Стволовые клетки на службе человека

Стволовые клетки на службе человека
В последнее время стремительно развиваются новые направления на стыке различных наук и техники: нанотехнология, биотехнология, генная инженерия и др. От учащихся старших классов различных профилей все чаще можно услышать вопросы, связанные с туннельным микроскопом,
ГМО, программой «Геном человека», новейшими исследованиями в области применения стволовых клеток для лечения различных заболеваний. Конечно, на предмете «Естествознание» есть время для рассмотрения такой важной и интересной темы.
В современной медицине, пожалуй, нет темы более спорной, чем применение стволовых клеток. Масло в огонь подливают многочисленные
«многопрофильные» медицинские центры, которые в Интернете и СМИ обещают за ваши деньги вылечить с помощью стволовых клеток любой недуг, часто ссылаясь на хорошие результаты лечения и мнения уважаемых ученых. Для того, чтобы учащиеся ориентировались в современном мире биологической информации, необходимо, на наш взгляд, познакомить их с проверенными научными фактами, теориями и еще статистически недостоверными данными применения стволовых клеток в медицине.
Знакомство со стволовыми клетками можно начать при изучении темы «Индивидуальное развитие организмов» на этапе рассмотрения эмбрионального периода их развития. При слиянии сперматозоида с яйцеклеткой образуется зигота, которая начинает делиться, не увеличиваясь в размерах, т.е. дробиться, образуя клетки - бластомеры. Это и есть первые в организме стволовые клетки – т.е. клетки, способные превращаться
(специализироваться) в любую клетку организма (для млекопитающих это примерно 350 типов!). Такое свойство стволовых клеток называют
тотипотентностью.
Кроме того, стволовые клетки, в отличие от других, могут делиться
неопределенное число раз! Для учащихся, интересующихся предметом, можно пояснить, что такая особенность стволовых клеток связана с наличием фермента теломеразы, который позволяет при каждом последующем делении стволовой клетки не лишаться ей участка ДНК при удвоении. В обычных же соматических клетках такой фермент неактивен или вовсе отсутствует, и, следовательно, клетка запрограммирована на определенную продолжительность жизни (число делений). В конечном итоге клетка теряет жизненно важные гены и погибает. Представьте себе, что теломераза была бы активна во всех клетках – человек был бы бессмертен!
Кстати, половые и раковые клетки за счет все той же активной теломеразы также неограниченны в числе делений. И, если это свойство половых клеток играет положительную роль для сохранения вида, то для раковых клеток – обуславливает страшную болезнь, которая занимает второе место (после сердечно-сосудистых заболеваний) среди причин смертности человека.
Еще одной особенностью стволовых клеток является их неравномерное
деление, – одна дочерняя клетка специализируется в какую-либо клетку

ткани, а вторая - остается стволовой. Это позволяет стволовым клеткам поддерживать определенную численность их популяции и позволяет образовывать целую иерархию стволовых клеток в организме, которые запасаются в определенных депо.
И, наконец, для стволовых клеток характерен эффект Хоуминга – способность находить зону повреждения и фиксироваться в ней, восполняя утраченную функцию при введении в организм. Свойство стволовых клеток к миграции обусловлено биохимическими сигналами, поступающими из области, нуждающейся в этих клетках и воспринимаемыми их рецепторами.
Таким образом, эффект Хоуминга можно объяснить способностью клетки к хемотаксису (хемо - химический; таксис - двигательная реакция) - направленное движение клеток под действием биохимических веществ, вырабатываемых в той области организма, которая нуждается в помощи стволовых клеток.
После знакомства с уникальными особенностями стволовых клеток учитель может поставить проблемный вопрос – «Есть ли у стволовых клеток иерархия?». Очевидно, если такая иерархия существует, необходимо познакомиться с классификацией стволовых клеток.
Классифицировать
стволовые клетки можно по нескольким основаниям. Так, по их способности к дифференциации различают:
- тотипотентные клетки (зигота и образованные ей бластомеры 2 – 8 клеточной стадии, которые являются началом иерархии стволовых клеток);
- плюрипотентные клетки (эмбриональные стволовые клетки и первичные половые клетки, которые способны формировать различные клеточные линии);
-
взрослые,
регионарные
или
тканевые клетки запасаются в сформировавшихся тканях взрослого организма, и, в свою очередь, могут дать начало нескольким видам клеток одной клеточной линии –
мультипотентные клетки, или могут создать только один вид клеток -
унипотентные.
Важным основанием для классификации стволовых клеток в медицине служит источник их выделения из организма:
- эмбриональные стволовые клетки – клетки эмбриона на этапе 4-7 дней развития;
- фетальные стволовые клетки - клетки зародыша на 9-12 неделе развития, выделяются из абортивного материала;
- стволовые клетки взрослого организма (см. табл.1)
Таблица 1
Классификация стволовых клеток взрослого организма
Тип клеток
Места нахождения в
организме
Способность к
дифференциации
Гемопоэтические стволовые клетки
В костном мозге, системном кровотоке и скелетных мышцах
Дают начало всем клеткам крови: крови - эритроцитам,
В- и Т -лимфоцитам, нейтрофилам, базофилам,

