Стволовые клетки

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………3

1. История  открытия стволовых клеток………………………………………..4

2. Понятие  «стволовая клетка»…………………………………………………6

3. Типы стволовых клеток………………………………………………………8

4. Происхождение стволовых клеток…………………………………………18

5. Функции и механизм функционирования стволовых клеток…………….19

6. Применение стволовых клеток……………………………………………..20

Заключение……………………………………………………………………..25

Список  использованной литературы…………………………………………26

ВВЕДЕНИЕ

В течение  многих лет исследователи пытаются понять, каким образом живой организм поддерживает гомеостаз, как восстанавливается после повреждения и какие механизмы участвуют в замене поврежденных клеток здоровыми. Стволовые клетки занимают центральное место в клеточном гомеостазе организма, прежде всего потому, что их основной функцией является восполнение естественной потери клеток, выполняющих специализированные функции.

Когда стало ясно, что стволовые клетки могут быть внесены в организм искусственно, начался настоящий  бум. Ведь замена ленивых, ветхих или больных клеток организма на абсолютно здоровые позволит решить многие проблемы. Казалось бы, что может быть лучше? Однако оздоровление организма таким передовым способом дело малоизученное и, следовательно, таящее в себе реальные опасности.

Цель: Изучить биологические особенности стволовых клеток.

Задачи: На основе анализа научной литературы познакомиться с понятием «стволовая клетка», ее особенностями, функциями и применением.

     Объект: Стволовые клетки

     Предмет: Функциональные и физиологические особенности стволовых клеток.

     Гипотеза: Осмысление и анализ научной информации позволит сформировать целостное представление о стволовых клетках и их роли в жизнедеятельности организма.

1. ИСТОРИЯ  ОТКРЫТИЯ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК

     Впервые термин «стволовая клетка» появился в научной литературе еще в 1868 г. в работе выдающегося немецкого зоолога и эволюциониста Эрнста Геккеля. Геккель использовал термин «Stammzelle» (от нем. - «стволовая клетка») для описания общего предка, некоего одноклеточного организма, от которого, по его мнению, произошли все многоклеточные организмы. Позже, в 1877г., перейдя от вопросов эволюции к изучению проблем эмбриологии, Эрнст Геккель предложил назвать оплодотворенную яйцеклетку стволовой клеткой. Использование термина «стволовая клетка» для обозначения отдельной клетки в составе эмбриона, которая способна давать начало множеству специализированных клеток, было введено несколько позже – в конце 19 века.

Опираясь  на теорию «непрерывной зародышевой  плазмы» Августа Вейсмана, предложенной в 1885г., немецкий биолог Теодор Бовери, исследуя закономерности оогенеза и сперматогенеза, предложил называть «стволовыми клетками» все клетки зародышевой линии, начиная от оплодотворенной яйцеклетки и заканчивая предшественниками половых клеток. Также в 1892 году при исследовании эмбриогенеза ракообразных семейства Cyclops Валентин Геккер идентифицировал крупную клетку, названную им «стволовой», которая подвергалась асимметричному делению, при этом одна из дочерних клеток этой стволовой предшественницы давала начало мезодерме, тогда как другая давала начало зародышевым (герминативным) клеткам. Таким образом, в этих ранних исследованиях термин «стволовая клетка» обозначает клетки, которые сейчас называют первичными половыми клетками, или зародышевыми стволовыми клетками.

Четырьмя  годами позже, в 1896г., Эдмунд Уилсон популяризировал термин «стволовая клетка» в своей книге "The Cell in Development and Inheritance". В свое время эта книга была очень популярна и имела огромное влияние на эмбриологов и генетиков конца 19 века, особенно в США. В связи с этим, во многих англоязычных источниках Эндмунд Уилсон упоминается, как автор термина «стволовая клетка». Тем не менее, Уилсон использовал термин «стволовая клетка» в том же значении, что Бовери и Геккер, то есть, обозначая этим термином неспециализированную материнскую клетку зародышевой линии.

Примерно  в то же время велись активные исследования в области гемопоэза. Ученый мир  раскололся на два лагеря. Часть  ученых придерживалась дуалистической теории кроветворения, они предполагали, что клетки миелоидного и лимфоидного ряда происходят от различных предшественников, которые располагаются в различных гемопоэтических тканях, в костном мозге и лимфатических узлах/селезенке, соответственно. Сторонники унитарной теории кроветворения предполагали существование одной единственной клетки, которая и является родоначальницей всех клеток крови. В связи с этим, приверженцы унитарной теории кроветворения столкнулись с проблемой создания термина, который полностью бы отражал потенциал развития таких клеток. В 1908г. русский ученый Александр Максимов предложил называть такую материнскую гемопоэтическую клетку «стволовой клеткой».

Таким образом, использование термина  «стволовая клетка» началось во второй половине 19 века в контексте фундаментальных вопросов эмбриологии. Доказательства существования единой гемопоэтической стволовой клетки, достоверно полученные в 60-х годах прошлого столетия, сделали эти клетки прототипом всех стволовых клеток, а именно: клеток, способных к почти неограниченному самообновлению и способных давать специализированные клетки-потомки. Несмотря на огромный прорыв, сделанный в изучении стволовых клеток в 20-начале 21 в.в., сегодня, как и в 19 веке, стволовые клетки являются предметом споров и дискуссий во многих вопросах биологии и медицины. 
 
