Общая характеристика и номенклатура стволовых клеток.

Стволовые клетки (СК) это клоногенные клетки, способные к самообновлению и дифференцировке в другие типы клеток.

СК характеризуются наличием трех главных свойств:

1. СК ассиметрично делятся, то есть при пролиферации СК вместо образования 2-х одинаковых дочерних клеток одна- дочерняя клетка становится коммитированной (commit – поручать, вверять), способной стать более специализированной, а другая – остается неспециализированной СК;

2. СК способны к самообновлению, т.е. репопулируют (пролиферируют без дифференцировки) на протяжении неопределенно длительного периода времени или даже в течение всей жизни организма (long-term subset);

3. СК могут дифференцироваться в специализированные типы клеток (по крайней мере в клетки 2-х различных фенотипов), проходя стадию прогениторных клеток (progenitor - предшественник) из так называемого краткосрочно существующего пула неспециализированных коммитированных СК (short-term subset).

По происхождению различают 2 группы СК – эмбриональные и региональные (взрослые) СК. Потенции генома этих клеток существенно различаются по свойствам и ассортименту воспроизводимых ими специализированных клеток.

Эмбриональные СК (ЭСК) – возникают на ранних стадиях развития зародыша и представляют собой клетки с тотипотентными или плюрипотентными свойствами. Именно эти клетки являются истинно стволовыми клетками в организме. На 2-4 сутки развития зародыша (стадия морулы) формируются тотипотентные СК, которые в условиях in situ способны развиваться до стадии взрослого организма (однояйцевые близнецы).

Оплодотворенную яйцеклетку – зиготу – также относят к тотипотентным СК, поскольку эта клетка воспроизводит все органы эмбриона и необходимые для его развития экстраэмбриональные структуры: хориональную часть плаценты, пуповину и др. Между тем, для биоэтически допустимых экспериментов, а также для получения и сохранения в лабораторных банках тотипотентных ЭСК используют не зиготы, а клетки-дублеры зиготы. Эти клетки получают лабораторным способом в обход процессов полового оплодотворения и беременности путем переноса ядра из какой-либо аллогенной соматической клетки в зрелую донорскую яйцеклетку, из которой предварительно был удален собственный пронуклеус (получение цитогибридов) [33,47].

Обычно же ЭСК выделяют из эмбриобласта на 5-7 сутки развития человеческого зародыша (стадия бластоцисты). Эти клетки плюрипотентны и представляют собой группу зародышевых клеток (около 80-100 клеток), являющихся зачатком всех будущих высокоспециализированных клеток. Клетки эмбриобласта способны дифференцироваться во все типы клеток, производные всех трех эмбриональных зародышевых листков, образовывать любые ткани организма, но не цельный организм, поскольку эти клетки не участвуют в образовании экстраэмбриональных структур (плаценты, пуповины и др.)

ЭСК характеризуются высоким уровнем экспрессии теломеразы [6], а также выработкой специфического транскрипционного фактора Oct-4, который необходим для поддержания фенотипа ЭСК и играет ведущую роль в детерминировании ранних этапов эмбриогенеза и дифференцировки.

Для ЭСК человека характерно также наличие на поверхности мембран ранних эмбриональных антигенов – SSEA-3 и SSEA-4, TRA-1-60, TRA-1-81, которые позволяют идентифицировать репопуляцонную активность этих клеток.

В более позднюю фазу развития эмбриона (на 5 -12 неделе внутриутробного развития) вплоть до рождения из него выделяют более зрелый тип ЭСК, которые называют СК поздних эмбрионов (5-8 недель гестации) или СК плодов (при сроках более 8 недель гестации).

Поскольку поздние зародышевые (фетальные) СК выделяют на стадии образования зачатков различных органов, то возможности этих клеток к дифференцировке в различные типы специализированных клеток уже ограничены эмбриональным лепестком их происхождения, а также степенью зрелости (дифференцировки). Именно поэтому поздние зародышевые (фетальные) СК относят уже не к плюрипотентным, а мульти- и даже унипотентным клеткам, то есть к клеткам, способным создавать при культивировании лишь ограниченное число клеточных фенотипов.