эозинофилам, моноцитам, макрофагам и тромбоцитам
Мезенхимные
(стромальные) стволовые клетки
Главным образом в костном мозге, также обнаруживаются в жировой и костной ткани, пуповинной крови
В различные типы мезенхимальных тканей
(например, в костную, мышечную, хрящевую, жировую ткани), а так же в клетки других зародышевых слоёв
Тканеспецифичные стволовые клетки
Располагаются в различных видах тканей
Отвечают за обновление клеточной популяции определенной ткани при ее повреждении
Дальнейший материал учителю целесообразно использовать в классах биологического профиля или на факультативных занятиях, а также при связи биологии с жизнью на базовом уровне.
Изучение и использование стволовых клеток.
Воспитывая чувства патриотизма и гордости за свою страну, необходимо обратить внимание учащихся, что у истоков изучения стволовых клеток
стоял русский ученый гистолог А.А. Максимов (фото), который на заседании
Общества Гематологов в Берлине 1 июня 1909 г. ввел термин «стволовая
клетка». Основоположником клеточной терапии был также русский ученый
С. Воронцов (фото), работавший в 20-е гг. в Париже (рис.1).
А.А. Максимов С. Воронцов
Рис.1. Русские ученые, стоявшие у истоков изучения стволовых клеток.
Большой вклад в исследования стволовых клеток в России в 60-70-е гг. сделали гематологи А. Фриденштейн и И. Чертков. Самыми важными вехами мировой науке в области исследования стволовых клеток конца XX века можно считать следующие:
- 1981 г. - американский биолог Мартин Эванс впервые выделил из бластоцитов мыши недифференцированные плюрипотентные линии стволовых клеток,

- 1998 г. Д. Томпсон и Д. Герхарт выявили бессмертную линию эмбриональных стволовых клеток.
- 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека».
За последние годы уже XXI века исследования в области терапии с помощью стволовых клеток стремительно шагнули вперед и продолжают развиваться.
Важным аспектом использования стволовых клеток в медицине является
создание своеобразного банка таких клеток для медицины настоящего и будущего. Причем подумать о сдаче стволовых клеток в подобный банк нужно заранее, так как доля стволовых клеток в организме в процессе старения постоянно уменьшается (при рождении - 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч клеток; к 20 - 25 годам - 1 на 100 тысяч; к 30 - 1 на
300 тыс.; к 50 – 1 – на 500 тыс.), а серьезные проблемы со здоровьем появляются в старости.
Большую этическую проблему представляет забор эмбриональных и
фетальных стволовых клеток во время аборта и их использование в медицинских целях. Против абортов выступают различные общественные организации и церковь, и, конечно же, большинство медицинских работников. Однако бывают случаи, когда не удается избежать преждевременного прерывания беременности, и тогда, по мнению многих ученых, можно и нужно извлекать из абортируемого материала и изучать эмбриональные стволовые клетки.
Сегодня наиболее изучено применение собственных стволовых
клеток взрослого организма, которые получают либо из костного мозга пациента, либо с помощью специальных препаратов, которые «выгоняют» стволовые клетки в кровь, откуда их и отделяют. Данной технологии ученые доверяют больше всего, так как собственные стволовые клетки не отторгаются организмом как чужеродные, и, кроме того, при введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность их злокачественного перерождения. Это мнение подтверждается тем, что
1 июля 2010 года
Федеральная служба по надзору в сфере здравоохранения и социального развития РФ выдала первое в нашей стране разрешение на применение новой медицинской технологии - лечение собственными стволовыми
клетками (ФС № 2010/255 ).
Можно выделить два основных направления использования
стволовых клеток (прежде всего собственных) - клеточная терапия и
выращивание органов для трансплантации.
Клеточная терапия разработана наиболее полно, и уже успешно применяется на практике в ряде областей медицины, что связано в первую очередь с

