История открытия стволовых клеток

Мало кто знает, что у идеи стволовых клеток русские корни, и уходят они в начало ХХ века. Правда, идеи нашего соотечественника Александра Максимова получили развитие только в 60-х го- дах ХХ века, когда канадские ученые Эрнест Маккулох и Джеймс Тил нашли кроветворные (или, что то же самое, гемопоэтические) стволовые клетки в костном мозге. Исследователи доказали кроветворные свойства костного мозга экспериментально, пересаживая его клетки мышам. За следующий прорыв в этом направлении снова можно испытать чувство национальной гордости. Российский и советский ученый Александр Фриденштейн нашел в костном мозге не только кроветворные, но и другие стволовые клетки — стромальные.  Это совсем другая популяция клеток. Они могут превращаться в клетки костной, хрящевой, фиброзной и жировой ткани.  Основное свойство стволовых клеток — способность делиться и образовывать клетки разных тканей организма. Они делятся и затем проходят специализацию (на научном языке — дифференцировку). Причем стволовая клетка делится асимметрично: одна дочерняя клетка также оказывается стволовой и продолжает цикл деления, а другая встает на путь специализации.

Клетки с разными потенциями Стволовые клетки — разные. В зависимости от того, где они находятся, они обладают разными возможностями — потенциями для превращения в клетки тканей. Когда оплодотворенная яйцеклетка — зигота только начинает делиться, каждая из дочерних клеток может развиться в клетку любой ткани. Ее клетки обладают неограниченными потенциями и называются тотипотентными. На ранней стадии эмбриона — стадии бластоцисты (шарик с внутренней полостью) у клеток сужается круг возможностей: они становятся плюрипотентными. Затем в эмбрионе происходит закладка органов и тканей, и у клеток еще больше сужаются возможности дифференцировки — они уже мультипотентные.

Мультипотентные клетки есть и у взрослого организма. Некоторые из них сохраняют возможность дифференцировки по разным путям. Например, стромальные стволовые клетки могут превращаться в костные, хрящевые, фиброзные или жировые.

Другие же клетки утратили это свойство, они унипотентные, то есть могут развиваться только в специализированные клетки одной ткани. Так, из стволовых клеток нервной ткани (нейральных) получатся только нейроны и глиальные клетки, из стволовых мышечных клеток — только мышечные, и так далее. Сотрудник лаборатории Колд Спринг Харбор Григорий Ениколопов приводит такую аналогию из области профессиональной специализации человека. Ребенок-дошкольник теоретически может в будущем стать кем угодно. В школе один идет в математический класс, другой — в гуманитарный, третий — в биологический — круг возможностей сужается. Затем следует тот или иной вуз — это следующий уровень специализации. Ну и окончательно человек профессионально специализируется, как правило, уже на работе.

А если вернуться к стволовым клеткам, то их делят и более простым способом: на эмбриональные (до стадии бластоцисты), фетальные (клетки эмбриона на более поздних стадиях развития) и специализированные стволовые клетки взрослого организма.

История лечения клетками

В пылу баталий за и против клеточной терапии и клеточных технологий большинство не осознает, что три таких технологии используются в медицине давным-давно, и сейчас уже ни у кого нет сомнений в их безопасности. Первая технология, с самыми древними корнями — это переливание крови. Лечение кровью практиковалось еще Гиппократом и было распространено в античном мире (но в то время кровь пили). После того как в 1628 году английский ученый Уильям Гарвей открыл кровообращение, кровь стали пытаться переливать, сначала от животного к человеку, а затем от человека к человеку. Поскольку о группах крови тогда еще не имели понятия, ясно, что эти операции очень часто оканчивались смертью пациента. Поэтому периодически переливание крови запрещали и относились к этой процедуре как к очень опасной. Прорыв произошел в 1900 году, когда австрийский врач Карл Ландштейнер открыл и описал первые три группы крови, а затем его коллеги открыли четвертую. С 1907 года переливание крови от человека к человеку делается с предварительной проверкой совместимости и за более чем сто лет стало рутинной процедурой.

