Стволовые клетки - предшественники клеток организма
Я хочу рассказать о разделе медицины, где незаметно для большинства ученых и врачей в ближайшее время ожидается феноменальный, грандиозный рывок в лечении множества болезней, сегодня практически неизлечимых.
Стволовые клетки - предшественники всех клеток организма. В разных условиях они способны превращаться в другие клетки. Большая часть стволовых клеток взрослого организма находится в костном мозге. Как известно, костный мозг, прежде всего, - плацдарм кроветворения. Он состоит из двух видов стволовых клеток: тех, из которых получается все известное многообразие клеток крови (так называемые гемопоэтические стволовые клетки), и стромальных стволовых клеток, о которых и пойдет речь. Помимо костного мозга небольшое количество стволовых клеток (так называемые стволовые тканевые клетки) имеется непосредственно в тканях: мышечной (мио-бласты), костной (остеобласты) и других.
В кроветворной системе стволовых клеток много, они просты по структуре, хорошо изучены, постоянно обновляются, и пути их превращений в клетки крови давно известны.
А вот о стволовых стромальных клетках костного мозга читатели вряд ли слышали. По сравнению с гемопоэтическими их в костном мозге совсем немного, и они представляют собой более сложные долгоживущие системы, которые обновляются достаточно редко. Пути превращения стромальных клеток только начинают изучать. Как показали последние исследования, стромальные клетки, так же как и предшественники клеток крови, постоянно циркулируют в кровотоке млекопитающих.
Основу науки о стромальных клетках около 30 лет назад заложили советские ученые Александр Яковлевич Фриденштейн (безвременно скончавшийся в 1998 году), работавший в НИИ эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н. Ф. Гамалеи РАМН, и Иосиф Львович Чертков, и поныне работающий в Гематологическом центре РАМН. Сейчас многие исследователи замалчивают имена основоположников, но находятся порядочные люди у нас и на Западе, которые безоговорочно признают приоритет этих ученых в открытии стромальных клеток. В 1999 году стромальные клетки "открыли" заново американские ученые, после чего количество работ в этой области клеточной биологии начало нарастать лавинообразно. И неудивительно - ведь стромальные клетки могут оказаться чрезвычайно полезными для клинической медицины.
Стволовые клетки участвуют в восстановлении поврежденных тканей
Каким образом здоровый организм взрослого человека восстанавливает органы и ткани в случае их повреждения? Неужели эволюция не позаботилась о выходе из экстремальных ситуаций? Организм должен осуществлять и, конечно же, осуществляет регенерацию поврежденных тканей. И делает он это с помощью клеток, из которых можно получить любые другие клетки, - стволовых клеток.
Установлено, что в регенерации участвуют два вида стволовых клеток - специализированные тканевые и универсальные стромальные клетки костного мозга.
Неспроста мудрая природа наряду с "локальными депо" (тканевыми стволовыми клетками) создала и "центральный склад запчастей" (стромальные клетки костного мозга). Если тканевые стволовые клетки используются для восстановления поврежденных участков только в данном месте и для определенного вида ткани (костные - для костей, мышечные - для мышц и т. д.), то "запчасти центрального склада" - стромальные стволовые клетки костного мозга - универсальны. Они поступают с кровотоком в поврежденный орган или ткань и на месте под влиянием различных сигнальных веществ превращаются в нужные специализированные клетки, которые замещают погибшие.
Из стромальных клеток костного мозга можно вырастить любые клетки
Еще в 60-е годы Фриденштейн и его коллеги в экспериментах на животных клетках показали, что стромальные клетки способны превращаться в хрящевые (хондроциты), в жировые (адипоциты) и костные (остеобласты) клетки. Причем способность к таким превращениям у них сохраняется и при выращивании колонии из одной единственной стромальной клетки. То есть принципиально возможно вырастить большое количество стромальных клеток, а затем с помощью специальных сигнальных веществ направить их "по нужному пути" - для восстановления поврежденных тканей.
В случае тяжелых повреждений организму своих собственных стромальных клеток не хватает. Ему можно помочь, вводя стромальные клетки извне. Итальянские ученые поставили простой опыт: методом облучения мышам полностью удалили костный мозг, затем ввели специально помеченные стромальные клетки. Через несколько дней животным дали препарат, от которого у них начали разрушаться мышцы передних ног. Через две недели после инъекции стромальных клеток мышечная ткань передних лапок у мышей частично восстановилась. Оказалось, что большая часть новых мышечных клеток образовалась из введенных стромальных. Видимо, стромальные клетки подходят к месту повреждения, где получают "химический сигнал" о том, в какие клетки им нужно превратиться, чтобы компенсировать потери организма. Более того, ученые сумели "заставить" стромальные клетки под действием специальных сигнальных веществ превращаться в клетки гладких мышц прямо "в пробирке".
