Stem cells
*The article was translated into English using automatic translation. The editors are working on its improvement.
The term “stem cells” (SC) in biology refers to cells that have two defining properties: the ability for unlimited self-maintenance (self-renewal) and the ability to generate one or more differentiated cell types (stem cells themselves are, as a rule, undifferentiated). Importantly, they are able to differentiate into approximately 200 cell types, for example, osteoblasts (bone cells), chondrocytes (cartilage cells), adipocytes (fat cells), and fibroblasts (dermis).
That is, stem cells, as a result of division, are capable of producing both themselves and differentiated descendants throughout the life of the organism. Thanks to these properties, stem cells serve as a source of tissue restoration in the processes of physiological and reparative regeneration, that is, they are like the trunk of a tree from which branches and leaves extend.
Свойства
Стволовые клетки — прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они есть в каждом органе, ткани и циркулируют в нашей крови. Они призваны восстанавливать организм человека с момента его рождения. Это своего рода строительный материал, потому что стволовые клетки способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей.
Благодаря этой уникальной способности стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений, во всех органах и тканях. При определенных условиях они активизируются, встраиваются в место поврежденной ткани, дифференцируются и через сутки начинают делиться. Время и количество делений стволовых клеток, которые восстанавливают поврежденную ткань, зависят от многих факторов.
В литературе описаны эксперименты, на основании которых ученые сделали вывод, что стволовые клетки бессмертны. Однако это происходило в лабораторных условиях, где нет повреждающих факторов, имеющих место в живом организме.
Что же касается применяемых на практике аутологичных мезенхимальных стволовых клеток (МСК), то их преимущество в том, что их выращивают из клеток самого пациента, поэтому они не вызывают отторжения, быстро встраиваются в необходимое место органа и уже в первые сутки начинают делиться. Потребности медицины в таком материале практически не ограничены. Таким образом, стволовые клетки уже сегодня в каком-то смысле становятся «запчастями» для нашего организма.
Стволовые клетки в результате асимметричного деления способны производить как самих себя, так и дифференцированные клетки многих тканей на протяжении всей жизни организма. В результате симметричного деления — на дифференцированных потомков. В любом случае благодаря этим свойствам стволовые клетки служат постоянным источником восстановления ткани в процессах физиологической и репаративной регенерации. Ведь процесс обновления постоянен, например:
- каждые 5 дней возобновляются клетки эпителия желудка и кишечника;
- по истечении 7-10 дней — клетки верхнего слоя роговицы глаза;
- каждые 10 дней перерождаются рецепторы языка;
- спустя 2-3 недели — наружные клетки легких;
- каждые 2-4 недели пополняется эпидермис;
- через 6 недель реконструируются брови и ресницы;
- каждые 4 месяца «омолаживается» кровь;
- через 5 месяцев — печень;
- больше года нужно для обновления почек и селезенки.
История возникновения
Термину «стволовая клетка» дал жизнь немецкий ученый Эрнст Хекель (1834-1919), который в конце XIX века термином Stammzellen называл одноклеточные организмы, которые по его (ошибочному) представлению служили предшественниками многоклеточных организмов.
В том смысле, какой мы вкладываем в него сейчас, термин «стволовая клетка» был введен в 1908 году Александром Александровичем Максимовым, который предположил существование единого предшественника всех клеток крови. Хотя эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение в 1982 году открытием гемопоэтической стволовой клетки мыши, сенсационный интерес к этим клеткам проявился после 1998-го, когда два независимых исследователя John Gearhart из Университета Джона Гопкинса и James Thomson из университета Висконсин впервые выделили эмбриональные стволовые клетки человека и показали их способность к дифференцировке в клетки всех трех зародышевых листков.
В 1999 году журнал Science назвал открытие стволовой клетки человека третьим по значимости событием ХХ века в области медицины после двойной спирали и программы «Геном человека». После этого четыре нобелевские премии в области физиологии и медицины были присуждены за исследования, прямо или косвенно связанные со СК. И наконец, в последние годы мы стали свидетелями открытия нового типа СК — индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, полученных путем генетической модификации взрослых соматических клеток, в результате которой последние приобретают способность образовывать все типы клеток организма.
В настоящее время под термином «стволовая клетка» подразумевают недифференцированную клетку, способную к нелимитированному самообновлению и образованию нескольких типов дифференцированных потомков. В этом термине заложены основные, но далеко не все уникальные свойства этих клеток. Что же это за свойства?
Недифференцированная клетка
Все клетки организма имеют одинаковый набор генов, но соматические клетки — а их у каждого из нас, по меньшей мере, 350 типов — дифференцированы, т.е. работают по различным генетическим программам, которые обеспечивают выполнение определенной функции. Так, клетки костной ткани формируют скелет, клетки крови отвечают за иммунитет и разносят кислород, нервные клетки проводят электрический импульс и так далее. В отличие от них генетическая информация, заключенная в ядре столовых клеток, еще не «включила» механизмы, определяющие специализацию, и лишь ждет специального «сигнала», чтобы начать одно из своих превращений. Это означает, что СК не имеет никакой функции, кроме переноса мРНК (матричной рибонуклеиновой кислоты, содержащей информацию о первичной структуре белков) в следующее клеточное поколение. Недифференцированная клетка, естественно, не имеет морфологических особенностей. Не зря А. А. Максимов описывал гемопоэтическую стволовую клетку (ГСК) как «малый лимфоцит». Действительно, обычно СК представляет собой небольшую клетку с крупным ядром.
