ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2011, № 3, с. 261-272
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК 591
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ - РЕЗИДЕНТЫ КОСТНОГО МОЗГА
© 2011 г. Е. И. Домарацкая
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119334 Москва, ул. Вавилова, 26
E-mail: edomar@mail.ru Поступила в редакцию 06.09.2010 г.
Костный мозг помимо стволовых кроветворных и мезенхимных стромальных клеток является источником популяций стволовых клеток, экспрессирующих маркеры плюрипотентности и способных давать дифференцированные клетки трех зародышевых листков (экто-, мезо- и эндодермы). Помимо достаточно хорошо известных плюрипотентных стволовых клеток, таких, как MIAMI, MASC, MAPS, в костном мозге и других тканях недавно идентифицирована новая популяция так называемых очень маленьких эмбрионально-подобных клеток (VSELs). Существование в костном мозге стволовых клеток с широким спектром дифференцировок позволяет по-иному интерпретировать феномен пластичности и возможность их перехода с канонического на нетривиальный путь дифференцировки. Рассмотрены фенотипические особенности VSELs, их потенции к дифферен-цировке, происхождение в индивидуальном развитии и взаимоотношения с другими типами стволовых клеток. Обсуждается участие стволовых клеток костномозгового происхождения и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в регенеративных процессах и возможность их терапевтического применения.
Открытие стволовых клеток (СК) явилось одним из самых значимых событий в области биологии ХХ в. Оно знаменует собой новую эпоху в исследовании таких фундаментальных проблем биологии развития, как морфогенез, механизмы пролиферации и дифференцировки клеток, физиологическая и репаративная регенерация тканей. Основные свойства СК — способность к самоподдержанию и неограниченно долгому воспроизведению дифференцированных клеток, специфичных для определенной ткани, легли в основу разрабатываемых методов клеточной терапии и тканевой инженерии и вызвали к жизни новую область медицины — регенеративную медицину.
В последние десятилетия СК стали предметом интенсивного изучения и обсуждения не только в научной среде, но привлекают внимание широкой общественности, поскольку использование в качестве источника СК клеток эмбрионального происхождения связано с вопросами этики. В связи с этим характеристика и потенциальное практическое использование постнатальных соматических СК разной органотипической принадлежности приобретают особую актуальность.
В индивидуальном развитии компартмент СК можно представить в виде иерархии клеток ^и-Ъа-8игша г1 а1, 2009а). Наиболее примитивной (незрелой) является тотипотентная зигота или первые бластомеры. Плюрипотентные СК (ПСК) представляют следующую стадию развития, они утрачивают тотипотентность, участвуют в образо-
вании трех герминативных слоев развивающегося зародыша (экто-, мезо- и эндодермы). Клетки каждого слоя мультипотентны и образуют все категории тканеспецифических СК. Поскольку тканеспецифические СК дифференцируются в клетки только одной ткани, в иерархии СК их иногда рассматривают как монопотентные СК.
В постнатальном периоде тканеспецифиче-ские СК идентифицированы в различных тканях и органах, где они обеспечивают их репарацию, восстанавливая численность выходящих в терминальную дифференцировку или погибающих вследствие повреждения клеток. Существует гипотеза, что тканеспецифические СК взрослого организма обладают пластичностью и в соответствующем микроокружении способны менять генетическую программу развития, преодолевать тканевой барьер и образовывать специализированные клетки, характерные для других тканей. Например, скелетные миоциты мыши в ответ на специфические факторы способны дифференцироваться in vitro в нервные, мышечные и жировые (Howell et al., 2003), а также кроветворные клетки (Jackson et al., 1999). Генетически маркированные нейральные клетки (эмбрионов и взрослых мышей) после трансплантации облученному реципиенту могут продуцировать миелоидные и лим-фоидные клетки в костном мозге (КМ) и селезенке (Bjornson et al., 1999).
ТКАНЕСПЕЦИФИЧЕСКИЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ КОСТНОГО МОЗГА
КМ как источник СК, обеспечивающих регенеративные процессы в различных органах и тканях, занимает особое место.
В постнатальном периоде развития он является главным кроветворным органом, в котором сосредоточена основная масса стволовых кроветворных клеток (СКК). На поверхности этих клеток выявлены следующие специфические антигены: Sca-1, c-kit (CD117), Thy 1, H-2K, CD34+/- (Szilvassy, Cory, 1993; Osawa et al, 1996; Christensen, Weissman, 2001). СКК генерируют все типы кроветворных и лимфоидных клеток на протяжении жизни организма и обеспечивают восстановление зрелых клеток крови не только после естественной гибели, но и в ходе патологических процессов или после действия различных повреждающих агентов.
Мезенхимные стромальные (стволовые) клетки (МСК) — другая широко представленная в КМ популяция СК. Согласно минимальным критериям, разработанным Международным обществом клеточной терапии, МСК характеризуются как адгезивные к пластику, несущие на клеточной поверхности специфические антигены (CD73, CD90, CD105) и мультипотентные клетки, дифференцирующиеся in vitro в остео-, адипо- и хон-дрогенном направлениях (Dominici et al., 2006).
