Стволовые клетки в биотехнологии

Стволовые клетки в онтогенезе. Развитие начинается с зиготы, которая дробится на некое количество тотипотентных клеток. Самая ранняя специализация тотипотентных (эмбриональных стволовых - ЭСК) клеток происходит на стадии бластоцисты, у которой есть наружный слой и внутренняя клеточная масса в полости. Из наружного слоя развивается главным образом плацента, из внутренней массы – почти все органы и ткани плода. Клетки внутренней клеточной массы плюрипотентны – их наличие необходимо, но не достаточно для формирования плода. Плюрипотентные клетки подвергаются дальнейшей специализации с образованием стволовых клеток определенных типов, из которых развиваются еще более специализированные клетки (клетки-предшественники, полустволовые клетки) будущих органов и тканей. Например, форменные элементы крови развиваются из кроветворных (гемопоэтических) стволовых клеток, различные клетки кожи – из стволовых клеток кожи и т.д. Органы и ткани состоят из зрелых клеток.

Стволовы́е кле́тки — недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся во всех многоклеточных организмах. 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.

Стволовые клетки являются одной из ступеней дифферона, или гистогенетического ряда, т.е. совокупности клеточных форм, составляющих ту или иную линию дифференцировки. В диффероне различают (в порядке дифференцировки): стволовые клетки – самоподдерживающаяся популяция клеток, способных дифференцироваться в нескольких направлениях и формировать различные клеточные типы; они обладают высокой потенцией к пролиферации (делению), но делятся, как правило, редко; коммитированные (полустволовые) клетки – ранняя стадия клеток-предшественников, переходный этап от стволовых к зрелым клеткам; коммитирование – это ограничение возможных путей развития вследствие детерминации; собственно клетки-предшественники, переходный этап от стволовых к зрелым клеткам, с уменьшенной способностью к делению; зрелые клетки – способность к делению у них полностью исчезает.

Более ранние ЭСК дифференцируются в любую из 250 линий клеток органов. Плюрипотентны ЭСК дают более ограниченный спектр клеточных типов. Монпотентные СК созревают до одного преобладющего типа клеток (мышцы, жировая ткань, периферические нервы).

Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки.Мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) — мультипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в остеобласты (клетки костной ткани), хондроциты (хрящевые клетки) и адипоциты (жировые клетки). Предшественниками ММСК в эмбриогенный период развития являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК). Они могут быть обнаружены в местах распространения мезенхимы, то есть зародышевой соединительной ткани. Основным источником ММСК является костный мозг.

Важнейшей и наиболее перспективной областью клинического применения ММСК является котрансплантация совместно с ГСК (гемопоэтическими стволовыми клетками) в целях улучшения приживления образца костного мозга или стволовых клеток пуповинной крови.

In cell biology, stromal cells are connective tissue cells of any organ, for example in the uterine mucosa (endometrium), prostate, bone marrow, and the ovary. They are cells that support the function of the parenchymal cells of that organ. Fibroblasts, immune cells, pericytes, and inflammatory cells are the most common types of stromal cells.

Открытие стволовых клеток приравнивается по своей важности к раскрытию структуры ДНК. Первая концепция стволовых клеток появилась еще в 1908 г., но прорывные исследования в этой области проводились только в 1960-80-х годах. Наиболее значимым открытием для биотехнологии стволовых клеток было то, что они могут быть внесены в организм искусственно и далее давать начало любым другим клеткам.

Получение плюрипотентных клеток. Линии плюрипотентных клеток человека получают из 2-х источников:

1) из внутренней клеточной массы эмбриона на стадии бластоцисты (с разрешения донора); такие клетки выделяют в культуру, получая клеточную линию;

2) из тканей плода (с разрешения обоих супругов, при прерывании беременности) – из той области плода, которая должна развиться в гонады.

Полученные такими путями СК дают идентичные клеточные линии (зародышевые линии);

3-й способ получения линий СК апробирован на животных:

3) перенос в энуклеированную яйцеклетку ядра соматической клетки; из яйцеклеки с новым ядром формируется бластоциста, которая и служит источником плюрипотентных клеток.

За счет непрерывного размножения полустволовых клеток происходит непрерывная физиологическая регенерация клеток (в эпителии кожи, эпителии кишечника, крови); а также происходит репаративная регенерация при повреждениях. В ряде тканей в течение всей жизни сохраняются стволовые и полустволовые клетки. Их размножение происходит в ответ на случайную гибель зрелых клеток, и популяция восстанавливается. В тканях взрослого человека, где стволовых клеток не остается, регенерация на тканевом уровне невозможна, она происходит лишь на клеточном уровне.