Оказалось, что введение стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы (зону инфаркта) практически полностью устраняет явления послеинфарктной сердечной недостаточности у эксперимен тальных животных. Так, стромальные клетки, введенные свиньям-"инфарктникам", уже через восемь недель полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая ее функции практически полностью.
Результаты такого лечения инфаркта у животных просто поразительны. По данным American Heart Association (Американского кардиологического общества) за 2000 год, у крыс с искусственно вызванным инфарктом 90% стромальных клеток костного мозга, введенных в область сердца, полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы.
Японские ученые получили из стромальных клеток костного мозга мышей клетки сердечной мышцы прямо в лаборатории: в культуру стромальных клеток добавили специальное вещество (5-азоцитидин), и они, как по мановению волшебной палочки, начали превращаться в клетки сердечной мышцы.
Такая клеточная терапия для восстановления повреждений сердечной мышцы после инфаркта весьма перспективна, потому что для нее используются собственные стволовые стромальные клетки организма. А они не отторгаются, кроме того, при введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность их злокачественного перерождения.
И уж совсем невероятная метаморфоза - стромальные клетки могут настолько "забыть" о своем костномозговом происхождении, что под влиянием определенных факторов превращаются даже в нервные клетки (нейроны). Через две недели после добавления специального сигнального вещества в культуру стромальных клеток они уже на 80% состоят из нейронов! Это пока лишь "пробирочное" достижение, но оно вселяет надежду на излечение больных с тяжелыми поражениями спинного и головного мозга. Тем более, что (как показали многие исследователи) при введении собственных стромальных клеток костного мозга в спинномозговой канал человека они равномерно распределяются по всем отделам головного мозга, не нарушая его структуры.
Чрезвычайно важный эксперимент провели американские исследователи. У мышей искусственным образом вызывали инсульт, после чего вводили им собственные стромальные клетки в спинномозговой канал. В 100% случаев у мышей происходило частичное восстановление двигательной активности конечностей. Результат многообещающий, поэтому неудивительно, что система Национальных Институтов Здоровья США выделила на разработку проблемы превращения стромальных клеток в нейроны огромные средства. Инсульт - болезнь распространенная и пока неизлечимая.
Стромальные клетки превращаются и в печеночные. Установлено, что при повреждении печени новые печеночные клетки (гепатоциты) и их предшественники формируются в основном из донорских стромальных клеток костного мозга.
Наши собственные исследования, проведенные в Институте экспериментальной кардиологии в группе Эммы Львовны Соболевой, показали, что такое распространенное заболевание, как атеро-склероз, приводит к увеличению потока стромальных клеток костного мозга в кровяное русло, а оттуда - в зоны уплотнений (липопротеиновых бляшек) на стенках сосудов. Очевидно, именно поэтому у больных атеросклерозом (как показали работы, проведенные совместно с группой профессора Р. С. Акчурина) костный мозг обеднен стромальными клетками. Возможно, организм "посылает" стромальные клетки для восстановления повреждений сосудов. А они "залечивают" повреждения, превращаясь в клетки костной или хрящевой ткани. Тогда наблюдаемое при атеросклерозе окостенение сосудов - нормальная реакция стромальных клеток на неполадки в сосудистой системе. Так это или нет - покажут дальнейшие исследования.
Стромальные клетки в клинической практике - это уже реальность
В терапевтическом применении стромальных клеток сегодня, без сомнения, лидирует ортопедия. Дело в том, что в руках у медиков имеются уникальные вещества: особые белки, так называемые bone morphogenic proteins (BMP), вызывающие перерождение стромальных клеток в клетки костной ткани (остеобласты). На выделение и изучение свойств BMP у исследователей ушло почти четверть века. Результаты клинических испытаний впечатляют. В США 91-летней пациентке с незаживающим в течение 13 лет переломом вживили специальную коллагеновую пластинку с нанесенными на нее BMP. При этом поступающие в зону перелома стромальные клетки "притягивались" к пластинке и под действием BMP начинали превращаться в клетки костной ткани. Через восемь месяцев после установки пластинки сломанная кость у больной практически восстановилась.
В США уже проходят последнюю стадию испытаний и скоро начнут широко применяться в клиниках специальные пористые губки, наполненные одновременно и стромальными клетками, и BMP. Помещая такие чудо-губки в поврежденное место (зону перелома или пустоту после удаления остеосаркомы), можно уже в течение двух месяцев заполнить недостающий промежуток до 25 сантиметров длиной.
Более того, сейчас ведется работа по встраиванию гена BMP в стромальные клетки. Это означает, что, переродившись в костные клетки, они смогут сами по себе вырабатывать белок - ВМР, инициирующий процесс превращения стромальных клеток в костные.