В связи с отсутствием морфологических особенностей единственной возможностью идентификации СК является использование молекулярных маркеров. В целом, СК характеризуется чрезвычайно бедным фенотипом, что обусловлено отсутствием на мембране большинства рецепторов, ответственных за взаимодействие с другими клетками для выполнения функции. Очевидно на поверхности СК экспрессированы только рецепторы, ответственные за адгезию к специфическому микроокружению, который подавляет запуск реакций дифференциации.
Классификация
Существует несколько различных классификаций стволовых клеток. Основные две из них — по происхождению в зависимости от этапа онтогенеза организма и по потенциям (способности) к дифференциации.
В зависимости от этапа онтогенеза (с некоторыми оговорками) выделяют:
- эмбриональные СК (ЭСК) — получают из внутренней клеточной массы бластоцисты;
- фетальные СК — клетки, выделенные из различных тканей зародыша (фетуса), в случае человека речь идет о получении СК из абортивного материала;
- постнатальные соматические СК (в англоязычной литературе — adult stem cells, взрослые СК).
Несколько особняком в этой классификации (не совсем связаны с этапом онтогенеза, а, скорее, со способом либо источником их получения) стоят:
- СК из экстраэмбриональных тканей (из плаценты);
- СК из пуповины и пуповинной крови, индуцированные плюрипотентные СК (induced pluripotent stem cells, iPSC — СК, получаемые из постнатальных дифференцированных соматических клеток путем гиперэкспрессии экзогенно введенных факторов плюрипотентности; автор технологии — японский ученый Shinya Yamanaka, лауреат Нобелевской премии в области физиологии и медицины 2012 г.);
- раковые СК (cancer stem cells, выделяемые из опухолей).
Мезенхимальные стволовые клетки
Отдельно стоит также остановиться на мезенхимальных стволовых клетках (МСК). Впервые МСК были описаны советским ученым Александром Яковлевичем Фриденштейном (1924-1997). Источником их получения был костный мозг, а характерной особенностью — способность к дифференциации в мезенхимальные клеточные типы, такие как адипоциты, остеобласты и хондроциты (ортодоксальные направления дифференциации).
В 1990-е новый импульс в исследовании МСК был дан благодаря работам американских ученых (Arnold Caplan, Darwin Prockop и др.), которые и предложили для обозначения данного клеточного типа использовать термин «мезенхимальные стволовые клетки». Важным этапом стало получение и описание Patricia Zuk с соавторами в 2001 г. МСК из жировой ткани, где количество МСК больше, чем в костном мозге, а процедура забора — менее инвазивна и более безопасна. Мезенхимальные стволовые клетки из жировой ткани применяются в косметологии и эстетической медицине. В этой связи следует отметить, что в англоязычной литературе для обозначения МСК из жировой ткани используются различные названия, во многих из которых идет указание на жировую ткань как источник клеток и приводится их статус как стволовых клеток (например, adipose-derived stem cells).
Кроме того, появились сообщения о направленной дифференциации МСК в неортодоксальных направлениях: в нейроны, глиальные клетки, эпителиальные клетки, гепатоциты, мышечные волокна и др. Консенсус касательно феномена неортодоксальной дифференциации МСК из различных тканевых источников до сих пор не достигнут.
Применение
Стволовым клеткам отводится не последнее место в регенеративной медицине, так как они представляют собой уникальный биологический феномен и могут проявлять значимые биологические и медицинские эффекты при их трансплантации.
Существует миф, что стволовые клетки — это панацея от всех болезней. И да, и нет. Мезенхимальные стволовые клетки в организме могут превращаться только в 8 тканей. Соответственно, могут восстанавливать только определенные ткани, которые повредились при таких заболеваниях:
- новообразованиях — реабилитация после радио- и химиотерапии;
- инфекционных заболеваниях — вирусные гепатиты, ВИЧ;
- в неврологии — лечение последствий травм головного и спинного мозга, инсульта, коматозных заболеваний, аутизма;
- в кардиологии — атеросклероз, ИБС и последствия инфаркта миокарда;
- в эндокринологии — сахарный диабет I и II типа, аутоиммунный тиреоидит, болезни нарушения обмена веществ;
- в гепатологии — гепатиты, цирроз печени;
- в офтальмологии — травмы, атрофия зрительного нерва;
- в дерматологии — псориаз, склеродермия;
- при болезнях опорно-двигательного аппарата — миопатии, последствия травм, рубцово-спаечные процессы, артрозы, артриты;
- в гематологии;
- в эстетической медицине;
- в геронтологии и гериатрии.
Локальное введение МСК поможет добиться стойкого косметологического эффекта при таких эстетических недостатках, как:
- снижение тонуса кожи лица (ухудшение тургора и эластичности);
- морщины (мелкие, средние и глубокие);
- купероз (расширенные сосуды);
- акне и постакне (косметические последствия угрей, акне);
- рубцы на коже;
- застойные пятна;
- сухость и шелушение;
- ухудшение цвета кожи;
- проблемная кожа;
- восстановление после различных оперативных вмешательств.
Read also
- Wrinkles
- Next-generation cosmetology: how science is changing skin care
- Skin regeneration: biology of the process and methods of its stimulation
- Skin remodeling using microneedling therapy
- Online conference Anti-aging Code 2.0
- Autologous fibroblasts in the fight against skin aging processes
- Effect of glycative stress on sleep
- Anti-age: the border between prevention and correction of age changes