обнаружением различных видов тканеспецифичных стволовых клеток (см. таблицу 2).
Таблица 2

Взаимосвязь клеточной терапии с обнаруженными тканеспецифичными
стволовыми клетками
Вид
тканеспецифичных
стволовых клеток
Как дифференцируются?
В какой области
медицины
используются?
Миокарда
Способны дифференцироваться в кардиомиоциты и эндотелий сосудов
Кардиология
Нейрональные
Дают начало трем основным типам клеток: нервным клеткам (нейронам) и двум группам не нейрональных клеток - астроцитам и олигодендроцитам.
Неврология
Жировой ткани
Из них можно выращивать клетки нервов, мышц, костей, кровеносных сосудов.
Кардиология
Неврология
Гематология
Дерматология
Спинного мозга
Дают начало разным типам клеток: костным клеткам
(остеоцитам), хрящевым клеткам (хондроцитам), жировым клеткам
(адипоцитам), а также другим типам клеток соединительной ткани, в частности крови.
Ортопедия
Гематология
Кожи
Дают начало кератоцитам, которые мигрируют на поверхность и формируют защитный слой кожи
Дерматология
Эпителиальные
Могут давать начало разным типам клеток пищеварительного тракта
Гастроэнтерология
Рассмотрим сущность применения стволовых клеток в различных областях медицины, в том числе на конкретных болезнях (рис.2).

Кардиология
Суть лечения в данном случае заключается в ведении пациенту собственных стромальных клеток костного мозга, которые способные полностью переродиться в клетки сердечной мышцы. Такая клеточная терапия уже применяется для восстановления сердечной мышцы после инфаркта
Перспективным направлением в данной области является лечение
атеросклероза (формирование одиночных или множественных очагов холестериновых отложений во внутренней оболочке сосудов головного мозга), так как стволовые клетки способны нормализовать липидный обмен и стимулировать образование новых кровеносных сосудов, в обход поврежденных, что естественно будет способствовать улучшению кровотока.
Ортопедия. Часто у пожилых людей кости после перелома уже не срастаются, что затрудняет движение и в общем итоге снижает качество жизни. Однако эту проблему могут помочь решить стромальные клетки, на которые действуют особым белком, вызывающим превращение их в остеобласты – клетки костной ткани. На практике в зону перелома внедряется специальная пористая губка одновременно и со стромальными клетками и нужными белками, направляющими развитие клеток по пути дифференцировки в остеобласт.
Неврология. О
бнаружено, что стромальные стволовые клетки костного мозга могут дифференцироваться в нервные клетки. Это дает возможность использовать данные клетки при лечении таких сложных заболеваний как
болезни Альцгеймера, хореи Гентингтона, мозжечковых атаксий и др.
Получены положительные результаты при лечении больных с серьёзными
травмами спинного мозга с помощью трансплантации стволовых клеток в его поврежденный участок.
Гематология. Данная область применения стволовых клеток наиболее хорошо изучена, так как именно кроветворные стволовые клетки костного
мозга были исследованы впервые. Уже получила международное признание трансплантация кроветворных стволовых клеток в качестве наиболее

