Тоти-, плюри - и мультипотентные клетки

Как идентифицировать стволовые клетки? Несмотря на то, что в мире пока нет полного согласия между учеными исследователями о том, как идентифицировать стволовые клетки, большинство тестов основано на доказательстве тех фактов, что стволовые клетки недифференцированны и обладают способностью к самообновлению. Такое тестирование можно провести в лабораторных условиях. Один из методов тестирования клеток костного мозга или гемопоэтических клеток представляет собой стандартную процедуру, когда одна клетка трансплантируется в среду, в которой отсутствуют гемопоэтические стволовые клетки. Если клетка продуцирует новые кровяные и иммунные клетки, тем самым она демонстрирует свою потентность.

Кроме того, существуют клоногенные техники, включающие в себя in vitro тестирование, показывающее, способны ли клетки дифференцироваться и самообновляться. Исследователи также могут изучить клетки по микроскопом и посмотреть, здоровы ли они, дифференцированы или нет, кроме того, можно обследовать хромосому.

Для того, чтобы понять, являются ли эмбриональные стволовые клетки плюропотентными, исследователи дают возможность этим клеткам дифференцироваться спонтанно в клеточной среде, можно также манипулировать ими и заставить их дифференцироваться и формировать специализированные клеточные типы.

Современный интерес к стволовым клеткам (СК) как объекту биологических и медицинских исследований существенно активировался за последние годы вследствие, по крайней мере, трех событий: 1) увеличения продолжительности жизни и роста числа возрастных заболеваний, лечение которых связано с регенеративной терапией, например рака, болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и других; 2) открытию в биологии, которое показало, что рак возникает из клеток, обладающих свойствами СК, так называемых ≪раковых стволовых клеток≫, которые и должны быть мишенями его терапии; 3) открытию феномена пластичности СК, который лежит в основе трансдифференцировки СК в зрелые клетки другой тканевой специфичности. Таким образом, трансплантация СК крови может быть эффективным средством лечения заболеваний кроветворной и некроветворных тканей, например инфаркта миокарда, болезни Паркинсона, сахарного диабета и других.

В практической медицине лечение с использованием регенеративного потенциала СК основано на их получении из мест естественного обитания в организме донора, так называемых ниш стволовых клеток. В некоторых случаях СК донора культивируются вне организма с целью их наработки до критической массы, необходимой для последующей терапии. При культивировании in vitro СК могут подвергаться фармакологической обработке или биоинженерным модификациям, для придания им нужных лечебных свойств, с последующей трансплантацией аутологичному донору или иммунологически совместимым реципиентам.

Успех трансплантации СК основан на априорном предположении, что эти клетки попадут обратно в свое микроокружение (ниши) и будут проявлять активность и свойства, присущие им до удаления из организма, а результатом трансплантации будет восстановление функций ткани, органа или всего организма.

Однако предсказуемый успех лечения, основанного на применении СК, предполагает знание биологических основ их поведения, механизмов взаимодействия с другими клетками организма и возможностей регуляции свойств СК в специфических тканевых нишах.

СК обладает тремя фундаментальными свойствами: 1) самоподдержанием или иммортальностью (бессмертием), под которым понимается способность одной или обеих дочерних клеток сохранять полный потенциал материнской клетки, от которой они произошли; хотя клетки-предшественники и некоторые зрелые дифференцированные клетки обладают способностью делиться, в процессе деления они не сохраняют свойства, присущих материнской клетке, то есть не обладают способностью к самоподдержииию; 2) способностью дифференцироваться в любые клетки тела, в несколько клеточных линий или, по крайней мере, в один вид зрелых клеток определенной тканевой специфичности; 3) общее число СК строго регулируется, благодаря существованию механизма обратной связи между отделами функционально зрелых и стволовых клеток.

2. Термин «стволовая клетка» определяет отдель­ную клетку или группу клеток-предшественников, обладающих способностью к самообновлению и дифференцировке в специализированные ткани.