Вторая технология — это пересадка костного мозга, или, по строгому определению, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток. Как всем известно, эта процедура применяется в тех случаях, когда костный мозг пациента погибает из-за болезни или из-за лучевой терапии, и иммунитет оказывается на нуле. При условии правильного подбора донора пересаженные кроветворные клетки приживаются в организме пациента и начинают работать, снабжая его эритроцитами и иммунными клетками — лейкоцитами. Впервые трансплантация костного мозга успешно проведена в 1968 году.

Третья, самая новая технология — это ЭКО , экстракорпоральное оплодотворение, то есть оплодотворение вне тела. В этом случае яйцеклетку вынимают из тела женщины, оплодотворяют «в пробирке», растят эмбрион в течение 2-5 дней, а потом имплантируют в матку. Налицо не просто клеточная технология, но и использование эмбриональных стволовых клеток. ЭКО впервые успешно проведено в 1977 году в Великобритании. Сейчас на планете живет больше 4 млн людей, зачатых «в пробирке».

Универсал ьные клетки, которые все могут После того как человечество осознало, какой потенциал несут в себе стволовые клетки, возникло желание использовать его шире. Идея клеточной терапии заключается в том, что те клетки, которые в организме человека погибают, повреждаются или стареют, можно заменить на новые. А для этого надо ввести пациенту стволовые клетки, которые будут усиленно делиться и восполнят потерю.
Прежде всего ученые обратили внимание на эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые наделены почти  неограниченными способностями формировать разные ткани. Они могут превращаться в 220 разных видов специализированных клеток. «В пробирке» ЭСК развиваются в клетки трех зародышевых листков (эмбриональных слоев): эктодермы, мезодермы и эндодермы, из которых развиваются все органы и ткани.

Эмбриональные стволовые клетки были выделены из мышиных эмбрионов в 1981 году Мартином Эвансом и Мэтью Кауфманом, а также независимо от них их открыл Гэйл Мартин. Прорыв в исследовании человеческих ЭСК произошел в 1998 году.

Джеймс Томсон и Джон Беккер (Висконсинский университет, США) выделили ЭСК из замороженных бластоцист человека, оставшихся не использованными после ЭКО . Их этих клеток они создали пять клеточных линий ЭСК. Опубликованные в 1999 году в журнале Science результаты экспериментов были признаны третьим по важности событием в биологической науке ХХ века после открытия двойной спирали ДНК и расшифровки генома человека.
Очень заманчиво было использовать ЭСК в медицине. Казалось, это так просто: взять клетку, заставить ее пройти путь дифференцировки, получить из нее готовые ткани или органы и пересадить их в организм. Первое препятствие на новом пути возникло изза источника эмбриональных стволовых клеток. Церковь и религиозная общественность категорически выступают против использования ЭСК. При этом, естественно, имеется в виду их получение из абортивного материала. Сила этой страшилки так велика, что убежденные противники клеточных технологий забывают: ни один абортивный материал не может быть источником ЭСК. Из таких эмбрионов получаются только фетальные клетки. А источниками ЭСК могут стать только неиспользованные бластоцисты после ЭКО . Однако под давлением церкви сегодня во многих странах запрещены не только клиническое применение ЭСК, но и их исследования. Многие ученые также выступают за запрет использования ЭСК. Вот что говорит биолог Андрей Васильев из Института биологии развития РА Н:

«Если разрешить использование ЭСК, то эта сфера будет коммерциализована. Значит, появятся женщины, которые будут производить биологический материал на продажу. Цивилизованное общество не может согласиться с коммерциализацией женской репродуктивной сферы. Кроме того, в нашей стране под видом ЭСК часто используются фетальные стволовые клетки из плода на средней и поздней стадии развития».

Впрочем, для получения эмбриональных стволовых клеток вовсе не обязательно идти в клинику ЭКО . Есть и другой вариант — в лабораториях мира уже созданы клеточные культуры ЭСК, которые могут бесконечно долго делиться и которые можно использовать. Но дело в том, что со временем в таких клетках накапливаются мутации, и нет гарантий, что эти мутации не нанесут вреда после пересадки. ЭСК имеют еще один большой недостаток: поскольку они могут делиться практически бесконечно, при их трансплантации высок риск образования раковой опухоли.
Как это часто происходит в науке, перечисленные сложности подтолкнули научный мир к тому, чтобы найти альтернативу эмбриональным стволовым клеткам. И она нашлась. Получить собственный зародыш можно в любой момент. Ученые начали исследовать стволовые клетки взрослого организма. Идея состояла в том, чтобы попытаться вернуть этим клеткам утраченные потенции, то есть вернуть им возможность превращаться в клетки любых тканей, а не одной или нескольких. Для этого их надо фактически «перепрограммировать» — изменить программу работы генов.

