Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра «Гистологии, цитологии и эмбриологии» Реферат Стволовые клетки. Исполнитель: студент группы ОЛД-221 Кульпина А.А. Консультант: Новикова Е.А. к.б.н., старший преподаватель Екатеринбург 2022г Оглавление 1. Введение. Понятие о стволовых клетках………….…………………….3 2. Цель и задачи работы……………………………………………………..5 3. История открытия, изучения и применения стволовых клеток………..5 4. Характеристика типов стволовых клеток………………………………..6 5. Некоторые актуальные проблемы исследования стволовых клеток…..9 6. Региональные особенности использования стволовых клеток……….12 7. Заключение……………………………………………………………….13 8. Термины и определения…………………………………………………14 9. Список литературы………………………………………………………15 1. Введение. Понятие о стволовых клетках Конец ХХ в. ознаменовался крупными достижениями молекулярной и клеточной биологии, которые создали предпосылки для применения принципиально новых эффективных технологий при лечении различных заболеваний. Успешная разработка методов выделения и длительного культивирования стволовых клеток (СК) открыли широкие перспективы для применения их в медицине. Последние достижения современной биотехнологии и генной инженерии готовят мировую науку врачевания к величайшему прорыву в истории: посредством пересадки СК излечивать тяжелейшие недуги. Клетки нашего организма в основной массе специализированы, т. е. соответствуют и определяют специфические функции органов и тканей и в свою очередь определяются этими функциями. Всего в человеческом организме более 200 типов специализированных клеток. На самых ранних стадиях развития эмбриона клетки не специализированы (рис. 1). Они получили название стволовых, так как расположены в основании воображаемого ствола генеалогического древа клеток, которое венчает крона из различных специализированных клеток. В отличие от обычных клеток, выполняющих строго определенные функции в организме, СК обладают возможностью приобретения в ходе развития специализации. Они — универсальный строительный материал, которого при умелом генетическом манипулировании соответствующем функциональном и анатомическом окружении «произрастет все, что угодно (нужное организму)», от нейронов мозга, до клеток тканей, выстилающих кишечник. 3 Рис. 1 Стволовые клетки эмбриона мыши с флуоресцентным маркером Необратимое преобразование изначально эмбриональных клеток в специализированные, образующие ткани и органы, называется дифференцировкой. Таким образом, СК — это клетки, способные к широкой специализации и сохраняющие эту способность (специализироваться) в течение длительного времени (в течение жизни). В связи с этим используются также термины: способность к самовоспроизводству, т. е. делению, в результате которого образуются опять СК, а также к самообновлению, т. е. сохранению жизнеспособности в результате внутриклеточной регенерации СК. За длительную способность к самовоспроизводству эмбриональных СК часто называют «бессмертными», т. е. способными длительное время воспроизводить себе подобных. Это свойство СК сейчас широко используется при размножении их в питательной среде [2]. 4 2. Цель и задачи работы Получить базовые знания о стволовых клетках и изучить направления их использования, осознать важность дальнейших исследований СК и ознакомиться с проблемами их применения. 3. История открытия, изучения и применения стволовых клеток Впервые концепция стволовых клеток (СК) была предложена русским учёным Александром Максимовым в 1908 г. Он сделал доклад на съезде Немецкого гематологического общества в Берлине о том, что в нашем организме пожизненно сохраняются недифференцированные клетки, которые могут превращаться в специализированные клетки крови и соединительной ткани. Позднее, А.