эффективного метода лечения ряда онкологических заболеваний крови,
например, лимфомах и лейкозах.
Пересадка кроветворных стволовых клеток применяется при
аутоиммунных заболеваниях (ревматоидном артрите, системной красной волчанке, болезни Крона, неспецифическом язвенном колите), которые вызываются нарушением программы клеток иммунной системы организма – вместо того, чтобы обезвреживать чужеродные частицы, они начинают уничтожать собственные здоровые ткани. В ходе лечения иммунная система пациента «перезагружается» - в итоге, «больные» клетки уничтожаются, а из кроветворных стволовых клеток дифференцируются «здоровые» клетки иммунитета.
Рассмотрим более подробно такую болезнь как
рассеянный склероз -
хроническое аутоиммунное заболевание, при котором «больные» клетки
«пожирают» миелиновую оболочку (покрывает аксоны нейронов и помогает быстро проводить нервный импульс) нервных волокон головного и спинного мозга. Изменение проводящей функции нервной системы проявляется в виде нарушений двигательной активности конечностей, ухудшении зрения, что ведет в конечном итоге к инвалидизации человека. Эта болезнь проявляется чаще у людей 15-40 лет и сегодня считается официально неизлечимой во всем мире. Общепризнанные препараты способны лишь несущественно замедлить неконтролируемое течение рассеянного склероза. Ясно, что уже пораженные участки миелиновой оболочки не восстановятся, однако, применение трансплантации кроветворных стволовых клеток костного мозга позволяет надеяться больным рассеянным склерозом на прекращение ее дальнейшего разрушения, так как будет устранена причина болезни –
«больные» клетки.
Сахарный диабет – это болезнь, которая характеризуется высоким уровнем глюкозы в крови вследствие недостаточной выработки гормона поджелудочной железы - инсулина, главная функция которого регуляция уровня глюкозы в крови организма. Это одно из самых распространенных гормональных заболеваний в мире - количество больных приближается к
200 млн. человек.
Лечение сахарного диабета стволовыми клетками основано на их удивительной способности заменять поврежденные клетки поджелудочной железы, восстанавливая функциональность этого органа, укреплять иммунную систему организма.
Дерматология. В норме процесс обновления верхних слоев кожи происходит постоянно и обеспечивается размножением мезенхимальных стволовых клеток, размещенных в базальных пластах эпидермиса и возле основы волосяных фолликулов,
и клеток костного мозга, поступающих в кожу из кровотока. Однако данный процесс с возрастом происходит все менее интенсивно, поэтому кожа стареет, появляются морщины. Различные типы стволовых клеток (фибробласты кожи, мезенхимальные стволовые клетки, выделенные из жировой ткани или плаценты/пуповины) уже давно применяются в виде внутрикожных микроинъекций в крупных косметологических клиниках всего мира для устранения признаков старения

кожи. Подобные технологии применяются и для восстановления кожи после
ожогов и травм.
Гастроэнтерология. Лечение основано на том, что тканеспецифичные эпителиальные стволовые клетки способны дифференцироваться в ткани различных отделов пищеварительного тракта. Так при лечении гастрита стволовыми клетками происходит восстановление клеток слизистой оболочки желудка, в ней нормализуется кровообращение, что ведет к нормальному всасыванию пищи и своевременному прохождению ее в кишечник. Лечение язвы желудка и язвенной болезни двенадцатиперстной
кишки основано также на том, что введенные эпителиальные стволовые клетки замещают пораженные ткани пищеварительного тракта на здоровые.
Логическим результатом успехов использования стволовых клеток при лечении различных болезней является присуждение нобелевской премии по
физиологии и медицине за 2007 г. трем ученым: американцам Марио Капекки и Оливеру Смитису и британцу Мартину Эвансу за ряд основополагающих открытий, которые позволяют применять стволовые клетки для лечения онкологических заболеваний, диабета, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний.
Таким образом, применение стволовых клеток в медицине уже дает возможность решить проблему лечения ряда тяжелейших заболеваний человека.
Выращивание органов для трансплантации - это перспективное направление использования стволовых клеток на благо человека. Ученые в ближайшем будущем надеются создавать из них ткани и целые органы, необходимые больным для трансплантации. Их преимущество перед донорскими органами в том, что их можно вырастить из клеток самого пациента, и они не будут вызывать отторжения. Приведем успешные примеры по выращиванию тканей и органов из стволовых клеток (см. табл.3).
Таблица 3
Выращивание тканей и органов из стволовых клеток
Год
Место
Что вырастили из стволовых клеток?
2004
Япония
Структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток человеческого эмбриона
2005
США
(Флорида)
Полностью сформированные и приживающиеся клетки головного мозга
2006
Швейцария
Клапаны человеческого сердца
2006
Англия
(университет
Ньюкасла)
В лабораторных условиях искусственную
«минипечень» из стволовых клеток, взятых из пуповинной крови
2006
США
Мочевой пузырь и клетки гладкой мускулатуры
2007
Англия
Ткань, из которой состоят сердечные клапаны, а также сперму

2007
Япония
Роговица глаза и зуб
2008
Япония
Тромбоциты
2008
США
Новое сердце на каркасе от старого
А что происходит сегодня в области использования и исследования
стволовых клеток в России?
По мнению ученых, уровень проведения сложнейших трансплантаций стволовых клеток в России соответствует мировым стандартам, однако количество таких операций в нашей стране на порядки меньше, чем в странах
Западной Европы и США. Приведем данные 2009 года: в России проведено
558 трансплантаций, в Израиле - 626, в Европе - более 28 тыс., США - не менее 20 тыс.

