Биомедицина теория

клеток, существующим в организме человека). Было установлено, что ростки здоровой донорской мезенхимальной ткани исправляют врожденные аномалии метаболизма мозга в случае болезни Гоше, других болезней накопления липидов, ганглиозидов или углеводов. Ho, к сожалению, открытие советских ученых не получило признания за рубежом. А через некоторое время американцы «вновь открыли» мезенхимальные клетки.

Мобилизация мезенхимальных стволовых клеток

Основным источником мезенхимальных стволовых клеток является костный мозг, гемопоэтические стволовые клетки которого в организме млекопитающих постоянно дифференцируются в клетки крови и иммунной системы, тогда как мезенхимальные стволовые клетки представлены немногочисленной популяцией фибробластоподобных клеток стромы костного мозга и способствуют сохранению недифференцированного состояния кроветворных стволовых клеток. В определенных условиях мезенхимальные стволовые клетки дифференцируются в клетки хрящевой и костной ткани. Кроме того, они обнаружены в жировой ткани, мышечной ткани и ряде других тканей с хорошим кровоснабжением. Существует ряд доказательств того, что естественная тканевая ниша МСК расположена периваскулярно – вокруг кровеносных сосудов. МСК также были обнаружены в пульпе молочных зубов, амниотической (околоплодной) жидкости, пуповинной крови. Эти источники пока редко применяются на практике, но продолжают исследоваться. В настоящее время установлено, что CK молочных зубов обладают способностью преобразовываться в одонтобласты, и с их помощью становится возможным восстановление зубов (вместо пломбирования). Сотрудники Национального института здравоохранения США (National Institutes of Health) обнаружили, что выпавшие детские зубы могут служить «этически чистым» источником CK. Кроме того, возможно преобразование CK молочных зубов в нервные и жировые, а значит, появляется возможность с их помощью лечить болезни, связанные с патологией нервных клеток.

Мезенхимальные клетки формируют соединительную ткань по всему организму. Эти клетки способны трансформироваться в кардиомиоциты, скелетные и гладкомышечные миоциты, фибробласты, остеобласты, хондроциты, адипоциты, эндотелиальные и другие типы клеток. Таким образом, открытие мезенхимальных стволовых клеток с их неожиданными свойствами создает новую концептуальную схему развития клеточных линий. Однако для понимания биологической роли стромальных стволовых клеток, их природы, способности к трансдифференцировке или дедифференцировке, их физиологического значения в процессе эмбрионального развития, постнатального роста, созревания и старения, а

81

также при заболеваниях человека необходимы дальнейшие междисциплинарные исследования.

Наиболее полно изучены МСК, полученные из костного мозга, установлен спектр их поверхностных маркеров, изучены адгезивные свойства, способность дифференцироваться в другие клетки мезенхимального ряда (в жировой ткани, мышцах, хрящах и костях) при действии факторов дифференцировки.

Теоретически количество МСК, определяемых в жировой нише, сопоставимо (и даже может превышать) с таковым в костном мозге. Однако их способность к мобилизации МСК из жирового депо, по-видимому, ограничена. Являются ли МСК костного мозга и жировой ткани идентичными по своим морфофункциональным свойствам, остается малопонятным. В частности, их антигенный состав не идентичен. Кроме того, между ними имеются различия в кинетике роста и качественного состава колоний. Исследования, проведенные с использованием клонированных клеток, выделенных из насыщенного жиром костного мозга, подтвердили предположение, что исходные клетки, находящиеся в жировой ткани, обладают большим потенциалом дифференциации. Установлено, что исходные клетки, находящиеся в жировой ткани, способны дифференцироваться в адипоциты и остеобласты. Появились единичные сведения о возможности части МСК жировой ткани формировать кардиомиоциты. Кроме того, стромальные клетки жировой ткани секретируют факторы, стимулирующие ангиогенез, и ингибируют апоптоз. Это может быть использовано в дальнейшем при комбинированном введении МСК, выделенных из костного мозга и подкожной клетчатки, для усиления эффективности проведения клеточной терапии. Однако эти данные требуют проверки и более углубленного исследования.