А. Максимов назвал эти клетки «стволовыми», имея в виду, что они находятся в «стволе» — основе кроветворного древа [1]. Первая попытка медицинского применения СК костного мозга была сделана в 1891 г. двумя известными французскими учеными: Шарлем БроунСекаром (1817–1894 гг.; физиолог и невропатолог, член-корреспондент Французской академик наук) и Жаком д’Арсонвалем (1851–1940 гг.; физиолог и физик основоположник биофизики, член Французской Академии), которые попытались излечить больного лейкемией путем приема вытяжки костного мозга внутрь. Естественно, попытка успеха не имела. При этом ученые, конечно, не пытались использовать стволовые клетки костного мозга, о которых они еще ничего не знали, но рассчитывали на лечебный кроветворный эффект самого костного мозга. Первая успешная пересадка костного мозга была сделана в 1940 г. Моррисом и Самваком, которые произвели трансплантацию 13 мл костного мозга больному апластической анемией. Можно предположить, что успешность операции объяснялась тем обстоятельством, что донором был монозиготный близнец. 5 Значительный вклад в изучение СК был внесен российскими учеными Александром Яковлевичем Фриденштейном (1924–1998) и Иосифом Львовичем Чертковым. Ученые открыли, что в костном мозге существуют два вида мультипотентных стволовых клеток: гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) — предшественники всех типов клеток крови, и стромальные (мезенхимальные) стволовые клетки (ССК) — долгоживущие и редко делящиеся стволовые клетки. Оба типа стволовых клеток постоянно циркулируют в кровотоке. Свои исследования А. Я. Фриденштейн и И. Л. Чертков обобщили в монографии «Клеточные основы кроветворения (кроветворные клетки предшественники» [3]. В 1998 г. Джеймс Томсон (Висконсинский университет, США) опубликовал в журнале Science статью о выделении эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) из бластоцист человека. Одновременно с ним Джон Герхарт (Университет Джона Гопкинса, США) опубликовал в национальной академии США статью на эту же тему. По утверждению журнала Science, выделение и культивирование вне организма (размножение в питательной среде в специальных пластиковых флаконах) ЭСК является третьим по значимости открытием в биологии (после расшифровки двойной спирали ДНК и завершении расшифровки «Генома человека») [4]. 4. Характеристика типов стволовых клеток В литературе чаще всего используют 2 классификации стволовых клеток: 1) по способности к дифференцировке (схема 2). • Тотипотентная СК (от лат. totus — полный, единый). Эта единственная 6 клетка воспроизводит все органы эмбриона и необходимые для его развития структуры — плаценту и пуповину. К ним относятся только оплодотворённый ооцит и бластомеры 2–8 клеточной стадии. Схема 2. Классификация СК по способности дифференцироваться • Термин «плюрипотентный» используют для описания клетки, которая может быть источником клеток, производных любого из 3 зародышевых листков (эктодермы, энтодермы, мезодермы). К ним относятся ЭСК, первичные половые клетки и клетки эмбриональных карцином. • Мультипотентные СК способны образовывать специализированные клетки нескольких типов (например, клеткикрови, клетки печени, головного мозга). 7 • Унипотентные СК — это клетки, дифференцирующиеся в обычных условиях только в специализированные клетки определенного типа. [5]. 2) по источнику происхождения. • Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК): a) тотипотентные — это клетки эмбрионов и внезародышевых оболочек до имплантации (11 день после оплодотворения), способные дифференцироваться в полноценный организм; в) полипотентные клетки эмбриона с постимплантационного периода до 8-й недели включительно, способные дифференцироваться в целостный орган или тканевую структуру. • Фетальные стволовые клетки (ФСК): клетки, находящиеся в пуповинной крови, плаценте, способные трансформироваться в разные типы клеток (мультипотентные клетки). • Клетки взрослого организма: a) гемопоэтические стволовые клетки — находящиеся в кроветворных органах и крови, способные давать начало, в основном, различным росткам кроветворения; в) мезенхимальные (стромальные) 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 соответствующих тканях и дифференцируются в клетки этих тканей [6]. 