Интересный эксперимент с использованием тканевых стволовых клеток провели американские исследователи. Они вырастили стволовые клетки мышечной ткани (миобласты) из бедренных мышц 72-летнего пациента-инфарктника. Затем эти клетки ввели ему непосредственно в зону инфаркта, после чего у больного было отмечено значительное улучшение сократительной способности сердца.
Источники стромальных клеток для восстановительной терапии
Итак, в здоровом организме реально существует универсальный механизм залечивания повреждений с использованием внутреннего клеточного резерва - стромальных клеток костного мозга. Эти клетки могут превратиться в какие угодно другие клетки, попав в соответствующий отдел организма. Стромальные клетки начинают поступать в поврежденный участок, когда получают соответствующий сигнал из центральной нервной системы. Достигнув места повреждения, они под действием определенных сигнальных молекул превращаются в недостающие клетки поврежденной ткани. Но хранилище стромальных клеток не может быть неисчерпае мым. После залечивания обширных повреждений костный мозг "пустеет", да и с возрастом запас стромальных клеток значительно уменьшается.
Как же осуществлять восстановление поврежденных клеток на практике? Откуда взять препарат собственных стволовых стромальных клеток костного мозга? Ведь когда с человеком уже что-то случилось - например, сломал ногу или пережил инфаркт, - уже поздно отбирать костный мозг и выращивать из него культуру стромальных клеток для последующего введения в пораженный участок. А убедить человека сдать образец костного мозга для того, чтобы получить из него культуру стромальных клеток на "всякий случай", довольно трудно. Лимитирующий фактор в лечении стромальными клетками - время. Когда случился инфаркт, свои или совместимые с организмом клетки нужны немедленно и в большом количестве.
Сегодня за 75 долларов американские студенты сдают 20 миллилитров спинного мозга из поясничного отдела. Но полученные таким образом клетки используются только для научных исследований.
Нужно ли создавать индивидуальные или донорские банки стромальных клеток для восстановительной медицины будущего? Без сомнения. В принципе, доноров найти нетрудно. Есть еще другая проблема. Когда мы рождаемся, у нас в костном мозге на 10 тысяч стволовых кроветворных клеток приходится одна стромальная клетка. У подростков стромальных клеток уже в 10 раз меньше. К 50-ти годам на полмиллиона стволовых - одна стромальная клетка, а в 70 лет отбирать пробу костного мозга просто бессмысленно - там всего лишь одна стромальная клетка на миллион стволовых. То есть сдавать костный мозг имеет смысл только в молодом возрасте, старикам придется использовать чужие культуры стромальных клеток. Причем донорские стромальные клетки удобнее всего получать прямо при рождении из пуповины и плаценты, где они тоже содержатся в достаточном количестве.
Совсем недавно были опубликованы поразительные данные: стромальные клетки можно получать из клеток жировой ткани (адипоцитов). Адипоциты, как оказалось, совсем недалеко ушли от своих предшественников, и с помощью специальных веществ их относительно легко можно "вернуть обратно". А уж получить жировые клетки - совсем не проблема. Липосакция (удаление жира) теперь достаточно широко распространена во всех цивилизованных странах.
Можно ожидать, что промышленными источниками стромальных клеток в скором будущем станут пуповины, плаценты и жировая ткань.
Стромальные клетки - основа восстановительной терапии будущего
Газеты и журналы (правда, большей частью зарубежные) переполнены информацией о стволовых клетках. Но не о стромальных, а об эмбриональных. Это клетки человеческого зародыша, обладающие способностью образовывать более двухсот с лишним типов тканей.
Однако исследования в области эмбриональных стволовых клеток во многих странах сейчас "заморожены". Одна из причин в том, что введение эмбриональных клеток пациенту, к сожалению, иногда заканчивается возникновением злокачественной опухоли. Другая причина - этическая. Основной источник эмбриональных клеток - медицинские аборты. Католическая церковь, религиозные общины, различные общественные организации - все, кто борется за запрещение абортов, оказывают колоссальное давление на правительства и президентов, призывая вместе с абортами запретить и лечение с применением эмбриональных стволовых клеток. Этические проблемы сослужили плохую службу изучению эмбриональных клеток, но вместе с тем привлекли новые научные силы к исследованиям в области стволовых клеток взрослого организма.
В отличие от эмбриональных стромальные стволовые клетки - проверенный природой собственный восстановительный резерв организма. Риск иммунного отторжения собственных стромальных клеток отсутствует, да и возможность их злокачественного перерождения минимальна. Применение стромальных клеток безупречно и с морально-этической точки зрения. Вот почему стромальные клетки должны стать основой восстановитель ной медицины будущего столетия.