Исследования стволовых клеток в России проводиться чаще всего в рамках различных государственных программ, например, о траслевой программы «Новые клеточные технологии - медицине», от которой ожидаются следующие результаты:
- разработка методов получения стволовых клеток, характеризующихся высоким пролиферативным потенциалом in vitro, обладающих способностью к дифференцировке в клетки различных органов и тканей человека на всех этапах постнатального онтогенеза;
- создание банка стволовых клеток, которые могут быть использованы в терапевтических целях;
- разработка биомедицинских технологий для применения стволовых клеток в медицинской практике, в том числе по следующим направлениям: гематологическое, кожные покровы, онкологическое, диабет, центральная и периферическая нервная система, сердечно-сосудистое, ткани глаза, опорно- двигательный аппарат.
Приведем также примеры научных центров, которые занимаются проблемой исследования стволовых клеток в России.
Институт цитологии и генетики СО РАН. Исследования ведутся в течение 10 лет. Создана технология получения эмбриональных гибридных клеток.
Научный центр акушерства и гинекологии им. В.И. Кулакова
Ведутся эксперименты по выделению стволовых клеток из фетальных тканей.
Гематологический научный центр РАМН. Изучаются механизмы поддержания кроветворения на уровне стволовых клеток. Создана новая высокочувствительная методология, позволяющая изучать клоны производных стволовых клеток, индивидуально маркированных введением чужеродного гена или радиационными маркерами. Были получены первые в мире данные о существовании мезенхимальной стволовой клетки, отличной от стволовой кроветворной клетки.
НИИ
трансплантологии и искусственных органов. Основными направлениями исследований являются: клиническая трансплантология жизненно важных органов и функционально активных тканей и клеток,

консервация органов, тканей и клеток доноров, трансплантационная иммунология и экспериментальная трансплантология, создание, испытание и клиническое применение искусственных органов.
Национальный медико-хирургический центр им. Пирогова. Клиника
гематологии и клеточной терапии им. А.А.Максимова. Клинически апробирована с получением положительного результата высокодозная химиотерапия в сочетании с пересадкой кроветворных стволовых клеток при ряде заболеваний иммунной и нервной систем.
В итоге можно акцентировать внимание учащихся на том, что исследования в области стволовых клеток бурно продолжают развиваться во всем мире. А это значит, что вклад будущих поколений в изучение этих уникальных и прекрасных клеток еще не сделан!
Источники:
1. Корочкин Л. И. Что такое стволовые клетки. журнал «Природа», 2005, № 6 2. https://moikompas.ru/compas/stvol_kletki
3.
Репин В.С., Ржанинова А.А., Шаменков Д.А. Эмбриональные стволовые клетки: фундаментальная биология и медицина. М., 2002.
4. Отраслевая Программа «Новые клеточные технологии - медицине», утверждена 29.05.2002 на заседании президиума РАМН.

Каталог: files -> metod -> estestvoznanie -> Методические материалы
metod -> Методические рекомендации мр 1 0004-10 Издание официальное Москва 2010
metod -> Оптимальное вскармливание детей первого года жизни: грудное вскармливание и прикорм
metod -> Учебно-методическое пособие для студентов стоматологического факультета VIII семестра: учебно-методическое пособие. Краснодар, Кубгму, 2014. 76 с
metod -> Методы и методики обследования больных с кожными и венерическими заболеваниями
metod -> Методические рекомендации для студентов составлены согласно рабочей программы по фармакологии на 2014-2015 уч год
metod -> Методические рекомендации для преподавателей по учебной дисциплине «эпидемиология» на практическое занятие по теме : «Дезинфекция, стерилизация, дезинсекция, дератизация»
metod -> Методические рекомендации для преподавателей по учебной дисциплине «эпидемиология» на практическое занятие по теме : «Эпидемиология и профилактика брюшного тифа»
Методические материалы -> Стволовые клетки на службе человека