Стромальное микроокружение для мезенхимальных стволовых клеток

Поддержание жизнедеятельности СК любого генеза осуществляется не только дистантными механизмами (гормонами, цитокинами, нервными импульсами и т.п.). но и локальным микроокружением той или иной ткани. Каждая ткань имеет свое специфическое микроокружение, среди которого достаточно условно можно выделить гуморальный и клеточный компоненты. Они во многом определяют дальнейшую судьбу СК, попадающих в ту или иную зону индуцирующего микроокружения. Особенностью мезенхимопоэза является то, что клетки сами создают для себя базовую основу для микроокружения.

Стромальное микроокружение, по-видимому, контролирует процесс ассиметричного деления, характерного для мультипотентных клеток, в частности, МСК и ГСК. Помимо этого, стромальное микроокружение вырабатывает факторы, являющиеся своеобразным счетчиком, определяющим ко-

82

личество делений стволовых клеток. Очевидно, этот механизм реализуется с участием теломеразы.

Стромальное микроокружение не ограничивается только элементами, входящими в состав костного мозга стромальных механоцитов, эндотелия, резидентных макрофагов, остеобластов, но, особенно при экстремальных воздействиях (стресс, воспаление, некроз, инфаркт и т.п.), может принимать в свой состав и другие клетки, в частности Т-лимфоциты и макрофаги. Вместе они создают динамическую систему, способную к стимуляции, супрессии, сужению или расширению плацдарма стромального микроокружения. Так, в экспериментах на животных было показано, что стресс сопровождается активацией стромального микроокружения, которую можно регистрировать путем переноса костного мозга под капсулу почки. В результате формируется новый очаг кроветворения за счет пролиферации и дифференцировки стромальных клеток, переносящих гемопоэзинду-цирующее микроокружение. Способно ли стромальное микроокружение, по аналогии с гемопоэзом, обладать индуцирующими по отношению МСК свойствами практически не известно.

Исследование свойств мезенхимальных стволовых клеток и эффектов их действия

Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения МСК является трансплантация совместно с ГСК в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови. Многочисленные исследования показали, что МСК человека могут избегать отторжения при трансплантации, вступать во взаимодействие с дендритными клетками и Т-лимфоцитами и создавать иммуносупрессивную микросреду посредством выработки цитокинов. Было доказано, что иммуномодулирующие функции МСК человека повышаются, когда их пересаживают в воспалённую среду с повышенным уровнем гамма-интерферона. Другие исследования противоречат этим выводам, что обусловлено гетерогенной природой изолированных МСК и значительными различиями между ними, в зависимости от способа культивирования.

МСК могут быть активированы в случае необходимости. Однако эффективность их использования относительно низка. Так, к примеру, повреждение мышц даже при трансплантации МСК заживает очень медленно. В настоящее время проводятся исследования по активации МСК. Ранее проведённые исследования по внутривенной трансплантации МСК показали, что этот способ трансплантации часто приводит к кризу отторжения и сепсису. Сегодня признано, что заболевания периферических тканей, например, воспаление кишечника лучше лечить не трансплантацией, а методами, повышающими локальную концентрацию МСК.

83

Когда какой-либо орган поврежден, МСК способны дифференцироваться в тканевые элементы, поддерживать образование новых сосудов, синтезировать цитокины и факторы роста, тем самым стимулируя регенерацию и восстановление поврежденной ткани. Восстановительный потенциал МСК установлен при многих нозологических формах, включая такие сложные заболевания, как диабет, инсульт и паркинсонизм. Подобную роль играют МСК и в опухоли, где они выполняют свои восстановительные функции, дифференцируясь в опухолевые фибробласты и перициты и, возможно, в эндотелиоподобные или эндотелиальные клетки. Помимо перечисленного, МСК обладают иммуносупрессивным действием.

Пересадки мезенхимальных стволовых клеток в паренхиму мозга животных показали, что донорские незрелые клетки трансформируются как в популяции нейронов, так и глии. Приживление нейрональных производных здоровой донорской мезенхимальной ткани теоретически делает возможной коррекцию генетических аномалий метаболизма мозга у пациентов с болезнью Гоше и другими нарушениями обмена липидов, ганглиозидов или углеводов.

Продолжается экспериментальный поиск условий трансдифференцировки стволовых клеток стромы костного мозга в клеткипредшественники нервной и печеночной ткани. Внимание исследователей сосредоточено на комбинациях индукторов дифференцировки и специальных кондиционных средах.