Мульти- или унипотентность СК поздних эмбрионов (фетальных клеток), присущие им свойства хоминга и клеточного химеризма (см. ниже), а также отсутствие опасности образования из них эмбриотератом при трансплантации во взрослый организм (в отличие от истинных ЭСК, полученных на самых ранних сроках гестации) позволяет рассматривать СК поздних эмбрионов (плодов) как разновидность региональных СК или СК взрослых организмов [6].

Региональные или взрослые СК – являются наиболее зрелым типом СК, которые обнаруживаются в виде редких включений во многих тканях и органах сформировавшегося плода и взрослого организма. Происхождение региональных СК (РСК), а также свойства этих клеток остаются пока недостаточно исследованными и поэтому представления о них не всегда точны и несколько различаются у разных авторов. Морфологически РСК трудно идентифицировать, однако эти клетки экспрессируют некоторые уникальные маркеры, которые позволяют выявлять их в тканях. Так, антиген CD34 представлен на большинстве гемопоэтических СК; Stro-1, CD117, CD133 – на мезенхимальных (стромальных) СК; белок промежуточных филаментов нестин – в цитоплазме нейральных СК и т.д.

Как и ЭСК, РСК относят к числу недифференцированных клеток, которые однако репопулируют циклично в течение длительного периода времени, продолжительность которого определяется сроками сохранности процессов самообновления клеток в органах и тканях.

Принято считать, что при дифференцировке in vivo РСК проявляют лишь унипотентные свойства, за счет которых восполняется пул специализированных клеток и поддерживается стабильность процесса самообновления ткани (физиологическая регенерация). В то же время некоторые авторы [72] полагают, что при повреждении ткани РСК могут приобретать свойства мультипотентных СК и дифференцироваться в другие типы клеток, имеющие общность эмбрионального лепестка происхождения. Между тем, отчетливо мультипотентные свойства РСК в настоящее время показаны лишь при культивировании в условиях in vitro и не для всех типов РСК.

По мере старения организма количество РСК в органах прогрессивно уменьшается. Так, если в зародыше млекопитающих на стадии органогенеза половина всех клеток приходится на провизорные некоммитированные клоны СК, то уже в фетальной печени 1 стволовая гемопоэтическая клетка приходится на 100 000 гематогенных клеток. В кроветворной ткани взрослого человека 1 стволовая клетка приходится на 2-10 млн. коммитированных гемопоэтических клеток (т.е. клеток разной степени дифференцировки) [13].

С возрастом в костном мозге уменьшается не только общее количество гемопоэтических СК, но особенно количество мезенхимальных (стромальных) СК.

Так, если сразу после рождения в костном мозге на 10 000 гемопоэтических СК приходится 1 стромальная СК, то у подростков этих клеток уже в 10 раз меньше; к 50-ти годам на 500 000 кроветворных СК – приходится 1 стромальная СК, а в 70 лет 1 стромальная СК приходится на1 млн. гемопоэтических СК.

Возрастное снижение пула СК в органах может быть обусловлено тем, что более продвинутые в дифференцировке клетки не только конкурируют со стволовыми/прогениторными клетками за лимитирующие факторы питания, но секретируют также в среду факторы, блокирующие мультипотентность генома незрелых клеток [13].

Возрастное снижение пула РСК в органах, их сниженная теломеразная активность, унипотентность и проявление мультипотентных свойств лишь в специально созданных условиях микроокружения, а также трудности выявления четких различий между РСК и клетками-предшественниками, которые, как известно, являются частично дифференцированными клетками, заставляет предполагать, что РСК в органах не являются истинными СК, а являются коммитированными клетками-предшественниками.