КМ содержит также эндотелиальные клетки-предшественники, которые способны циркулировать в крови и участвовать в васкуляризации поврежденных тканей (Shi et al., 1998). Основная функция стромальных и эндотелиальных клеток заключается в создании локальных условий для поддержания кроветворения — так называемого кроветворного микроокружения или ниш (осте-областических и васкулярных) (Yin, Li, 2006). Клетки ниш выделяют разнообразные ростовые факторы, которые связываются с соответствующими рецепторами поверхности СКК и запускают каскад процессов, вызывающих их пролиферацию и дифференцировку или способствующих самоподдержанию. Благодаря молекулам адгезии, экспрессируемым на клеточной поверхности, клетки ниш "захватывают" из клетки крови из циркуляции и удерживают их в кроветворных органах, что важно для начала кроветворения в эмбриональном развитии, в воспалительных и иммунологических реакциях, восстановлении кроветворной ткани после повреждения и трансплантации КМ, при патологических состояниях и т.д.
ПЛАСТИЧНОСТЬ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК КОСТНОГО МОЗГА
Показано, что помимо выполнения своей основной функции — кроветворения — клетки КМ могут участвовать в образовании клеток некроветворных тканей (Herzog et al., 2003; Grove et al., 2004). В литературе описаны случаи дифференци-ровки МСК КМ человека и грызунов по немезен-химному пути, с образованием клеток нейрально-го фенотипа, экспрессирующих нейральные маркеры, в том числе нестин (Woodbury et al., 2000). Трансплантация 50 Sca-1+c-kit+Thy1loLin- СКК, выделенных из КМ здоровых мышей, особям, страдающим генетическим заболеванием печени, приводила к появлению у последних клеток печени донорского происхождения, идентифицированных по экспрессии генов ß-галактозидазы и фумарилацетоацетат гидролазы, отсутствующих в геноме реципиентов (Lagasse et al., 2000). У людей описаны случаи появления гепатоцитов и холан-гиоцитов мужского генотипа у женщин после трансплантации им КМ от мужчин (Alison et al., 2000, Thiese et al., 2000), что предполагает интеграцию клеток КМ в печень с последующим образованием гепатоцитов. Есть сообщение, что СКК донора могут дифференцироваться и в других направлениях. Так, меченые мембранным красителем PKH26 СКК самца-донора КМ трансплантировали облученным реципиентам-самкам, после чего наблюдали восстановление не только кроветворной ткани, но обнаруживали клетки, содержащие Y-хромосому, в эпителии легкого, кожи и гастроинтестинальном тракте (Krause et al., 2001). Эти исследования породили надежду на возможность широкого использования клеток КМ, прежде всего СКК, в регенеративной медицине.
Рассматривается несколько возможных механизмов пластичности клеток КМ (Herzog et al., 2003; Howell et al, 2003; Grove et al, 2004). Во-первых, трансдифференцировка коммитированных в определенном направлении клеток, когда они непосредственно или через стадию дедифференци-ровки проявляют несвойственный им характер генной активности. Во-вторых, слияние клеток КМ с некроветворными клетками с образованием гетерокариона и последующее переключение генной экспрессии с канонического пути на путь дифференцировки клетки-партнера.
Данные о пластичности СКК противоречивы. Некоторые авторы отрицают пластичность СКК, поскольку после введения в область инфаркта миокарда они не формируют кардиомиоциты (Murry et al., 2004), а после трансплантации облученному реципиенту не дифференцируются в некроветворные ткани, такие как мозг, почки, кишка, печень и мышцы (Wagers et al., 2002). Другие, напротив, считают, что СКК способны переклю-
чаться с кроветворного пути развития на образование эпителиальных клеток печени, желудочно-кишечного тракта, легких и кожи (Lagasse et al., 2000; Krause et al., 2001). Однако существует ряд причин методического характера, заставляющих с осторожностью относиться к интерпретации результатов, демонстрирующих пластичность донорских клеток (Herzog et al., 2003). Заключение о пластичности СК может быть сделано на основе анализа клеточных клонов, потомков одной СК. Однако исследование дифференцировочных потенций на уровне клона представляет значительные сложности и не всегда выполняется. Для СКК, выделенных из КМ, были сделаны попытки клонирования путем переноса их ядер в безъядерные яйцеклетки мышей (Inoue et al., 2006). Предполагалось, что геном СКК, как относительно недифференцированный по сравнению с таковым соматических дифференцированных клеток, будет эффективно репрограммирован. Однако рождение клонов авторы наблюдали не более чем 0.7% случаев, и только около 6% от общего числа реконструированных эмбрионов достигали стадий морулы или бластоцисты in vitro. Оказалось, что у эмбрионов-клонов экспрессия генов зиготы начинается в обычное время, но активации пяти из шести генов-регуляторов зиготы не происходит. Таким образом, геном СКК, по-видимому, гораздо мене
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.