По происхождению стволовые клетки можно раз­делить на следующие типы (рис. 1):

1) Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК):

a) тотипотентные — это клетки эмбрио­нов и внезародышевых оболочек до имплантации (11 день после оплодотворения), способные диффе­ренцироваться в полноценный организм;

b) полипотентные клетки эмбриона с постимплантационного периода до 8-й недели включитель­но, способные дифференцироваться в целостный орган или тканевую структу

http://moikompas.ru/compas/stem_cells_invivo_invitro

ЭСК обладают рядом свойств:

1) Тотипотентность — способность образовывать любую из 350 тканей организма;
2) Хоуминг — способность cтволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию;
3) Факторы, которые определяют уникальность cтволовых клеток находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток мРНК всех 3 тысяч генов, которые отвечают за раннее развитие зародыша;
4) Теломеразная активность. При каждом делении часть теломер утрачивается (предел Хейфлика), но в стволовых (а также в опухолевых и половых) клетках теломераза достраивает теломеры, делая клетки бессмертными.

ЭСК – незаменимая модель для функциональной постгеномики.

Кардиомиоциты, миоциты, клетки крови и иммунной системы являются полными автоматами. Поведение ЭСК определяется взаимодействием внешних сигналов с эпигеномной системой клеток, имеющих уникальный набор белков и предсинтезированных мРНК. На клетках ЭСК с максимально простым фенотипом легче анализировать главный алгоритм онтогенеза. Адекватный выбор сигналов и ответы ЭСК доказывают, что клетки имеют системы для распознания, выбора сигналов, их селективной переработки. Селективный отбор сигналов преобразуется далее в паттерны (образы) поведения клеток.

Поведение клеток и его нарушение является конечной целью современной медицины. Этот уровень знаний дает новые инструменты для разгадок болезней и старения.

Другая важная особенность генома ЭСК– спонтанная частота мутаций ниже в несколько раз, чем у соматических клеток. Внутрихромосомная рекомбинация и редупликация отдельных сегментов хромосом полностью блокированы устройством хроматина. Генетическая нестабильность хромосом и анеуплоидия в пассажах характерны только для линий тератокарциномы (эмбриональный рак, тератокарцинома - тератобластома, состоящая из недифференцированных эпителиальных элементов, формирующих железистоподобные сосочковые и солидные структуры) и эмбриокарциномы (Cervantes R.B., Stringer J.R., Tischfield J.A.,2002). Эта особенность организации хроматина делает маловерятными случайные перестройки хромосом, связанные с малигнизацией трансплантированных ЭСК-дериватов.

Cтволовая ниша – стабильное микроокружение вокруг каждого клона ЭСК, создаваемое монослоем так называемых " фидерных клеток ". Трофобласт служит фидером для эмбриобласта у предимплантационных зародышей млекопитающих. Клетки хориоидного сплетения служат питательной, защитной и информационной средой для нейральных стволовых клеток эпендимы развивающегося мозга. Эндотелиальные синусы, либо капиллярная сеть служат нишей для региональных стволовых клеток органов и тканей, в том числе для мезенхимальных стволовых клеток. По этой причине все ранние ЭСК зародыша выращивают в суспензии над монослоем фидерных стромальных клеток, которые обеспечивают незрелые плюрипотентные клетки всем необходимым для выживания и ру.

2) Фетальные стволовые клетки (ФСК): клет­ки, находящиеся в пуповинной крови, плаценте, спо­собные трансформироваться в разные типы клеток (мультипотентные клетки).

3) Клетки взрослого организма:

a) гемопоэтические стволовые клетки — находя­щиеся в кроветворных органах и крови, способные давать начало, в основном, различным росткам кро­ветворения;

b) мезенхимальные [стромалъные] стволовые клетки (МСК), находящиеся в костном мозге, обла­дающие способностью к дифференцировке в остео­бласты, сустеноциты, хондроциты, теноциты, адипоциты, миобласты, фибробласты;

c) стволовые клетки других тканей [регионарные] (кожи, сосудов, нервной ткани, яичек, яичников, про­статы и других) находятся в соответствующих тка­нях и дифференцируются в клетки этих тканей.

Прогенито́рные кле́тки — cтволовые клетки, детерминированные на дифференцировку в определённый тип клеток. Это клетки, которые в отличие от плюрипотентных стволовых клеток уже имеют стойкие биомаркеры, которые позволяют отличить их и их потомство от клеток других типов. Кроме того их способность к пролиферации значительно ниже чем у плюрипотентных cтволовых клеток.

Прогениторные клетки выполняют роль стволовых клеток взрослого организма занятых пополнением пула специализированных клеток организма. Различают мультипотентные и унипотентные прогениторные клетки. Иногда термин прогениторная клетка заменяют на термин клетка-предшественница или бластная клетка. Однако следует отметить, что в эмбриологии и цитологии клетками-предшественницами обычно называют группу клеток которые позднее дифференцируются в конкретный орган.