Вклинике использование производных мезенхимальных стволовых клеток связано, прежде всего, с восстановлением тканевых дефектов, возникающих при обширных и глубоких термических поражениях кожи. На доклиническом этапе была проведена экспериментальная оценка целесообразности применения аллогенных фибробластоподобных мезенхимальных стволовых клеток для лечения глубоких ожогов. Показано, что фибробластоподобные мезенхимальные стволовые клетки костного мозга образуют в культуре монослой, что дает возможность трансплантировать их с целью оптимизации процессов регенерации глубоких ожоговых ран.

Вцелом, литературные данные о перспективах клинического применения мезенхимальных стволовых клеток выглядят достаточно оптимистично. Предпринимаются попытки использования аутологичных костномозговых мультипотентных мезенхимальных клетокпредшественников для лечения дегенеративных поражений суставов. Проводятся первые клинические испытания применения культивируемых мезенхимальных прогениторных клеток в терапии сложных переломов кости. Ауто- и аллогенные мезенхимальные клетки стромы костного мозга используются для создания хрящевой ткани с целью трансплантации при коррекции дефектов суставного хряща вследствие травмы или ауто-

84

иммунных поражений. Отрабатываются методики клинического применения мультипотентных мезенхимальных клеток-предшественников для устранения костных дефектов у детей с тяжелой формой незавершенного остеогенеза, вызванной мутациями гена коллагена I типа.

Продолжается совершенствование методик генетической модификации донорских мезенхимальных стволовых клеток с целью коррекции генетических дефектов стромальных тканей. Предполагается, что уже в ближайшее время мезенхимальные клетки-предшественники будут использоваться в неврологии для направленной химеризации клеток мозга и создания здорового пула клеток, способного генерировать дефицитный фермент или фактор, ответственный за клинические проявления заболевания. Трансплантация мезенхимальных стволовых клеток может использоваться для восстановления стромы костного мозга у онкологических больных после радио- и химиотерапии, а в сочетании с костномозговыми клетками – для восстановления гемопоэза.

В клинической трансплантологии мезенхимальные стволовые клетки человека могут быть использованы для обеспечения экспансии гемопоэтических стволовых клеток, а также их ранних прекоммитированных потомков. В частности, введение аутологичных гемопоэтических стволовых клеток и MCK онкологическим больным после проведения высокодозовой химиотерапии ускоряет восстановление количества нейтрофилов и тромбоцитов в периферической крови. Алло- и аутогенные пересадки мезенхимальных стволовых клеток применяются для лечения множественной миеломы, апластической анемии и спонтанной тромбоцитопении – заболеваний, связанных с первичным дефектом стромы кроветворной ткани. Эффективность клеточной терапии при онкогематологической патологии во многих случаях выше при одновременном введении стромальных и гемопоэтических стволовых клеток, что проявляется сокращением послеоперационного периода восстановления кроветворения, снижением числа летальных исходов вследствие неселективного разрушения регионарных и циркулирующих раковых клеток, при котором погибают и собственные прогениторные кроветворные клетки больного. Перспективность применения MCK и других мультипотентных мезенхимальных клеток-предшественников в клинической практике обусловлена относительной легкостью получения их из аспиратов костного мозга, экспансии в культуре и трансфекции терапевтических генов. При этом для восполнения местных тканевых дефектов можно использовать локальную имплантацию мультипотентных мезенхимальных клетокпредшественников, а при системных дисфункциях тканей мезенхимального происхождения не исключается их введение в общий кровоток.

Другими словами, мезенхимальные стволовые клетки проявляют трансгермальную пластичность – способность дифференцироваться в

85

клеточные типы, фенотипически не связанные с клетками первоначальной ткани. При этом некоторые аспекты биологии стромальных клеток костного мозга остаются неясными и нерешенными как в общебиологическом плане, так и в отдельных деталях, включающих идентификацию, природу, происхождение, развитие и функцию in vivo стромальных клеток костного мозга, а также допустимый потенциал дифференциации ex vivo и возможности терапевтического применения in vivo. Полученные данные о потенциальных возможностях МСК, как и результаты исследований регенераторного потенциала прочих стволовых клеток, вступают в резкое противоречие с установленными в биологии догмами.