Стволовые клетки в медицинской биотехнологии. Главнейшее применение плюрипотентных клеток – это клеточная терапия (разновидность – тканевая терапия). Клеточная терапия применяется в случае повреждения клеток в нескольких органах, когда локальная трансплантация не решает проблемы. Плюрипотентные клетки в таких случаях могут служить для замещения поврежденных клеток в разных тканях через процесс дифференцировки. Перспективные к лечению клеточной терапией болезни: болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания, ревматоидный артрит, диабет. Ведутся исследования по ввдению в организм плюрипотентных клеток с целью «подновления» нервной ткани, костного мозга, сердечной мышцы, островком Лангерганса.

Возможна трансплатнация СК для замещения серьезных генетических дефектов в органах. При этом СК дают ростки донорской ткани. Всего 3-5% генетически нормальных клеток достаточно, чтобы восстановить утраченную биохимическую функцию поврежденной печени, скелетной мышцы, эндокринной железы. В частности, на животных показано, что трансплантация нормальных клеток сердечной мышцы особям с сердечной недостаточностью приводит к частичной замене пораженных клеток, без отторжения донорных клеток. Введение предшественников клеток кости в зону перелома может ускорить процесс сращивания кости. Введение предшественников хрящевых клеток в суставную сумку может стимулировать регенерацию хряща. В случае, если диабет связан с нарушениями в островковых клетках поджелудочной железы, трансплантация донорских островковых клеток позволяет снизить регулярно принимаемую дозу инсулина.

Применение СК в клинической практике, тем не менее, тормозится следующими причинами:

- не выяснены до конца события, предшествующие переходу клетки в организме реципиента к стадии дифференцировки;

- существует проблема иммунологического отторжения.

Этическая и правовая сторона вопроса. Начиная с 2007 г. в Европейском Союзе принят законопроект, регулирующий терапию стволовыми клетками. Эта практика законна в настоящее время в нескольких странах, включая Великобританию и Украину. Каждая страна имеет право на запрет как практики, так и исследований, связанных с терапией на основе человеческих эмбрионов.

Одно из возможных направлений применения СК – это генная терапия in vivo: когда в организм пациента, страдающего генетическим заболеванием, можно ввести не обычные СК, а генетически модифицированные, которые замещают дефектные клетки, либо восполняют недостаток продукта того гена, который введен в геном вводимых клеток. Стволовые клетки можно получить от самого пациента, либо от совместимых с ним доноров. Данное направление пока находится в самой начальной стадии развития.

Кроме того, при биомедицинских исследованиях на стволовых клетках возможно тестирование лекарственных и токсических веществ, на ЭСК разрабатываются технологии лечения наследственных заболеваний.

Применение стволовых клеток в генной инженерии состоит в следующем. Для создания трансгенных животных берутся ЭСК из внутренней клеточной массы бластоцисты животного, культивируются, трансген вводится в них с помощью вирусного вектора, трансфицированые ЭСК вводят микроинъекцией в бластоцисту, имплантируют бластоцисту в суррогантую мать, которая рождает трансгенное животное.

Клеточная инженерия с примением ЭКС.

Кле́точная инжене́рия - конструирование специальными методами клеток нового типа. Клеточная инженерия включает реконструкцию жизнеспособной клетки из отдельных фрагментов разных клеток, объединение целых клеток, принадлежавших различным видам (и даже относящихся к разным царствам — растениям и животным), с образованием клетки, несущей генетический материал обеих клеток

КЛЕ́ТОЧНАЯ ИНЖЕНЕ́РИЯ - создание клеток нового типа на основе их гибридизации, реконструкции и культивирования. В узком смысле слова под этим термином понимают гибридизацию протопластов или животных клеток, в широком — различные манипуляции с ними, направленные на решение научных и практических задач.

Cellular Engineering, Tissue Engineering, and Regenerative Medicine are all part of a new science that seeks to understand how cells, tissues, and organs undergo adaptive or maladaptive responses to stimuli whose effects may be beneficial (e.g., in natural or engineered nutritive microenvironments) or harmful (e.g. in aging, stress, or injury). This new area clearly is not a single discipline. Rather, it requires the integration of engineering, material science, biology, chemistry, physics, and medicine. This multidisciplinary approach pushes the frontiers of our understanding of cells as control systems, how the individual subcomponents can be retooled to alter cell function, and how cells interact with each other and their microenvironment to form tissues.

Клеточная технология. Cell technology - development and commercialization of cell therapies for the treatment of a variety of diseases. Cell technology is primarily developing stem cell-based technologies, both adult and human embryonic, and other methods and treatments in the area of regenerative medicine.