Cтволовые клетки классифицированы в соответствии со своей возможностью к дифференцировке как тотипотентные, плюрипотентные и мультипотентные.

Тотипотентные - клетки, способные дифференцироваться в любые клетки организма. Как из одной оплодотворенной клетки вырастает целый организм.

Плюрипотентные - клетки, способные образовывать множество различных клеток, но не целый организм.

Мультипотентные - клетки, способные образовывать клетки тканей из которых они были взяты.

Унипотентные - клетки дающие начало только одному типу клеток.

Клетки развивающегося эмбриона изначально тотипотентны, но теряют это свойство после нескольких клеточных делений, т.е. они дифференцируются. Некоторые из клеток организма, не дифференцируются окончательно, а становятся плюрипотентными, т.е. способны давать лишь некоторые типы клеток целого организма.

Тотипотентные клетки эмбриона называют так же - эмбриональные стволовые клетки (ESC), а плюри- и мультипотентные клетки организма называют - взрослыми стволовыми клетками. Функция первых в организме очевидна, из одной клетки должен развиться целый организм с огромным числом клеточных типов (~200 у человека), каждый из которых выполняет свою функцию.

Взрослые стволовые клетки необходимы организму для восполнения погибших клеток в процессе жизни.

Взрослые стволовые клетки способны заменять практически все ткани в организме: мозг, костный мозг, кровь, почку, эпителий пищеварительной системы, кожу, сетчатку, мышцы, поджелудочную железу и печень.

Взрослые стовловые клетки способны к самоподдержанию и производству клеток -предшественников, которые затем дифференцируются.

Гематопоэзные стволовые клетки (HSC) - Клетки способные производить все клетки крови находятся в крастном костном мозге. Клетки из которых образуются клетки крови имеют на своей поверхности маркеры CD34, CD59 и Thy1, по которым могут быть идентифицированы.

Нейральные стволовые клетки (NSC) Нейрогенез в мозге происходит в двух местах: субвентрикулярная зона (СВЗ), из которой были изолированы первые с.к., и зубчатая извилина. Зрелые нейроны образуются в обонятельной луковице, область в которую мигрируют клетки из СВЗ различными путями называемыми ростральной миграционной системой. СВЗ содержит эпиндимальные клетки и астроциты со схожей ролью с клетками стромы в костном мозге. Эпидимальные клетки и астроциты образуют каналы называемые глиальные трубки по которым происходит миграция нейробластов к обонятельной луковице, где дифференцируются в перигломерулярные или гранулярные нейроны, которые выстраиваются цепочкой. Астроциты в трубках обеспечивают питание клеток.

Известны молекулярные маркеры, позволяющие идентифицировать как стволовые нервные клетки, так и последовательные фазы их развития, - это нестин для ство-ловой клетки, виментин для клетки-предшественника, бета-тубулин для нейробласта,

GFАР (кислый глиальный фибриллярный белок) для клетки, "движущейся" в направлении глиального развития и т. д.

Установлено, что нервные стволовые клетки характеризуются выраженным консерватизмом, так что человеческие стволовые клетки способны мигрировать и развиваться в случае их трансплантации в мозг крысы. Более того, в экспериментах было показано, что даже нервные стволовые клетки дрозофилы способны дифференцироваться в случае их ксенотрансплантации в мозг такого отдаленного таксона, как крыса. Для этой цели были получены трансгенные линии дрозофилы, содержащие человеческие гены, кодирующие нейротрофические факторы NGF, GDNF, BDNF. Человеческие гены были встроены в вектор Саsреr под дрозофилиным хит-шоковым промотором, так что температура тела млекопитающих служила автоматическим активатором соответствующих генов. Для идентификации клеток дрозофилы в геном трансгенных линий был введен ген бактериальной галактозидазы 1асZ, продукт которого легко

выявляется с помощью гистохимической Х-гал окраски. Тем самым нервные клетки ксенотрансплантата легко обнаруживаются среди клеток реципиента или котрансплантата. Оказалось, что нервные стволовые клетки дрозофилы не только выживают, но и мигрируют и дифференцируются в мозге крысы.

Мышечные стволовые клетки (MSC)

Обонятельные стволовые клетки

Дают начало обонятельным клеткам. Располагаются в слизистой носа.