Мезенхимальные стволовые клетки и стимуляция роста опухолей

Имеются убедительные данные об индукции и стимуляции МСК опухолевых процессов в организме. МСК могут взаимодействовать с опухолевыми клетками с помощью разных механизмов: напрямую или опосредованно через гуморальные факторы; через процессы ангиогенеза в опухоли, а также путем модификации микроокружения опухоли. МСК могут взаимодействовать с резидентными клетками опухолей – с Т- и В-лимфоцитами, естественными киллерами и макрофагами. МСК могут подавлять и стимулировать опухолевый процесс в зависимости от многих обстоятельств. Важным вопросом является «возраст» МСК: если первоначально связывали стимуляцию опухолевого роста с эмбриональными клетками, то в настоящее время склонны считать, что МСК взрослых имеют больший онкогенный потенциал. Кроме того, показано, что на одних и тех же линиях опухолевых клеток можно с помощью МСК как стимулировать, так и подавлять рост опухолей. Совместное и раздельное введение МСК и опухолевых клеток вызывает разное по направленности действие на рост опухоли. И наконец, важное значение в ряде случаев играет доза МСК, а точнее – соотношение между ними и опухолевыми клетками: большие дозы МСК тормозят рост опухолей, вызывают апоптоз эндотелиальных клеток, тогда как малые, наоборот, стимулируют ангиогенез и быстрый рост опухоли.

Таким образом, сегодня единого представления о механизме действия МСК на опухолевый процесс еще нет.

Перспективы применения стволовых клеток

Стволовые клетки, по мнению значительной части ученых, могут иметь революционное практическое значение в медицине. Во-первых, они позволят повысить эффективность исследований ранних стадий развития эмбриона на молекулярно-биологическом уровне. Традиционные пренатальные исследования сталкиваются, как известно, с целым рядом практических трудностей. Исследование же стволовых клеток, физически находя-

86

щихся вне женской утробы, поможет более наглядно проследить и лучше понять возникающие на этой стадии аномалии. Здесь можно изучить все факторы, которые приводят к возникновению аномалий в дифференциации клеток (например, воздействие тератогенов). Во-вторых, стволовые клетки открывают новые и более безопасные возможности для испытания лекарственных препаратов. Искусственно выращенные клетки сердца, кожи, печени, почек и т.д. будут использоваться для проверки медикаментов на токсичность еще до клинических испытаний на взрослых людях.

Однако главная область приложения стволовых клеток – это биомедицина. Стволовые клетки, если ими удастся манипулировать именно так, как хотелось бы современным ученым, расширят само определение медицины, обозначив переход от профилактики или сдерживания симптомов заболеваний (что составляет традиционную задачу медицинской практики) к «регенеративной» медицине, т.е. восстановлению утраченных жизненных функций органов. Стволовые клетки, по мнению многих специалистов, способны произвести революцию в лечении многочисленных, в настоящее время считающихся неизлечимыми нарушений и заболеваний нервной системы: болезней Паркинсона, Альцгеймера, Хантингтона, рассеянного склероза и других нейродегенеративных заболеваний. Выращенные из стволовых клеток нервные ткани, в принципе, способны заменить разрушенный участок нервной ткани больного. Полученные из стволовых клеток нейроны можно имплантировать в спинной мозг для лечения параличей. Культивированная в лаборатории ткань сердечной мышцы может восстановить нормальную работу сердца при инфаркте. Искусственно выращенные хрящевые ткани таят в себе перспективы лечения остеоартрита. При помощи этих новых технологий могут быть восполнены потерянные в результате травмы или хирургической операции фрагменты кости. Инъекции кровеобразующих стволовых клеток с заранее запрограммированными характеристиками могут заменить применяемые ныне трансплантации костного мозга при лечении рака крови. Аналогичные методы могут совершить прорыв в лечении разнообразных нарушений иммунной системы, в том числе СПИДа. В лечении диабета вырабатывающие инсулин островковые клетки, полученные из эмбриональных стволовых клеток, могут решить насущную и повсеместную проблему недостатка трансплантабельных тканей и отторжения чужих тканей. Это всего лишь некоторые из возможных вариантов применения стволовых клеток в биомедицине.

До сих пор большинство методов лечения находится на стадии лабораторных и клинических испытаний, но некоторые из них уже завоевали свое место в клинической практике.

