Стволовые клетки и их применение в медицине

  
 
 
 
 

                  
 
 
 
 
 
 

«Стволовые клетки и их применение в медицине» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Янков Павел Витальевич

Ученик 10 «А» класса МАОУ «Гимназии №1» 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Аннотация................................................................................................................3

Введение...................................................................................................................4

Историческая

справка......................................................................................................................5

Описание стволовых

клеток........................................................................................................................5

Характеристики  эмбриональных стволовых

клеток........................................................................................................................6

Проблемы генной и клеточной

терапии......................................................................................................................8

Выделение и  культура in vitro……………………………………………………10

Индуцированные  эмбриональные стволовые клетки…………………………..10

Лечение стволовыми клетками…………………………………………………..11

Заключение..............................................................................................................12

Источники

информации.............................................................................................................13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Аннотация 

     В данной работе будет рассмотрено  использование и применение

стволовых клеток в медицине. Поскольку в современном обществе очень

остро стоит  проблема лечения сложных заболеваний, я читаю, что

применение стволовых  клеток в медицине, а так же инновации в области

лечения сложных  заболеваний стволовыми клетками –  это не просто решение

этих проблем, но и перспективное направление, которое уже в ближайшем

будущем позволит решить огромный ряд задач, связанных с жизнью и

здоровьем человека. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3

Введение 

    Стволовы́е кле́тки — иерархия особых клеток живых организмов,

каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться)

особым образом (то есть получать специализацию и  далее развиваться как

обычная клетка). Стволовые клетки способны асимметрично делиться, из-за

чего при делении  образуется клетка, подобная материнской

(самовоспроизведение), а также новая клетка, которая  способна

дифференцироваться. Стволовые клетки являются предшественниками

клеток всех органов и тканей человека, из которых  формируются клетки всех

других типов  – кроветворной, нервной и сердечно–сосудистой системы,

эндокринных органов, костной, хрящевой и мышечной тканей. Миллиарды

клеток растущего  организма происходят всего–навсего из одной клетки

(зиготы), которая  образуется в результате слияния  мужской (сперматозоид) и

женской (яйцеклетка) половых клеток (гамет). Эта единственная клетка

содержит не только информацию об организме, но и  схему его

последовательного развития. В течение нескольких первых дней деления

этой клетки образуется шарик из совершенно одинаковых

неспециализированных  клеток. Примерно через шесть–семь дней этот шарик

образует бластоцисту, которая состоит из наружного слоя клеток

(эктодермы), окружающего  полость, наполненную жидкостью  и стволовыми

клетками (мезодермы), которые и дадут начало всем остальным  клеткам

организма. Именно поэтому такие стволовые клетки называют

тотипотентными или всемогущими.

    Стволовые клетки в организме взрослого  человека вырабатывает

костный мозг. Это  основной их источник, но далеко не единственный. Также

стволовые клетки обнаружены и в жировой ткани, коже, мышцах, печени,

легких, сетчатке глаза, практически во всех органах  и тканях организма. Они

обеспечивают  восстановление поврежденных участков органов и тканей.

Стволовые клетки, получив от регулирующих систем организма  сигналы о

какой–либо  «неполадке», по кровяному руслу устремляются к пораженному

органу, восстанавливая практически любое повреждение, преобразовываясь

на месте в  необходимые организму клетки (костные  – остеобласты,

мышечные –  миобласты, печеночные – мезенхимальные, сердечной мышцы –

кардиомиобласты и даже клетки мозга – нейроны). По своей сути стволовые

клетки –  это своеобразная «ремонтная бригада» организма, которая

устремляется  в проблемную зону и заменяет собой  больные, поврежденные

клетки того или иного органа. Благодаря своей  способности превратиться в

любую ткань, стволовые  клетки могут применяться для  лечения огромного

количества заболеваний.

    Цель  данной работы – изучение особенностей стволовых клеток и их

значения в  лечении сложных заболеваний. 
 

4

Историческая  справка 

    Термин  «стволовая клетка» был введён в научный обиход русским

гистологом Александром  Максимовым (1874—1928). Он постулировал

существование стволовой кроветворной клетки. На заседании Общества

Гематологов в  Берлине 1 июня 1909 года он ввел понятие  «Stammzelle»,

подразумевая  под этим определением лимфоцит в  более широком значении

этого слова, как  клетку, способную быть стволовой  в современном

понимании этого слова.