 

2. ПОНЯТИЕ «СТВОЛОВАЯ КЛЕТКА»

В настоящее  время стволовыми принято считать  только те клетки, которые одновременно обладают двумя специфическими свойствами, а именно: способностью к самовоспроизведению и способностью к дифференцировке.

     Процесс самовоспроизведения стволовых клеток заключается в симметричном или асимметричном митотическом делении материнской клетки, в ходе которого хотя бы одна дочерняя клетка сохраняет статус стволовой и полностью идентична по цитохимическим, молекулярным и другим характеристикам материнской клетке.

     Механизм  самообновления клеток связан с тонкой регуляцией ядерных процессов транскрипционными  факторами, такими как Oct-4, Nanog, Sox-2, Rex-1, которые поддерживают «стволовость»  через активацию генов, участвующих в процессе деления стволовых клеток, и инактивацию генов, запускающих процессы созревания и дифференцировки. С началом вступления незрелых пролиферирующих стволовых клеток на путь дифференцировки экспрессия данных факторов транскрипции более или менее синхронно угасает.

     Вторым  важным свойством стволовых клеток, как уже было сказано выше, является их способность к дифференцировке. Дифференцировка – это процесс постепенного увеличения фенотипической обособленности типов клеток, связанный с их созреванием. Основа дифференцировки – синтез цито- и тканеспецифичных белков, что обусловлено развертыванием транскрипции различных генов.

     Дифференцировка потомков стволовых клеток реализуется  в промежутках между последующими митотическими делениями дочерних элементов и сопровождается постепенным ограничением их пролиферативного потенциала и широты сектора дифференциации.

     Различные стволовые клетки демонстрируют  разные потенциальные возможности  дифференцировки, т.е. способность давать начало большему или меньшему количеству специализированных клеточных линий. В связи с этим стволовые клетки можно разделить на несколько типов в зависимости от их потентности. Понятие «потентность» отражает широту реализации морфогенетической информации потомками стволовой клетки. Различают четыре уровня потентности стволовых клеток:

• тотипотентность – способность давать начало росту всего организма, в том числе и тканям внезародышевых оболочек;
• плюрипотентность – способность воспроизводить любую ткань взрослого организма;
• мультипотентность – способность давать начало более чем одному типу дифференцированных клеток;
• унипотентность – способность воспроизводить однородный однотипный пул дифференцированных клеток.

     Тотипотентными  стволовыми клетками принято считать зиготу и бластомеры на стадии морулы. К плюрипотентным стволовым клеткам относятся эмбриональные стволовые клетки, стволовые клетки эмбриональной карциномы и эмбриональные зародышевые стволовые клетки. К мультипотентным стволовым клеткам относятся региональные стволовые клетки взрослого организма и плода, например, гемопоэтические стволовые клетки, мезенхимальные стволовые клетки, нейрональные стволовые клетки и др.

     Практически во всех тканях взрослого организма  человека содержится пул резидентных, т.е. характерных именно для этой ткани, мультипотентных стволовых клеток. Наличие в тканях взрослого организма монопотентных стволовых клеток остается под вопросом. Скорее всего, монопотентными стволовыми клетками являются прогениторные клетки на поздних стадиях созревания.

     Прогениторными, или клетками-предшественницами, принято считать клетки, которые являются потомками мультипотентных стволовых клеток, но, несмотря на то, что обладают достаточно высоким пролиферативным потенциалом, утратили способность к асимметричному делению и вступили на путь дифференцировки. 
 

3. ТИПЫ  СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК

     Различают несколько типов стволовых клеток:

1. Эмбриональные стволовые клетки

     Изучение  эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) началось в 1963 году, первоначально с использованием дезагрегированных эмбрионов кроликов и мышей. Их дифференцировка in vitro была довольно ограниченной и обычно сводилась к образованию трофектодермных клеток, которые прикреплялись к пластику. Клетки кроличьей морулы и бластомеры прилипали более быстро, трофектодерма образовывала слой клеток, которые покрывались стволовыми клетками из внутренней части клеточной массы. Культуры бластомеров на покрытой коллагеном поверхности образовывали разнообразные клетки, включая нервные, клетки крови, нервные, фагоциты и многие другие типы клеток. Когда внутренняя клеточная масса была освобождена и культивировалась интактной или в виде клеточных дезагрегантов, были установлены линии ЭСК, которые обладали хорошими уровнями дезагрегации и большой стабильностью в секреции энзимов, морфологии и полнотой хромосом. Способности к развитию единичной мышиной эмбриональной клетки измерялись с помощью инъекции одной или более в бластоцисту реципиента, и степень колонизации в образовавшихся химерах являлась мерой их плюрипотентности. У мышей клеточные разрастания назвали эмбриональными телами, которые давали разрастания, сходные с таковыми у кроликов. Входящие в их состав клетки широко дифференцировались, в зависимости от подверженности их влиянию различных цитокинов или субстратов. Были установлены маркеры для дифференциации или плюрипотентности, что выявило, как нервные, кардиальные, гематологические и другие линии ЭСК могут быть определены in vitro. Это оказалось полезным в изучении ранней дифференцировки и использовании эти клеток при пересадке больным пациентам. Демонстрирующие сходные свойства человеческие ЭСК “всплыли” в конце 1990-ых. Модели для клинического использования ЭСК показали, как они быстро двигаются к тканям - мишеням по эмбриональным путям, дифференцируются и колонизируют орган - мишень. Никаких признаков воспаления или повреждения тканей не было обнаружено; поврежденные ткани могли быть восстановлены, включая ремиелинацию, и не образовывалось никаких опухолей. Эмбриональные стволовые клетки имеют широкий терапевтический потенциал для человека, хотя обширные клинические исследования все еще ждут своего выполнения.

