Эмбриональные стволовые клетки
Эмбриональные стволовые клетки и тканевые стволовые клетки – это разные вещи, и это надо хорошо понимать. Тканевые стволовые клетки находятся в очень большом количестве тканей нашего организма. Они отвечают за то, что у нас обновляется кожа, гематопоэтические стволовые клетки находятся в костном мозге, делают кровь. Недавно обнаружили нейрональные стволовые клетки.
Все эти клетки имеют некое общее свойство с эмбриональными стволовыми клетками – все они находятся на некоторой стадии недоразвития. Они недодифференцированы.
Эмбриональные клетки находятся в самом низу этой пирамиды, а тканевые стволовые клетки находятся уже повыше, поэтому их называют «мультипотентными», то есть они имеют потенциал к тому, чтобы превращаться в разные клетки организма обычно в пределах одной ткани. Поэтому их нельзя путать друг с другом. Остальные свойства этих клеток тоже довольно сильно отличаются.
Эмбриональные стволовые клетки получают из 5-дневного эмбриона человека. Другими словами это эмбрион, в котором, на самом деле, находится порядка нескольких сотен клеток. Это бластоциста – такой шарик, заполненный эмбриональными стволовыми клетками. Их можно выделять в культуру, они хорошо растут, они делятся практически бесконечно. В первый раз для человека их выделили более чем 14 лет назад и линии, которые тогда выделили, до сих пор культивируют лаборатории и они не меняют своих свойств. Получается, что мы умеем искусственно поддерживать эти эмбриональные клетки в «подвешенном» состоянии, в состоянии, в котором они находятся в эмбрионе.
У них, в отличие от тканевых стволовых клеток, помимо бессмертности и самовозобновления есть прекрасное свойство – это те клетки, из которых строится весь организм. То есть они могут дифференцироваться в любую взрослую клетку организма. Это свойство называется плюрипотентностью. Это очень важное свойство. Есть тесты на плюрипотентность. Например, мы можем сделать из мышиных клеток собственно мышь, введя их в бластоцисту мыши. То есть можно сделать мышь, полностью созданную из клеток, которые культивируют в лаборатории. Понятно, что мы не можем сделать человека, поэтому единственный тест, аналогичный мышиному, когда мы вводим эти эмбриональные стволовые клетки человека подкожно иммунодефицитной мыши, то есть той, у которой нет иммунного ответа. Часто на месте ввода этих клеток получается тератома – доброкачественная опухоль, она состоит обычно из тканей, принадлежащих к трем зародышевым листкам. Это говорит о том, что in vivo, то есть вживую, а не только in vitro, эмбриональные стволовые клетки человека могут дифференцироваться во все разнообразие тканей. Возможно, именно с этим связаны все страхи по поводу того, что они похожи на раковые клетки, поскольку они могут бесконечно делиться и образовывать тератомы в иммунодефицитных мышах. Но, на самом деле, раковые клетки бывают очень разные. И раковые клетки – это некие сломанные клетки, у которых сломан механизм самоподдержания и превращения во что бы то ни было. У эмбриональных же стволовых клеток, которые растут в культуре, ничего не сломано. Мы их поддерживаем в том состоянии, в котором они находятся в природе, то есть мы их можем контролировать.
Контролем судьбы клеток занимаются тысячи ученых, потому что эта область открывает прекрасные перспективы, когда мы можем взять эмбриональные стволовые клетки и искусственным путем сделать из них сердце, легкое, печень, все что угодно. Во-первых, это очень интересно, поскольку для биологов ЭСК это такое Lego, они могут проходить пути дифференцировки, и с их помощью можно проследить пути развития и пути превращения одной ткани в другую,. Во-вторых, если нам нужно протестировать, как лекарства влияют на эмбриональные клетки или на разные пути развития, мы можем делать это изначально в пробирке, что тоже очень удобно. Плюс мы можем вносить в эти эмбриональные клетки какие-то мутации, например нокауты, то есть выключать какие-то гены, которые важны, например, в эмбриональном развитии, и смотреть что будет. Если мы говорим про эмбриональные стволовые клетки мыши, мы даже можем наблюдать фенотип, то есть то, как проявляется включение тех или иных генов на разных стадиях развития.