    В 60-е годы прошлого столетия Тил и Маккулох , а также Меткаф и его

сотрудники показали, что внутривенное введение костномозговых клеток от

здоровой сингенной к летально облученной мыши приводит к образованию

колоний из клеток всех направлений гемопоэтической  дифференцировки в

селезенке. С  разработкой клонального метода для выявления клеток

предшественников  in-vitro, так называемых колониеобразующих единиц

(КОЕ), стало возможным  проследить за дифференцировкой  всех миелоидных

ростков.

    Фриденштейн А. Я. и его сотрудники впервые показали, что в костном

мозге, помимо гемопоэтических имеются стромальные стволовые клетки,

которые при  культивировании формировали колонии

фибробластноподобных клеток. Пересадка таких колоний под капсулу почки

мыши в диффузионной камере приводило к формированию костной или

адипозной ткани.

    В 1981 году американский биолог Мартин Эванс  впервые выделил

недифференцированные  плюрипотентные линии стволовых клеток —

бластоцисты мыши.

    В 1998 году Д. Томпсон и Д. Герхарт выявили бессмертную линию

эмбриональных стволовых клеток (ЭСК).

    В 1999 году журнал Science признал открытие эмбриональных

стволовых клеток третьим по значимости событием в  биологии после

расшифровки двойной  спирали ДНК и программы «Геном человека». 

Описание  стволовых клеток 

    Корнем  иерархии стволовых клеток является тотипотентная зигота.

Первые несколько  делений зиготы сохраняют тотипотентность и при потере

целостности зародыша это может приводить к появлению  монозиготных

близнецов. К  ветвям иерархии относятся плюрипотентные (омнипотентные)

и мультипотентные (бластные) стволовые клетки. Листьями (конечными

элементами) иерархии являются зрелые унипотентные клетки тканей

организма.

    Нишами  стволовых клеток называются места  в ткани, где постоянно

залегают стволовые  клетки, делящиеся по мере надобности для дальнейшей 

5

дифференциации.

    Стволовые клетки размножаются путём деления, как и все остальные

клетки. Отличие  стволовых клеток состоит в том, что они могут делиться

неограниченно, а зрелые клетки обычно имеют ограниченное количество

циклов деления.

    Когда происходит созревание стволовых клеток, то они проходят

несколько стадий. В результате, в организме имеется  ряд популяций

стволовых клеток различной степени зрелости. В  нормальном состоянии, чем

более зрелой является клетка, тем меньше вероятность того, что она сможет

превратиться  в клетку другого типа. Но всё же это возможно благодаря

феномену трансдифференцировки клеток (англ. Transdifferentiation).

ДНК во всех клетках  одного организма (кроме половых), в  том числе и

стволовых, одинакова. Клетки различных органов и тканей, например, клетки

кости и нервные  клетки, различаются только тем, какие  гены у них

включены, а какие  выключены, то есть регулированием экспрессии генов,

например, путем  метилирования ДНК. Фактически, с осознанием

существования зрелых и незрелых клеток был обнаружен  новый уровень

управления клетками. То есть, геном у всех клеток идентичен, но режим

работы, в котором  он находится —различен.

    В различных органах и тканях взрослого  организма существуют

частично созревшие  стволовые клетки, готовые быстро дозреть и

превратиться  в клетки нужного типа. Они называются бластными клетками.

Например, частично созревшие клетки мозга — это  нейробласты, кости —

остеобласты и  так далее. Дифференцировку могут  запускать как внутренние

причины, так  и внешние. Любая клетка реагирует  на внешние раздражители,

в том числе  и на специальные сигналы цитокины. Например, есть сигнал

(вещество), служащий  признаком перенаселённости. Если  клеток становится

очень много, то этот сигнал сдерживает деление. В ответ на сигналы клетка

может регулировать экспрессию генов. 