Стволовые клетки печени В нормальном состоянии клетки печени делятся очень медленно, но под влияниям повреждений или инфекции пролиферация клеток усиливается многократно. Имеется 3 популяции клеток, способных востановить печень.

Эмбриональные стволовые клетки (ESC) Эмбриональные стволовые клетки получают из внутренней клеточной массы бластоциста от оплодотворения яйцеклетки до ее имплантации, при этом бластоциста мыши достигает 150 клеток и представляет собой сферу с внешним слоем клеток, полостью бластоцеля заполненной жидкостью и внутренней клеточной массой.

ESC человека могут быть получены пересадкой ядер, называемой так же терапевтическое клонирование. При пересадке ядра соматической клетки донора (например в клетку кожи) в яйцеклетку с удаленным ядром, образуется бластоциста, клетки которой тотипотентны. Стволовые клетки полученные таким образом не отвергаются при пересадке.

ESC могут быть получены из примордиальных клеток из которых образуются яйцеклетки и сперматозоиды.

Классическими маркерами ЭСК являются изозимы щелочной фосфатазы, транскрипционный фактор Осt-4, высокая теломеразная активность и ряд маркеров клеточной поверхности, например GСТМ-2, TRA 1-60, SSЕА-3 и SSЕА-4, распознаваемые моноклональными антителами к специфическим эмбриональным или опухоль-определяющим антигенам. Физиологическое значение большинства маркеров остается неясным, за исключением Осt-4. Исследования, проведенные на ЭСК и эмбрионах мыши, выявили критическую роль Осt-4 в поддержании тотипотентности ранних эмбриональных клеток и клеток зародышевого пути. Дифференцировка клеток внутренней массы сопровождается понижением уровня Осt-4, а изменение уровня синтеза Осt-4 в ЭСК в свою очередь приводит к потере тотипотентности и переходу к дифференцировке. Кроме Осt-4, имеется еще ряд транскрипционных факторов, синтезируемых в основном недифференцированными ЭСК, например Nanog, который занимает важное место в иерархии факторов, определяющих недифференцированную природу ЭСК, и происхождение.

В зародыше и взрослом организме потенции генома стволовых клеток существенно варьируют по "ассортименту" фенотипа специализированных клеток. Более ранние, тотипотентные ЭСК дифференцируются в любую из 250 линий специализированных клеток органов. Необходимо подчеркнуть, что ЭСК in vitro не продуцируют клеток трофобласта, плаценты, т.е. потенции генома ЭСК меньше зиготы. Соответственно биологический статус ЭСК меньше статуса раннего зародыша.

Плюрипотентные ЭСК дают более ограниченный спектр фенотипов. Например, мезенхимальные стволовые клетки (МСК), локализованные в опорно-сосудистом каркасе (строме) органов, дифференцируются в культуре только в клетки хряща, кости, кардиомиоциты и миоциты. Монопотентные стволовые клетки (мышц, жировой ткани, периферических нервов) созревают до одного преобладающего фенотипа клеток. Стволовые региональные клетки взрослого организма наделены мультипотентностью - пластичной плюрипотентностью, которая сильно варьирует в контексте органа-реципиента (т.е. в зависимости от набора внутритканевых регулирующих факторов).

Так, пересадки гематогенных стволовых клеток в мозг, сердечную или скелетную мышцу приводили к образованию ткане-специфичных ростков донорской ткани в органах реципиента. Большое внимание уделяется сейчас мультипотентным МСК взрослых органов, поскольку эти клетки хорошо мигрируют и многократно химеризуют ткани. В свою очередь, пересадки нейрональных стволовых клеток в печень, мышцу или иммунную систему сопровождались тканеспецифичной перестройкой фенотипа донорских клеток. Хорошо доказано, что сигналы микроокружения играют решающую роль в судьбе трансплантированных ЭСК/МСК in situ. Схема развития МСК:

Существенно, что ЭСК/ МСК при дифференцировке в культуре давали лишь "природные" линии дифференцированных клеток, которые встречались в организме взрослого животного и человека. Никаких новых типов клеток или неизвестных линий дифференцированных клеток из ЭСК не возникало in vitro. Наблюдения подтверждены другими многочисленными работами, что снижает риск осложнений и повышает безопасность клеточной терапии дериватами стволовых клеток.

Дата добавления: 2014-01-15