Эмбриональные стволовые клетки берут из эмбрионов, которые остались после процедуры ЭКО. Обычно их делают небольшое количество, часть из которого подсаживают, часть нет. Ту часть, которые не подсаживают, с позволения пациентов, родителей, отдают на нужды лаборатории. И в этом нет никакого, на мой взгляд, живодерства, потому что это пятидневные зародыши, это бластоцисты, несколько сотен клеток, в которых нет разделения ни на нервную систему, ни какую бы то ни было. И как мы знаем уже из практики, это неспециализированные клетки, из которых может получиться все, что угодно. Однако может не получиться, поскольку никто не знает, разовьется этот конкретный эмбрион или нет.
Сейчас эмбриональные стволовые клетки в практике, в биомедицине кроме каких-то фундаментальных вещей используются как универсальный поставщик разнообразных тканей. И, учитывая, что мы можем делать более дифференцированные производные и научились их делать в довольно большом количестве, то можно пытаться делать какую-то заместительную тканевую терапию. То есть выращивать некую ткань, которая будет приживаться на месте поврежденной. Сейчас есть несколько клинических испытаний (проводятся на производных эмбриональных стволовых клеток), и одни из самых многообещающих тестов – это тесты на олигодендроцитах, которые получены из эмбриональных стволовых клеток. Эти олигодендроциты, это эмбриональные стволовые клетки, которые запущены в сторону нейронального развития, но это не конечная ветвь. Они еще могут развиваться дальше. Идея теста заключается в том, что когда происходит некая травма нервной системы, когда нейроны восстанавливаются, они не могут восстанавливать миелиновую оболочку вокруг них, а без нее сигналы не проходят. И олигодендроциты – это те клетки, которые создают миелиновые оболочки. Сейчас клинические тесты проводятся всего на 10-20 пациентах, потому, что главный вопрос в этих тестах сейчас состоит в том безопасны или нет эти клетки. Сегодня все еще есть страхи насчет того, что они, попадая в живой организм, будут вести себя непредсказуемо. Сейчас уже сделаны успешные тесты на крысах и на обезьянах. И пациенты, на которых делаются эти тесты, это пациенты довольно строгой группы, у которых были травмы позвоночника, в течение недели до того как эти клетки им подсаживают. Предполагается, что на таких ранних стадиях травматического восстановления как раз эти олигодендроциты помогают пациенту восстановиться и восстановить связи в его спинном мозге. На крысах и на обезьянах это получается.
Еще одна ветвь, по которой идут клинические испытания, это получение клеток пигментного эпителия из эмбриональных стволовых клеток. Пигментный эпителий – это сетчатка глаза и с ней связано очень много болезней как генетических, так и просто старческих. Например, дистрофия сетчатки – истончение сетчатки, когда люди постепенно перестают видеть. Сегодня мы довольно эффективно умеем делать из эмбриональных стволовых клеток клетки пигментного эпителия. Ученые пытаются подсаживать эти клетки пигментного эпителия больным дистрофией сетчатки. Глаз – очень удобная модель для контроля приживаемости трансплантата.
Предварительные тесты показывают, что все идет хорошо, и пациенты буквально прозревают. Но это предварительные исследования. И пока такая практика не ушла не то, что в клинику, но и ни в какие более серьезные группы пациентов. Поэтому пока еще рано говорить о всеобщем клиническом применении этих клеток. Но, тем не менее, уже понятно, что это можно делать. Так и до эры клинического применения стволовых клеток еще очень далеко. Все опыты с производными эмбриональных стволовых клеток затрудняются тем, что все-таки это клетка другого человека. Иммунологически они бывают, так же как и органы трансплантации, несовместимы с пациентом. В этом заключается самая большая проблема трансплантации с использованием производных эмбриональных стволовых клеток.
Автор – кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории генетических основ клеточных технологий Института общей генетики РАН.
Что такое стволовые клетки и как их получают?
С каждым годом о стволовых клетках говорят все чаще: они используются в различных областях медицины, а также в косметологии. Но что такое стволовые клетки, откуда их берут, и каждый ли человек имеет доступ к этому уникальному оздоровительному ресурсу?