Характеристики  эмбриональных стволовых  клеток 

    Тотипотентность — способность образовывать любую из примерно 350

типов клеток организма (у млекопитающих); 

    Хоуминг — способность стволовых клеток, при введении их в организм,

находить зону повреждения и фиксироваться  там, исполняя утраченную

функцию; 

    Факторы, которые определяют уникальность стволовых  клеток,

находятся не в  ядре, а в цитоплазме. Это избыток  мРНК всех 3 тысяч генов,

которые отвечают за раннее развитие зародыша;

Теломеразная активность. 

6

    При каждой репликации часть теломер утрачивается (лимит Хейфлика

или биочасы). В стволовых, половых и опухолевых клетках есть

теломеразная активность, концы их хромосом надстраиваются, то есть эти

клетки способны проходить потенциально бесконечное  количество

клеточных делений, они бессмертны. 

Стволовых клеток в нашем организме очень мало:

• у эмбриона—1 клетка на 10 тысяч,
• у человека в 60-80 лет —1 клетка на 5-8 миллионов.

 

    Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуются из внутренней

клеточной массы  на ранней стадии развития зародыша —  бластоциста.

Зародыш человека достигает стадии бластоциста на стадии 4-5 дней после

оплодотворения, бластоцист человека состоит из 50-150 клеток.

Эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными. Это

означает, что  они могут дифференцироваться во все три первичных

зародышевых листка: эктодерму, энтодерму и мезодерму. Таким образом

образуются более 220 видов клеток. Свойство плюрипотентности отличает

эмбриональные стволовые клетки от полипотентных  клеток, которые могут

дать начало лишь ограниченному количеству видов  клеток. В отсутствие

стимулов к  дифференциации in vitro, эмбриональные стволовые клетки могут

поддерживать  плюрипотентность в течение многих клеточных делений.

Наличие плюрипотентных клеток у взрослого организма остается объектом

научных дискуссий, хотя исследования показали, что существует

возможность образования  плюрипотентных клеток из фибробластов

взрослого человека.

    Ввиду пластичности и потенциально неограниченного  потенциала

самообновления, эмбриональные стволовые клетки имеют перспективы

применения в  регенеративной медицине и замещении  поврежденных тканей.

Однако в настоящий  момент не существует никакого медицинского

применения эмбриональных  стволовых клеток. Стволовые клетки взрослых

организмов и  стволовые клетки спинного мозга  используются для терапии

различных заболеваний. Некоторые заболевания крови  и иммунной системы

(в том числе  генетические) могут быть вылечены такими неэмбриональными

стволовыми клетками. Разрабатываются методы лечения  с помощью

стволовых клеток таких патологий, как онкологические заболевания,

юношеский диабет, синдром Паркинсона, слепота и  нарушения работы

спинного мозга

    Существуют  как этические, так и технические  затруднения, связанные с

трансплантацией гематопоэтических стволовых клеток. Эти проблемы

связаны, в том числе, с гистосовместимостью. Такие проблемы могут быть

разрешены при использовании собственных стволовых клеток или путем

терапевтического  клонирования. 

7

Проблемы  генной и клеточной  терапии 

    Плюри- и мультипотентность стволовых клеток делает их идеальным

материалом для  трансплантационных методов клеточной  и генной терапии.

Наряду с региональными  стволовыми клетками, которые при  повреждении

тканей соответствующего органа мигрируют к зоне повреждения, делятся и

дифференцируются, образуя в этом месте новую  ткань, существует и

«центральный склад запчастей» — стромальные клетки костного мозга. Эти

клетки универсальны. Они, видимо, поступают с кровотоком в

поврежденный  орган или ткань и там под  влиянием различных сигнальных

веществ продуцируют  взамен погибших нужные клетки (хотя полученные

многочисленные  данные такого рода нередко критикуются  и требуют

дополнительной  проверки).

    В частности, установлено, что инъекция экспериментальным животным

стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы

устраняет явления  постинфарктной сердечной недостаточности. А

стромальные клетки, введенные свиньям с экспериментальным инфарктом,

уже через восемь недель полностью перерождаются  в клетки сердечной

мышцы, восстанавливая ее функцию. Результаты такого лечения  инфаркта

впечатляющи. По данным Американского кардиологического  общества, за

2008г. у крыс  с искусственно вызванным инфарктом  90% стромальных

клеток костного мозга, введенных в область сердца, трансформировались в

клетки сердечной  мышцы.