8 в Интересен факт, что с возрастом количество стволовых клеток в организме снижается. У новорожденного 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам - 1 на 100 тысяч, к 30 - 1 на 300 тысяч. К 50-летнему возрасту в организме уже остается всего 1 стволовая клетка на 500 тысяч (таблица 1, диаграмма 3). Таблица 1. Изменение кол-ва стволовых клеток в организме человека с возрастом. Вораст Частота встречаемости в Новорож- 20-25 лет 30 лет 50 лет организме (отношение денный кол-ва стволовых клеток 1/10.000 1/100.000 1/300.000 1/500.000 к обычным клеткам (0,0001) (0,00001) (0,000003) (0,000002) Изменение кол-ва стволовых клеток в организме человека с ворастом Новорожденный 20-25 лет 30 лет 50 лет Диаграмма 1. Изменение кол-ва стволовых клеток в организме человека с возрастом 9 5. Некоторые актуальные проблемы исследования стволовых клеток Механизмы, влияющие на эффективность трансплантируемых СК разных типов пока досконально не известны, в связи с этим последствия использования СК в терапевтических целях зачастую трудно предсказуемы. Известно, что на дифференцировку СК (рис.4) влияют многочисленные факторы, такие как механическое натяжение, объём и форма электрические поля, трофические факторы и занимаемого пространства, клеточное микроокружение. Обеспечить полное соответствие условий клеточной дифференцировки in vivo и in vitro, к сожалению, пока невозможно. Совсем недавно учёные из университета Джона Хопкинса сделали заявление о том, что для определения пути развития СК, содержащихся в костном мозге, решающее значение имеют не молекулярные сигналы, а форма, которую клеткам приходится принимать, а также размер их личного пространства. Рис.4. Дифференцировка СК Через неделю проведения эксперимента стало ясно, что около 45% клеток, которые вынудили принять округлую форму, начали видоизменяться в 10 направлении жировой ткани, а 50% клеток, которые оказались растянутыми — в направлении ткани костной. По прошествии 4-ёх недель все клетки приняли вид, продиктованный их формой. Этот пример показывает насколько трудно обеспечить прогнозированное и корректное развитие СК. Помимо этого, иногда, бывает сложно определить, что именно получилось в процессе развития СК — полностью функциональная специализированная клетка ожидаемой ткани, или же, что бывает чаще, «промежуточная» клетка, несущая на своей поверхности несколько рецепторов, характерных для данного вида ткани, но не способная полностью заменить дефектные клетки [7]. Второй серьёзный вопрос, на который пока нет однозначного ответа, касается реакции полученных клеток на лекарственные вещества, используемые пациентом. Эти вопросы поднимают серьёзную проблему оценки качества образовавшихся в организме клеток [8]. В третьих, не меньшая проблема появляется при использовании клеток, полученных путём терапевтического клонирования, поскольку весьма велик риск появления генетических мутаций при генно-инженерных манипуляциях. Гарантии безопасности биологического материала при генно-инженерных манипуляциях пока недостаточно проработаны. Ещё одной проблемой использования СК является иммунологическая несовместимость клеток, пересаживаемых реципиенту. Даже тщательный подбор донора и реципиента по антигенам главного комплекса гистосовместимости (HLA) и успехи иммуносупрессивной терапии не решают полностью эту проблему: вероятность иммунологического отторжения попрежнему достаточно велика. Проблема гистосовместимости решается применением собственных аутологичных стволовых клеток (аутологичные МСК). Главный их недостаток 11 — это меньшая по сравнению с эмбриональными и фетальными клетками способность давать начало различным клеточным линиям, а также трудности выделения и хранения. [9]. 