Что такое «стволовые клетки»
Это так называемые «незрелые» или недифференцированные клетки, которые есть в организме каждого живого многоклеточного существа. То есть, организм любого млекопитающего, в том числе, человека, снабжен определенным «запасом» стволовых клеток. Их главные особенности — возможность самообновляться и образовывать новые такие же клетки, делиться, а также принимать функции любых тканей и органов (это называется дифференциацией клеток). Впервые термин «стволовая клетка» стали использовать в 1909 году. Роль этих клеток изучали ученые во многих странах мира в течение практически всего ХХ века, постоянно дополняя знания о роли стволовых клеток в организме и возможностях их использования. Также применяется термин «аутологичные» (собственные) стволовые клетки.
Из стволовых клеток в период внутриутробного развития формируются все внутренние органы, сосуды, кожа, все остальные ткани. Так как процесс дифференциации клеток происходит до рождения, наибольшее количество стволовых клеток содержит именно развивающийся организм, а к моменту появления на свет больше всего стволовых клеток сохраняется в пуповинной крови, ткани пуповины и плаценте.
В организме взрослого человека тоже есть стволовые клетки. Это своего рода «ремкомплект», которые организм использует для того, чтобы помочь восстановлению и обновлению органов и тканей. Но чем старше человек, тем стволовых клеток меньше, и тем меньше возможностей «починить» пострадавший орган. Снижение количества стволовых клеток и замедление их производства организмом — естественный процесс, являющийся частью процесса физического старения.
Лечение стволовыми клетками
В 70-х годах ХХ века стало популярным омоложение стволовыми клетками — «инъекции молодости», которые могли позволить себе западные актеры и советская партийная номенклатура: тем, кто не хотел поддаваться влиянию возраста и имел достаточно средств, вводили (трансплантировали) стволовые клетки для активизации процессов омоложения организма. Сегодня препараты стволовых клеток активно применяются в косметологии и геронтологии.
Огромный интерес и перспективы для науки представляют возможности биопрепаратов стволовых клеток в лечении многих болезней, в том числе — тяжелых и ранее считавшихся неизлечимыми. Список этих заболеваний достигает нескольких десятков.
Широкие возможности открывает терапия стволовыми клетками в реконструктивной медицине. Во многих странах мира, в том числе — в Украине их применяют при лечении химических и термических ожогов высокой степени. Благодаря способности стволовых клеток дифференцироваться в клетки любых тканей организма, они помогают восстановить поврежденный кожный покров на больших участках. Если при этом используются аутологичные стволовые клетки, отсутствует риск отторжения, возможный при применении донорского материала.
Еще одна перспективная сфера применения препаратов стволовых клеток — кардиология. Уже сейчас в Украине проводятся их клинические испытания при ишемической кардиомиопатии, нарушениях сократительной функции сердца. Биопрепарат стволовых клеток может помочь пациентам с тяжелыми сердечными патологиями выжить в ожидании трансплантации сердца.
В нашей стране также проводятся исследования эффективности препарата стволовых клеток при циррозе печени, у врачей в Украине и других странах уже есть практика успешного применения биопрепарата при тяжелых патологиях поджелудочной железы.
Использование недифференцированных клеток может продлить жизнь и значительно улучшить ее качество людям с сахарным диабетом. Известно, что при этом заболевании развиваются различные по степени тяжести поражения сосудов, из-за чего возникают трофические язвы на ногах, так называемая «диабетическая стопа», поражаются артерии. Сейчас на завершающей стадии клинические испытания препарата стволовых клеток при этих патологиях. Все эти исследования проводятся в Украине. В мире также получено много положительных результатов использования препаратов стволовых клеток при лечении рассеянного склероза, болезни Крона, болезни Паркинсона, сердечной недостаточности, ревматоидного артрита, лейкозов, злокачественных опухолей разных локализаций.
Стволовые клетки человека: какими они бывают
Стволовые клетки бывают разными в зависимости от происхождения, то есть — в зависимости от того, из какого исходного материала их получают. Кроме эмбриональных и фетальных стволовых клеток, получение которых имеет серьезные этические ограничения, существует также возможность выделения «незрелых» клеток без какого-либо вреда для организма, не противоречащая моральным и этическим нормам. К полученным таким образом стволовым клеткам относятся:
- Постнатальные («взрослые») стволовые клетки. Это клетки взрослого организма, которые, как уже было сказано, содержатся и производятся в нем в небольшом количестве. Проблема в том, что такие клетки часто находятся на определенной стадии дифференцировки, а это значительно сужает возможности их применения. Однако есть и преимущества: можно получить аутологичные постнатальные стволовые клетки, а это означает, что реципиент не будет их отторгать после трансплантации, так как это его собственный биологический материал.