Наиболее привлекательными для использования в практической медицине видятся эмбриональные стволовые клетки, получаемые из бластоциста. Они наименее дифференцированы и, соответственно, наиболее плюри-

87

потентны. Но использование этих клеток неизбежно поднимает целый ряд социальных и этических вопросов и запрещено во многих странах мира. Стволовые клетки взрослого организма обладают ограниченным потенциалом дифференцировки, но, с точки зрения этики, являются более приемлемым для клинического использования материалом.

Пристальное внимание ученых, врачей и общественности к проблеме изучения биологии стволовой клетки обусловлены, прежде всего, высокими потенциальными возможностями клеточной, или регенеративнопластической терапии.

Применение стволовых клеток для лечения и профилактики широкого спектра заболеваний привело к активному развитию клеточных технологий. В настоящее время в развитых странах созданы и функционируют многочисленные медицинские клиники различной специализации, которые используют стволовые клетки.

Широко используется терапия стромальными клетками в ортопедии. Это связано с существованием особых белков, так называемых BMP (костные морфогенетические белки), которые индуцируют дифференцировку стромальных клеток в клетки костной ткани – остеобласты. Клинические испытания в этом направлении дали многообещающие результаты. Например, в США 91-летней пациентке с незаживающем в течение 13 лет переломом вживили специальную коллагеновую пластинку с нанесенными на нее BMP. Поступающие в зону перелома стромальные клетки «притягивались» к пластинке и под влиянием BMP превращались в клетки костной ткани. Через 8 месяцев после установки такой пластинки сломанная кость у больной восстановилась. Сейчас в США проходят испытания и скоро начнут широко применяться в клинике специальные пористые губки, наполненные одновременно и стромальными клетками, и нужными индуцирующими веществами, направляющими развитие клеток по требуемому пути.

Общий биологический механизм, лежащий в основе действия стволовых клеток, позволяет надеяться, что со временем ученым удастся изменить большинство подходов современной медицины, заменяя их на более эффективные и щадящие методы лечения. Но главное достижение науки в этой области на сегодняшний день в том, что появилась надежда на излечение у тех людей, у которых ее раньше не было, например, при травматической болезни спинного мозга, при инсультах, ишемиях конечностей, грозящих ампутациями, и многих других заболеваниях.

Однако не стоит забывать о том, что во многом механизмы эффектов, трансплантированных СК остаются малопонятными, и часто практическое использование метода опережает научную часть разработок. Генетические потенции резервных стволовых клеток взрослых тканей только начинают изучаться.

88

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Электронный каталог Научной библиотеки ВГУ –

(http://www.lib.vsu.ru)

2.Лисяный Н.И. Мезенхимальные стволовые клетки и канцерогенез /

Н.И. Лисяный // Онкология. – 2013. – Т. 15, № 1. – С. 4–8.

3.Шахов В.П. Стволовые клетки и кардиомиогенез в норме и патологии / В.П. Шахов, С.В. Попов ; под ред. В.П. Шахова. – Томск : STT, 2004. – 170 с.

4.Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик, Дж. Пастернак. – М. : Мир, 2002. – 589 с.

5.Иллариошкин С.Н. ДНК-диагностика и медико-генетическое консультирование / С.Н. Иллариошкин. – М. : Медицинское информационное агентство, 2004. – 207 с.

6.Киселев С.Л. Современная генная терапия: что это такое и каковы ее перспективы? / С.Л. Киселев // Практическая онкология. – Т. 4, № 3. – 2003. – С. 167–174.

7.Примроуз С. Геномика. Роль в медицине / С. Примроуз, Р. Тваймен. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 277 с.

8.Коничев А.С. Молекулярная биология / А.С. Коничев, Г.А. Севасть-

янова. – М. : Academia, 2003. – 400 с.

89

Учебное издание

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОМЕДИЦИНА

Часть 1

Учебное пособие для вузов

Составители: Сафонова Ольга Анатольевна, Агарков Александр Алексеевич,

Лущик Марина Валерьевна, Семенихина Анастасия Владимировна, Попова Татьяна Николаевна

Редактор И.Г. Валынкина Компьютерная верстка О.В. Шкуратько

Подписано в печать 23.12.2014. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 5,3. Тираж 50. Заказ 637

Издательский дом ВГУ. 394000, г. Воронеж, пл. Ленина, 10

Отпечатано в типографии Издательского дома ВГУ. 394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3

90