6. Региональные особенности использования стволовых клеток В США разрешено работать с уже существующими линиями ЭСК. Президентский указ ввёл ограничения на работу с ЭСК, полученными позже 9 августа 2001 г. Только линии, полученные до этой даты, могут быть использованы для федеральных фундаментальных исследований. Ситуация парадоксальная — раз уж клеточные линии имеются, то с ними надо работать, но пополнять нельзя. В европейских странах не выработано единого подхода к использованию СК. Законодательство в этой области варьирует от разрешения экспериментов с ЭСК для терапевтического клонирования клеток больного человека, создания банков ЭСК, создания и клонирования предимплантационных зародышей (до 14-го дня развития) для изолирования линий ЭСК (Великобритания, Бельгия и Швеция) до запрещения получения ЭСК (Германия, Швейцария). Во Франции разрешено работать с уже созданными линиями и получать новые линии с целью терапевтического клонирования органов и тканей больного человека. Хотя в Германии и Швейцарии закон запрещает получение ЭСК, но разрешает учёным работать с импортированными линиями ЭСК, а также с ЭСК животных и СК из тканей взрослого человека. В Канаде запрещено получение ЭСК из ранних зародышей человека. В Японии разрешены эксперименты с зародышами, остающимися после процедуры искусственного оплодотворения. Закон позволяет клонировать предимплантационные зародыши для выделения ЭСК и создания банков клеток-дериватов ЭСК. 12 В Индии и Китае активно ведутся исследования как по получению линий ЭСК человека, так и выделению ЭСК из других биоисточников, например, межвидовых клеточных гибридов. В России пока нет никаких законодательных ограничений на работы с ЭСК с целью терапевтического клонирования. Юридических норм, определяющих статус предимплантационных зародышей, не существует. В настоящее время в Российской Федерации действуют ФЗ «О трансплантации органов и (или) тканей человека», «О временном запрете на клонирование человека», Приказ МЗ РФ № 67 от 26.02.03, определяющий практику искусственной фертилизации для лечения бесплодия [3]. 7. Заключение В заключение отмечу, что использование СК, несмотря на имеющиеся сложности, признаётся большинством специалистов одним из наиболее перспективных направлений развития медицины XXI века. В то же время существуют весьма серьёзные проблемы, ограничивающие использование СК, носящие более биомедицинский, нежели этический характер. Есть надежда, что эти проблемы окажутся лишь «болезнями роста» использования СК в практической медицине, которые ранее коснулись и других методов лечения, сегодня являющихся рутинными и широко применяемыми в повседневной клинической практике. 13 Термины и определения 1. Стволовые клетки (СК) – недифференцированные клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей. 2. МСК – мезенхимные стромальные клетки. 3. ЭСК -эмбриональные стволовые клетки. 4. Фертиильность (лат. fertilis — «плодородный, плодовитый») способность половозрелого организма производить жизнеспособное потомство. Противоположно понятиям «бесплодие», «стерильность». 14 Список литературы 1. Акопян, А.С. Некоторые актуальные исследований стволовых клеток // проблемы клинических Акопян А.С., Белоусов Д.Ю., Рысулы М.Р., Куликов А.В. / Биомедицинская этика – 2010. - №1 – С. 22-24 2. Мезен, Н.И. Стволовые клетки // учебно-методическое пособие / Мезен Н.И., Квачева З.Б., Сычик Л.М. – 2-е изд., доп. – Минск : БГМУ, 2014 – 62 с. 3. Вермель, А. Е. Стволовые клетки : общая характеристика и перспективы применения в клинической практике / А. Е. Вермель // Клиническая медицина. 2004 - № 1 - С. 5–11 4. Вилкова, Ю. В. Изучение способности стромальных клеток костного мозга в культуре направлении / Ю. к дифференцировке В. Вилкова // в кардиомиоцитарном Клеточные культуры. Информационный бюллетень / сост. и науч. ред. М. С.Богданова ; Институт цитологии РАН. СПб, 2008 С. 37–45. 5. Введение в методы культуры клеток, биоинженерии органов и тканей / В. П. Шахов [и др.]. Томск, 2004 385 с. 6. Зуева, Е. Е. Стволовые клетки. Некоторые биологические особенности и терапевтические возможности / Е. Е. Зуева, А. В. Куртова, Л. С. Комарова // Гематология. 2005 Т. 6 С. 705–724. 7. Хулуп, Г. Я. Пластичность стволовых красного костного мозга и их применение в регенеративной медицине / Г. Я. Хулуп, С. Ю. Мастицкая // Медицина. – 2006 - № 1 С. 6–9. 8. Стволовые клетки как общебиологическая проблема / Р. А. Полтавцева [и др.] // Онтогенез. 2003 Т. 34, № 3 С. 204–210. 9. Титов, Л. П. Иммунология : терминол. словарь / Л. П. Титов. М. : МИА, 2008 С. 510 15