- Стволовые клетки пуповинной крови. Относятся к постнатальным стволовым клеткам, но из всех клеток взрослого, зрелого организма они в наименьшей степени дифференцированы. Это означает, что в случае необходимости их можно использовать при широком спектре заболеваний, в геронтологии, восстановительной медицине, ведь они имеют наибольший «ремонтный» потенциал, дифференцируясь в клетки тех органов или тканей, которые необходимо «починить».
В зависимости от «задач», которые могут выполнять незрелые клетки организма, их разделяют на три вида:
- Гемопоэтические стволовые клетки называются также кроветворными, так как они дифференцируются в клетки крови. Они содержатся как в пуповинной крови, так и в костном мозге — именно их часто используют для трансплантации при злокачественных заболеваниях крови.
- Мезенхимальные стволовые клетки называют стромальными и мультипотентными. Их особенность заключается в способности дифференцироваться в клетки костной, хрящевой и жировой ткани. Эти клетки выделяют из пуповинной крови, пупочного канатика, плаценты. Они активно используются в терапии диабетической стопы (тяжелого осложнения сахарного диабета, при восстановлении кожных покровов), а также заболеваний опорно-двигательного аппарата, в частности — суставов.
- Тканеспецифичные клетки являются прогениторными, то есть, «клетками-предшественницами». Они содержатся в органах и тканях, организм задействует их при необходимости обновления клеточной массы того или иного органа или ткани. В отличие от других недифференцированных стволовых клеток, которые могут делиться неограниченное количество раз, тканеспецифичные клетки такой способности не имеют.
В терапевтических целях используют гемопоэтические и мезенхимальные стволовые клетки, чаще всего — выделенные из пуповинной крови, пупочного канатика и плаценты.
Стволовые клетки пуповинной крови: преимущества
Главная особенность стволовых клеток пуповинной крови — они могут быть аутологичными. Родители, сохранившие пуповинную кровь (а часто также пуповину и плаценту) родившегося ребенка, обеспечивают ему пожизненную страховку на случай тяжелого заболевания или травмы. Ежегодно в мире совершаются новые открытия в медицине, связанные с возможностями применения биопрепаратов стволовых клеток. Поэтому в будущем ребенок, имеющий такую «страховку», получит лекарство от множества возможных болезней. Так как выделенные стволовые клетки являются аутологичными, при трансплантации не возникнет иммунного конфликта и новые клетки не будут отторгаться организмом.
Одно из преимуществ сбора пуповинной крови — полная безопасность и безболезненность процесса. Получение стволовых клеток из этого биологического материала, а также из пупочного канатика и плаценты, не противоречит никаким этическим нормам.
Аутологичные стволовые клетки можно использовать не только непосредственно для ребенка, из крови которого они выделены. Они также в некоторых случаях могут подойти для лечения его родных братьев и сестер, иногда — кого-либо из родителей, ведь есть вероятность иммунного сходства с родными донора.
Из сохраненных стволовых клеток также можно получить биопрепарат, который используют в косметологических целях и в геронтологии для омоложения организма.
Итак, главные преимущества сбора и хранения клеток пуповинной крови и плаценты:
- Безопасность и доступность сбора в любом роддоме.
- Полное иммунное сходство при дальнейшем использовании.
- Возможность использования клеток для близких родственников.
- Этичность и гуманность: при выделении клеток организм не страдает и для него нет никаких рисков.
Хранение стволовых клеток
Стволовые клетки пуповинной крови, а также биологический материал, выделенный после сбора плаценты и пуповины, хранится в Криобанке. Здесь вы можете увидеть, как происходят все процессы, связанные с обработкой и хранением пуповинной крови, плаценты и пуповины, в нашем Криобанке.
После предварительной подготовки выделенные стволовые клетки подвергаются криозаморозке и сохраняются в специальных емкостях с жидким азотом любое количество времени. Как только они понадобятся владельцу, Криобанк выдаст их по первому требованию и доставит в полной сохранности в любую клинику, где будет использоваться биопрепарат. Все о хранении стволовых клеток пуповинной крови вы можете узнать на нашем сайте или у консультантов Криобанка Института клеточной терапии.