием в терапевтических целях.

Культуры стволовых клеток позволили исследователям сделать первые шаги на пути к расшифровке сложной и уникальной комбинации факторов окружающей среды, молекулярных сигналов и внутреннего генетического программирования, решающих судьбу клетки. Ученые смогли направить дифференцировку стволовых клеток в различных направлениях с помощью специфических ростовых факторов. Например, для стимуляции дифференцировки стволовых клеток нервной системы в определенный тип нейронов требуется добавить в среду определенное количество витамина А.

Наиболее универсальный тип взрослых стволовых клеток – мезенхимальные стволовые клетки – при наличии в культуральной среде подходящей комбинации ростовых факторов и питательных веществ, могут дифференцироваться в клетки, по крайней мере, трех типов: жировые, костные и хрящевые. При этом надо учитывать не толко состав питательной среды, но и физические факторы. Например, для превращения в клетки жировой ткани мезенхимальные стволовые клетки должны контактировать друг с другом. А при слишком высокой плотности невозможно добиться их трансформации в костные клетки, даже при наличии в среде всех необходимых питательных веществ и ростовых факторов.

Недавно исследователи продемонстрировали, что некоторые типы мезенхимальных стволовых клеток в условиях организма могут обладать даже бОльшей дифференцировочной пластичностью. При введении в мышиный эмбрион такие клетки превращались практически во все типы клеток. Специалисты университета Джонса Хопкинса (штат Мэриленд, США) недавно начали первое в США клиническое испытание использования взрослых мезенхимальных стволовых клеток с целью восстановления сердечной мышцы, поврежденной в результате инфаркта.

Терапевтическое клонирование

Существует еще один альтернативный подход к разработке методов клеточной терапии. Этот подход подразумевает не направление событий, происходящих в клетке, в нужное русло с целью получения определенных типов клеток, а дедифференцировку клеток. Какие же факторы могут вернуть дифференцированную клетку в эмбриональное состояние, характеризующееся абсолютной пластичностью? До появления овцы Долли мы даже не могли представить себе возможность возникновения такого вопроса, и тем более – существование разумного ответа на него.

Некоторое время назад специалисты склонялись к тому, что специализированные клетки животных не могут вернуться в недифференцированное состояние, утраченное ими в течение первых нескольких дней после того, как оплодотворенная яйцеклетка начала делиться. (Следует отметить, что специализированные растительные клетки сохраняют способность к деспециализации.) Считалось, что ген, инактивированный в процессе дифференцировки, не может вернуться в функциональное состояние. Появление Долли доказало ошибочность этого мнения. Использованная при этом процедура, получившая название перенос ядра соматической клетки, заключается в удалении из неоплодотворенной яйцеклетки ядра и замене его ядром полностью дифференцировавшейся соматической клетки. В результате принадлежность клетки к какому-либо типу (в случае Долли – клетки молочной железы взрослой овцы) полностью стирается и яйцеклетка развивается в животное, идентичное тому, от которого была получена клетка-донор ядра.

Появление Долли продемонстрировало возможность удаления генетической программы ядра специализированной соматической клетки и его перепрограммирования в лабораторных условиях методом помещения в яйцеклетку. В течение 5-6 дней яйцеклетка развивается в эмбрион, генетически идентичный животному-донору. Клетки этого эмбриона могут быть использованы для получения любого типа ткани, которая при пересадке не будет отторгаться организмом донора ядра. Этот метод вполне может быть использован для выращивания клеток и тканей для заместительной терапии.

Существуют также данные, согласно которым недостаток питательных веществ возвращает дифференцированные клетки крови в состояние, близкое к состоянию стволовых клеток. С затратой определенных усилий исследователям удалось трансформировать такие клетки в клетки нервной и печеночной тканей, а также в кровеносные сосуды, состоящие из двух типов клеток, сильно отличающихся по выполняемым функциям: мышечных клеток, отвечающих за сокращение сосудистой стенки, и клеток, выстилающих внутреннюю поверхность сосуда и обеспечивающих обмен веществ между кровью и окружающими тканями. Кроме того, ученым удалось дедифференцировать высокоспециализированные нервные клетки в стволовые, которые впоследствии были перепрограммированы на превращение в множество других типов клеток, встречающихся в нервной системе. Дальнейший прогресс в этой области со временем сможет устранить необходимость использования эмбриональных клеток в исследовательских целях.

Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.