    Японские  биологи в лабораторных условиях получили клетки сердечной

мышцы из стромальных клеток костного мозга мышей. В культуру

стромальных клеток добавляли 5-азацитидин, и они начинали превращаться в

клетки сердечной  мышцы. Такая клеточная терапия  весьма перспективна для

восстановления  сердечной мышцы после инфаркта, поскольку для нее

используются  собственные стромальные клетки. Они не отторгаются, и,

кроме того, при  введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность

их злокачественного перерождения.

    Широко  применяется терапия стромальными клетками в ортопедии. Это

связано с существованием особых белков, так называемых ВМР (костные

морфогенетические белки), которые индуцируют дифференцировку

стромальных клеток в остеобласты (клетки костной ткани). Клинические

испытания в  этом направлении дали многообещающие результаты.

Например, в США 91-летней пациентке с незаживающим в течение 13 лет

переломом вживили  специальную коллагеновую пластинку с нанесенными

на нее ВМР. Поступающие в зону перелома стромальные клетки

«притягивались» к пластинке и под влиянием ВМР превращались в

остеобласты. Через  восемь месяцев после установки  такой пластинки

сломанная кость  у больной восстановилась. Сейчас в США проходят

испытания и  скоро начнут применяться в клинике  специальные пористые 

8

губки, наполненные  одновременно и стромальными клетками и нужными

индукторами, направляющими  развитие клеток по требуемому пути.

    Большое значение придают стволовым клеткам (в частности,

стромальным) при лечении различных нейродегенеративных и

неврологических заболеваний — паркинсонизма, болезни  Альцгеймера,

хореи Гентингтона, мозжечковых атаксий, рассеянного склероза и др. Группа

неврологов из Американского национального института  неврологических

заболеваний и  Стэнфордского университета обнаружила, что стромальные

стволовые клетки костного мозга могут дифференцироваться в нейральном

направлении. Значит, костный мозг человека можно использовать как

источник стволовых  клеток для восстановления поврежденных тканей в

головном мозгу. При этом, видимо, возможен не только заместительный, но

и трофический  эффект трансплантата (это предположение  основано на том,

что положительное  действие трансплантата проявляется  через две недели, а

эффект замещения  возможен лишь спустя три месяца). Следовательно,

пациент может  стать собственным донором, что  предотвратит реакцию

иммунологической  несовместимости тканей.

Весьма перспективны также попытки использовать стволовые  клетки

пуповины и  плаценты в клинике. В целом для  успешной пересадки

стволовых клеток, независимо от области применения, очень важно

научиться сохранять  их жизнеспособность. Ее можно повысить, если в геном

пересаживаемых  нейронов вводить гены ростовых нейротрофических

факторов, которые  служат защитой от апоптоза. Такие попытки ведутся в

различных лабораториях США и Европы.

    Больших успехов в изучении и практическом использовании стволовых

клеток добились и отечественные исследователи. Специалисты из Института

акушерства, гинекологии  и перинатологии РАМН выделили региональные

нейральные стволовые клетки и впервые получили их подробную

иммуногистохимическую характеристику, в том числе на проточном

флюориметре. В опытах с пересадкой стволовых нейральных клеток

человека в  мозг крыс показана их приживляемость, миграция на достаточно

большие расстояния (несколько миллиметров) и способность  к

дифференцировке, которая в значительной степени  определялась

микроокружением трансплантата. Например, при пересадке  нейральных

клеток человека в область мозжечка крысы, где  расположены клетки

Пуркинье, они развиваются в направлении именно этого типа клеток. Об

этом свидетельствует синтез в них белка калбиндина, специфического

продукта клеток Пуркинье.

    Отечественные биологи (Институт биологии гена РАН, Харьковский

институт криобиологии и фирма «Виола») впервые разработали

оригинальную  методику индукции в культуре: стромальные стволовые

клетки дифференцировались в направлении клеток, похожих  на клетки

островков Лангерганса, содержащих инсулин. Наличие этого белка в них 

9

определяли с  помощью современных методов  молекулярной биологии и

цитологии. Самое  интересное, что в культуре эти  клетки формируют