Первым, кому это удалось, стал Шинья Яманака (Shinya Yamanaka) из Университета Киото. В 2006 году Яманака взял фибробласты мыши и при помощи ретровируса ввел в них четыре «эмбриональных» гена (Oct-3/4, SOX2, c-Myc, и Klf4). Так он «перепрограммировал» клетки и заставил их вернуться в эмбриональную стадию. Клетки Яманаки получили название — индуцированные плюрипотентные клетки (ИПСК). Оказалось, что их свойства практически не отличаются от свойств ЭСК, в них работают те же самые гены и синтезируются те же белки. В 2007 году произошло еще одно важнейшее достижение — получены ИПСК из взрослой клетки человека. Это сделали независимо две исследовательские группы: тот же Шинья Яманака из Университета Киото и Джеймс Томпсон из Университета Висконсин-Мэдиссон. А в 2009 году из ИПСК, которые были получены из мышиных фибробластов, удалось вырастить здоровых мышей. Затем мышей вырастили из ИПСК, полученных из мышиных В-лимфоцитов.

«Открылась уникальная возможность: не разрушая эмбрион, не нарушая никаких моральноэтических догм, получить клетки, совместимые с пациентом, — говорит Андрей Васильев. — Мы берем кусочек кожи человека, получаем эти клетки в культуре. Потом определенным образом вводим туда четыре гена и получаем плюрипотентные клетки для этого человека. Это клетки как бы зародыша этого человека. Из них мы можем получить специально для этого человека: нейроны, клетки кожи, крови, сердечной мышцы, печени, поджелудочной железы. Клеточные биологи могут их использовать для лечения:   заболеваний, инфаркта, гепатита, диабета». От экспериментов до клинической практики еще нужно решить несколько важных проблем. Основная — проблема безопасности. Поскольку ИПСК приобретают свойства ЭСК, они также могут вызывать раковую опухоль. Риск остается.

Сделат ь из кожи новое сердце или печень Ну а зачем вообще что-то придумывать, если стволовые клетки есть в каждом из нас? Они действительно были обнаружены в каждой ткани, и благодаря им наши органы и ткани в течение жизни постоянно обновляются. В определенных зонах мозга из нейральных стволовых клеток образуются нейроны, в сердце — развиваются кардиомиоциты, в печени —гепатоциты и т.д. Стволовых клеток во взрослых тканях очень немного, но они постоянно трудятся над обновлением организма. «Представим себе преподавателей университета, — объясняет Андрей Васильев, — это стволовые клетки, они выпускают специалистов — дифференцированные клетки разных тканей. Но из сотни специалистов два-три человека остаются на кафедре и  продолжают обучать студентов. Если этого не будет, специалисты не будут возобновляться.

Однако чтобы приручить эти клетки и использовать для лечения, нужно их сначала достать. А вот это сделать очень непросто: трудно добраться до укромных уголков мозга, сердца и т.д., не повреждая органы. Но есть еще один выход: взять те клетки, что лежат «под рукой» (проще всего — клетки кожи) и заставить их видоизмениться в то, что нам надо. При этом возможно оказалось миновать плюрипотентную стадию: не превращать клетку в подобие эмбриональной, а сменить ей «специальность».

Используем опять аналогию с человеком. Чтобы из ученого стать журналистам, не нужно возвращаться в детство и идти в школу, даже второе высшее образование необязательно получать — достаточно чему-то подучиться. «Этим путем сейчас активно идут ученые, — объясняет Андрей Васильев. — Мы можем из одной специализированной клетки, обработав ее некими генами или белками, получить другую специализированную клетку. Это позволит нам практически из любой ткани получить клеточные запчасти для человека. ИППК — это будущее медицины, а такой путь — уже настоящее». По оценкам специалистов, для эксклюзивного использования новые клеточные технологии будут доступны через 3-5 лет, а для широкого внедрения — через 10-15 лет

17.03.2012

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий