Газета «Новости медицины и фармации» №10 (728), 2020
Вернуться к номеру
Будущее медицины за стволовыми клетками (обзор литературы)
Авторы: Боброва В.И., д.м.н., профессор
Национальная медицинская академия последипломного образования имени П.Л. Шупика, г. Киев, Украина
Разделы: Справочник специалиста
Версия для печати
Одним из важнейших событий в медицине XX века стало открытие стволовых клеток (СК). Этот факт стал третьим по значимости в биологии после открытия двойной спирали ДНК и расшифровки генома человека. В настоящее время регенеративная медицина стала развиваться очень интенсивно.
Инструментом регенеративной медицины является стволовая клетка. Способность любых СК давать разные клеточные типы делает их весьма удобной системой для изучения молекулярно-генетических событий, обусловливающих дифференцировку клеток, и именно поэтому СК могут применяться для лечения огромного количества заболеваний. Поэтому всестороннее изучение СК является одной из актуальных и перспективных областей современной медицины.
Цель исследования: изучить, что такое СК: их отличительные особенности, классификация, способы и источники выделения, а также их использование в клинической медицине.
Наиболее быстро развивающееся направление медицины сегодня — регенеративная медицина. В перспективе это станет панацеей от многих болезней.
О стволовых клетках сегодня говорят очень часто. У многих складывается впечатление, что стволовая клетка — это нечто вроде волшебной таблетки от всех болезней. Как будто это какой-то объект, который, как таблетку, можно изготовить на фармпредприятии из каких-то других компонентов [1].
Действительно, СК рассматриваются как инструмент в регенеративной медицине, они могут быть терапевтическим агентом. Но в первую очередь это то, что сформировало нас когда-то еще в утробе матери, и то, что позволяет нам быть здоровыми уже во взрослом возрасте [2].
Гипотезу о существовании СК высказал в начале прошлого века гистолог Александр Максимов. Термин «стволовые клетки» А. Максимов впервые озвучил на съезде гематологов в Берлине в 1908 году [3]. Именно этот год вошел в историю как начало развития исследований в области клеточных технологий. По прошествии многих лет открытие Максимова признали одним из самых выдающихся прорывов в биологии XX века. В 1999 году авторитетный журнал «Science» назвал его третьим по значимости событием в биологии после открытия двойной спирали ДНК и расшифровки генома человека.
В 1968–1969 гг. под руководством Александра Фриденштейна впервые было не только доказано, что во взрослом организме существуют стволовые стромальные клетки, но и был разработан метод культивирования этих мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток, на которые сегодня ученые возлагают самые большие надежды. В 1970 г. ученый А. Фриденштейн описал и успешно культивировал фибробластоподобные клетки, получившие в последующем название «мезенхимальные стромальные клетки». В 1981 г. учеными Мартином Эвансом, Мэттью Кауфманом и Гэйлом Мартином из эмбриобласта мыши были впервые выделены эмбриональные стволовые клетки. В 2012 г. японский ученый Синья Яманака и английский исследователь Джон Гердон получили Нобелевскую премию за открытие возможности перепрограммировать взрослые стволовые клетки в клетки с индуцированной плюрипотентностью (iPS-клетки), т.е. переводить их в состояние, сходное с эмбриональными клетками. Толчком к развитию клеточной трансплантологии стали атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны (1945 г.), которые побудили ученых искать эффективные средства для защиты человечества от радиоактивного воздействия. Первые трансплантации гемопоэтических стволовых клеток костного мозга были проведены на мышах, собаках и обезьянах и показали свое восстановительное действие после радиоактивного облучения [4].
Термин «стволовая клетка» определяет отдельную клетку или группу клеток-предшественников, обладающих способностью к самообновлению и дифференцировке в специализированные ткани [5].
Все стволовые клетки обладают следующими неотъемлемыми свойствами:
1. Способностью к самообновлению, что позволяет поддерживать пул недифференцированных СК в течение всей жизни.
Самообновление — это такое деление клеток, при котором одна или обе образующиеся дочерние клетки остаются недифференцированными и сохраняют способность к образованию других СК с такими же способностями к пролиферации, что и у родительских клеток.
2. Способностью к пролиферации, что необходимо для точной регуляции численности СК. Пролиферация, в отличие от самообновления, не требует, чтобы образующиеся дочерние клетки обладали всеми особенностями СК, в том числе способностью к формированию дифференцирующегося потомства.
3. Способностью к восстановлению всех функционирующих элементов ткани.
Деление стволовых клеток [6]
Различные типы СК не только обладают различным пролиферативным потенциалом, но и пролиферируют различным образом (рис. 1):
а) клетки могут делиться симметрично, и в таком случае дочерние клетки сохраняют все характеристики родительских клеток;
б) клетки могут делиться асимметрично, и тогда одна клетка сохраняет все особенности родительской стволовой клетки, а другая становится более детерминированной.
При симметричном делении происходит логарифмическое нарастание количества дочерних клеток, идентичных друг другу и сохраняющих все характеристики родительской клетки. При несимметричном делении одна клетка остается стволовой, а другая становится более или менее детерминированной. Происходит линейное накопление количества клеток. В тканях взрослого организма потомство стволовой тканевой клетки становится все более дифференцированным (подвергается дифференцировке), частично сохраняя способность к пролиферации, и является основным источником восстановления тканей.
/14_m.jpg)
В литературе чаще всего используют 2 классификации стволовых клеток:
1) по способности к дифференцировке;
2) по источнику их происхождения или выделения (рис. 2).
Классификация по способности к дифференцировке:
- тотипотентные (способны образовывать клетки любых типов);
- плюрипотентные (способны образовывать клетки многих, но не всех типов);
- мультипотентные (способны образовывать клетки нескольких типов);
- унипотентные (способны дифференцироваться только в один тип клеток).
Тотипотентные СК (от лат. totus — «полный», «единый»). Эта единственная клетка воспроизводит все органы эмбриона и необходимые для его развития структуры — плаценту и пуповину. К ним относятся только оплодотворенный ооцит и бластомеры 2–8-й клеточной стадии.
/15_m.jpg)
Термин плюрипотентный используют для описания клетки, которая может быть источником клеток, производных любого из 3 зародышевых листков (эктодермы, энтодермы, мезодермы). К ним относятся эмбриональные стволовые клетки, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином.
Мультипотентные СК способны образовывать специализированные клетки нескольких типов (например, клетки крови, клетки печени, головного мозга).
Унипотентные СК — это клетки, дифференцирующиеся в обычных условиях только в специализированные клетки определенного типа.
СК взрослого организма можно разделить на 3 основные группы: гемопоэтические (кроветворные), мультипотентные мезенхимальные (стромальные) и тканеспецифичные прогениторные. Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) и клетки-предшественники являются наиболее полно охарактеризованными СК взрослого организма. Они находятся в костном мозге и отвечают за непрерывное обновление клеток крови и иммунной системы. Полезным свойством ГСК является их способность восстанавливать все клеточные линии крови. Эти клетки широко применяются при трансплантации костного мозга для лечения лейкемий, апластических анемий, первичных и комбинированных иммунодефицитов [7]. Мезенхимальные стволовые клетки, первоначально обнаруженные в строме костного мозга, были затем найдены и в других органах, включая плаценту, пуповину, печень и жировую ткань.
Тканеспецифичные прогениторные клетки (клетки-предшественники) — малодифференцированные клетки, которые располагаются в различных тканях и органах и отвечают за обновление их клеточной популяции, то есть замещают погибшие клетки. К ним, например, относятся миосателлитоциты (предшественники мышечных волокон), клетки-предшественники лимфо- и миелопоэза. Эти клетки являются олиго- и унипотентными, и их главное отличие от других стволовых клеток в том, что клетки-предшественники могут делиться лишь определенное количество раз, в то время как другие стволовые клетки способны к неограниченному самообновлению. Поэтому их принадлежность к истинно стволовым клеткам подвергается сомнению [8].
Механизм работы стволовых клеток заключается в выполнении двойной задачи — прямого замещения необходимого типа клеток, потерпевших поражение, и так называемого регенеративного менеджмента. Так, регенерация ткани происходит при участии стволовых клеток и под их «руководством» путем выделения сигнальных молекул для воздействия на другие клетки в ткани, нуждающейся в помощи. СК выделяют специальные химические факторы, которые служат ключами для «замков» рецепторов на поверхностях других клеток, и таким образом запускают или прекращают в них определенные процессы. В то же время на поверхности самой стволовой клетки также есть свои рецепторы, которые воспринимают информацию из микроокружения, реагируют на нее активацией или торможением различных процессов [9].
По градиенту определенных сигналов происходит движение стволовых клеток в места повреждений. Это явление называется хоуминг.
Ученые также говорят о паракринном эффекте стволовых клеток. В исследованиях было четко показано [10, 11], что использование кондиционированной среды СК по своей эффективности практически не уступает использованию собственно стволовых клеток, что говорит о неотъемлемом участии паракринных факторов в купировании патологического процесса. Паракринные факторы представляют собой различные группы цитокинов, обладающих выраженными провоспалительными, антиапоптотическими, прогенеративными свойствами. Более того, появляется все больше информации, что стволовые клетки способны реагировать на экзогенные воздействия и в зависимости от этого модулировать синтез определенных цитокинов [12]. Факторы роста, выделяемые стволовыми клетками, являются важной составляющей протекционного действия стволовых клеток. Продуцируя вокруг себя среду с обилием данных паракринных агентов, СК создают хорошие условия для восстановления пролиферации клеток и регенерации поврежденной ткани. Кроме того, считается, что некоторые факторы роста, например Vascular endothelial growth factor (VEGF), способны активировать мощные факторы-ингибиторы клеточной гибели, такие как протеинкиназа B, с чем в том числе связывают антиапоптотический эффект стволовых клеток [13]. Для точного понимания механизма работы стволовых клеток требуются дальнейшие исследования.
Лечение стволовыми клетками — это открытие века в медицине, способное изменить представление о лечении многих болезней и дать людям главное — здоровье, молодость, силу, долголетие.
Основные направления в лечении стволовыми клетками:
- сердечно-сосудистые заболевания (ишемические заболевания сердца, артериальная гипертензия, последствия острых нарушений мозгового кровообращения);
- последствия черепных и спинальных травм;
- нейродегенеративные заболевания;
- болезни периферической нервной системы;
- демиелинизирующие заболевания;
- болезнь Паркинсона и синдром паркинсонизма;
- аутоиммунные заболевания: системная красная волчанка, ревматоидный артрит, склеродермия, рассеянный склероз, псориаз, неспецифический язвенный колит, болезнь Крона;
- расстройства аутистического спектра, детский церебральный паралич;
- сахарный диабет 1-го и 2-го типа;
- заболевания печени;
- глазные заболевания;
- бесплодие;
- сексуальная дисфункция у мужчин;
- косметология.
Стволовые клетки используются в неврологии для профилактического воздействия или восстановительной терапии. Преклинические испытания на животных позволили предположить три основных механизма восстановления неврологического повреждения: 1) структурная поддержка поврежденной и близлежащей ткани; 2) ремиелинизация поврежденных аксонов; 3) экспрессия (усиление действия) нейронов [14–16].
Целью клеточной терапии при неврологических заболеваниях является замещение утраченных нейронов или восстановление их функций. Каждый подтип СК имеет свой потенциальный механизм восстановления. При различных неврологических заболеваниях для трансплантации могут быть использованы аутологичные макрофаги, активированные Т-лимфоциты, глиальные клетки, эндотелиальные клетки мозга, нейрональные прогениторные, шванновские клетки, СК из ольфакторного нейроэпителия, а также фетальные, нейрональные, костномозговые СК [17]. Но, несмотря на многочисленные исследования in vitro, не все из вышеперечисленных типов клеток прошли преклинические испытания.
Несмотря на достижения современной фармакотерапии, а также хирургических методов лечения ишемической болезни сердца, существует определенная группа пациентов, у которых все перечисленные методы лечения неэффективны. Это пациенты с рефрактерной стенокардией; дистальным типом атеросклеротического поражения коронарных сосудов; обширными осложненными инфарктами миокарда в анамнезе с исходом в тяжелую сердечную недостаточность (в 60 % случаев после перенесенного острого инфаркта миокарда процессы ремоделирования в большей степени непредотвратимы). Большинству данных пациентов уже проводились различные варианты реваскуляризации миокарда (чрескожная баллонная ангиопластика, стентирование, аортокоронарное шунтирование), но часто в связи с реокклюзиями восстановленных сегментов и наличием дистального атеросклеротического поражения коронарных артерий повторные реконструкции коронарных артерий невозможны. Поэтому таким пациентам остается консервативная терапия, которая к тому моменту оказывается малоэффективной, и в случаях тяжелой сердечной недостаточности единственным вариантом остается трансплантация сердца. Однако проблема нехватки донорских органов и недостаточная эффективность заменяющих механических устройств остается чрезвычайно острой и не решенной к настоящему времени. И на помощь таким пациентам приходит регенеративная медицина.