     Современное развитие исследований стволовых клеток указывает на огромный потенциал  их, как источника тканей для регенеративных терапий. Успех этих приложений будет  зависеть от точных свойств и потенциалов стволовых клеток, изолированных либо из эмбриональных, либо из взрослых тканей. ЭСК, выделенные из внутренней массы ранних мышиных эмбрионов, характеризуются почти неограниченной пролиферацией и способностью дифференцироваться в дериваты по существу всех линий. Недавние изоляции и культивирование человеческих ЭСК представило новые возможности для реконструктивной медицины. Последние исследования показали также неожиданно высокий потенциал развития взрослых тканеспецифичных стволовых клеток.

     Имея  в виду все время увеличивающуюся  потребность в человеческих стволовых  клетках для трансплантации, было проведено исследование in vitro и in vivo человеческих эмбриональных клеток из костного мозга/ прогениторных клеток, полученных в результате прерывания беременности 16-20 недель. При использовании приматов, как модели, было показано, что эмбриональные ткани имеют определенные свойства, которые являются оптимальными для трансплантации. Было проведено тестирование и сравнение фенотипических и функциональных характеристики эмбрионального костного мозга, взрослого костного мозга, пуповинной крови и периферической крови – источников наиболее примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток. Проделанные наблюдения указывают, что каждый источник гематопоэтических стволовых клеток имеет различные внутренние свойства, тесно коррелирующие с онтогенетическим возрастом, который является ведущий детерминантой для фенотипических характеристик, определения линии дифференцировки, иммуногенности, как и пролиферативного потенциала. Эти данные ясно показывают, что ЭМК являются лучшим источником стволовых клеток для трансплантации и терапевтической реконституции из-за очень высокой пролиферативной способности, низкой иммуногенности и наиболее высокого числа примитивных стволовых клеток/прогениторных клеток.

     Эмбриональные ткани являются богатейшим источником изначальных стволовых клеток и  имеют несколько свойств, которые  делают их особенно полезными при  пересадке. Они являются превосходящими взрослые (зрелые) ткани в определенных отношениях. Первое, эмбриональные клетки способны пролиферировать быстрее и более часто, чем зрелые, полностью дифференцированные клетки. Это означает, что эти донорские клетки способны быстро восстанавливать потерянную функцию хозяина. Дополнительно, эти эмбриональные клетки могут дифференцироваться в ответ на сигналы окружающей их среды. Из-за их локализации они могут расти, удлиняться, мигрировать и устанавливать функциональные связи с другими клетками вокруг них в организме хозяина. Было обнаружено, что эти эмбриональные ткани не так легко отторгаются реципиентом из-за низкого уровня антигенов гистосовместимости в эмбриональных тканях. В то же время в них имеются ангиогенные и трофические факторы в высоких концентрациях, что увеличивает их способность расти при трансплантации. Поскольку в ранних эмбриональных гематопоэтических тканях отсутствуют лимфоциты, реакции трансплантант против хозяина минимизированы. Эмбриональные клетки имеют тенденции переживать иссечение, рассечение и пересадку лучше, поскольку у них обычно нет длинных удлинений или прочных межклеточных соединений. В заключение, эмбриональные ткани могут выживать при более низком содержании кислорода, чем зрелые клетки. Это делает их более устойчивыми к ишемическим условиям, имеющим место при трансплантации или в ситуациях in vitro. Исследования на эмбриональных клетках/тканях были вдохновляющими. Эмбриональные ткани могут быть использованы по различным показаниям, например, транслантанты эмбриональной печени быть использованы для борьбы с апластической анемией, кровь пуповины может служить альтернативой трасфузии цельной крови взрослых, эмбриональный трансплантант надпочечников был испытан для борьбы с хронической болью при артритах, эмбриональный трансплантант тимуса использовался для лечения различных иммунодефицитных состояний. Трансплантант из мозговой эмбриональной ткани был пересажен в гетеротопное положение, и наблюдалась пролиферация ткани. Нейротрансплантация эмбриональных тканей при паркинсонизме показала позитивные результаты в нескольких глобальных исследованиях. Существуют потенциальные возможности использования эмбриональных тканей в биоинженерии.