Стволовые клетки при кардиологических заболеваниях стимулируют процессы неоангиогенеза и дифференцировки как собственных «тканевых депо», так и введенных извне стволовых клеток в полноценные кардиомиоциты. Подобные процедуры позволяют улучшить перфузию миокарда, степень локальной и глобальной сократимости, препятствуют ремоделированию миокарда и процессам апоптоза клеток [20]. Н. Dohmann et al. проанализировали анатомо-патологические, морфометрические и иммуноцитохимические параметры материала, полученного при вскрытии тела больного с рефрактерной ишемической болезнью сердца и хронической сердечной недостаточностью ишемического генеза, который скончался через 11 месяцев после трансэндокардиального введения аутологичных мононуклеаров костного мозга. Анализу подвергались 3 участка миокарда: переднебоковая стенка левого желудочка (область проведения клеточной терапии), область межжелудочковой перегородки (миокард с сохраненной нормальной перфузией) и заднебазальная стенка левого желудочка (зона обширного рубца, клеточная терапия не проводилась). В месте инъекции стволовых клеток признаков поражения миокарда не выявлено. Плотность капилляров на 1 см3 ткани была выше в переднебоковой области в отличие от задней стенки левого желудочка. Кроме того, в зоне введения стволовых клеток отмечалась гиперплазия интрамуральных клеток и адвентиции. Таким образом, в зоне применения клеточной терапии был продемонстрирован активный процесс ангиогенеза [21]. Регенеративные свойства стволовых клеток можно объяснить любым из обсуждаемых в настоящий момент 4 механизмов:
1. Прямая клеточная трансдифференцировка из стволовых клеток в кардиомиоциты [22].
2. Цитокин-индуцированный механизм [23] (плюс увеличение остаточных жизнеспособных миоцитов, особенно в пограничной зоне инфаркта).
3. Стимулирование внутренних миокардиальных стволовых клеток (эндогенные стволовые клетки) [24].
4. Индукция клеточного слияния между трансплантированными стволовыми клетками и собственными миоцитами [25].
Заключение
Использование СК — одно из самых перспективных направлений развития современной медицины. Сегодня огромное количество научных фактов свидетельствует в пользу эффективности применения СК при целом ряде тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной систем и опорно-двигательного аппарата. Трансплантации СК в клинике исчисляются уже тысячами, и эти данные отражены в ведущих научных журналах мира. Но в то же время есть много вопросов, которые требуют продолжения клинических исследований.
В Украине существуют клиники, которые предлагают лечение различных заболеваний с помощью стволовых клеток. В одной из таких клиник работает моя ученица Сыч Наталия Сергеевна, которая успешно защитила кандидатскую диссертацию в 2010 году на тему «Когнитивные нарушения у больных в остром периоде инфаркта мозга».
/15_m2.jpg)
Сыч Наталия Сергеевна — канд. мед. наук, невролог, детский невролог, заместитель главного врача частной клиники, имеющая 15-летний опыт работы в сфере клеточных технологий. Является автором и соавтором 30 патентов и более 80 научных статей, опубликованных в международных журналах. Разработчик внутренних протоколов лечения различных неврологических заболеваний с помощью фетальных стволовых клеток. Неоднократно принимала участие в международных конференциях с устными и стендовыми докладами: Марокко, Марракеш, 2011 год — доклад «Fetal Stem Cells in Post-Stroke Cognitive Deficits Embryonic Tissues Center EmCell»; Венгрия, Будапешт, 2011 год — доклад на тему «Clinical effect of fetal stem cells in multiple sclerosis»; Великобритания, Лондон, 2012 год — «The state of neuroaminoacids in patients after a traumatic brain injury with convulsive syndrome»; Румыния, Бухарест, апрель 2013 года — доклад на тему «Efficacy of fetal stem cell transplantation in autism spectrum disorders: a pilot study»; США, Сан-Диего, май 2013 года — стендовый доклад на тему «Cognitive and neuroimmune disorders in patients in the acute period of ischemic stroke»; США, Сан-Диего, 2018 год — стендовый доклад на тему «Efficacy of fetal stem cell treatment for Parkinson's Diseases».Список литературы
Список литературы находится в редакции