Что известно об эмбриональных стволовых клетках

Большую часть эмбриональных стволовых клеток получают из эмбрионов, полученных в результате оплодотворения в пробирке. Для этого не используются яйцеклетки, оплодотворенные в женском теле.

Эмбриональные стволовые клетки

Выращивание клеток в лаборатории называется культивированием клеток. Человеческие эмбриональные стволовые клетки генерируют, помещая клетки из эмбриона, находящегося на доимплантационном периоде развития, в специальную емкость с питательной средой. Клетки делятся и распространяются по поверхности емкости. Внутренняя поверхность емкости обычно покрыта эмбриональными стволовыми клетками мыши, которые были предварительно обработаны таким образом, что они не могут делиться. Клетки мышей предоставляют поверхность, к которой могут крепиться стволовые клетки человека, а также необходимые питательные вещества. В настоящее время ученые нашли способ выращивать стволовые клетки человека без использования мышиных клеток. Это снижает риск передачи вирусом и других микроорганизмов от мышиных клеток человеческим клеткам.

Процесс генерирования эмбриональные клеток человека неэффективен - то есть, в результате этого процесса выделить стволовые клетки удается не всегда. Однако если клетки выживают, делятся и размножаются настолько, что им перестает хватать места, их размещают по нескольким емкостям, и так может повторяться много раз в течение длительного времени. Из небольшого изначального количества клеток могут получиться миллионы новых стволовых клеток. Эмбриональные стволовые клетки, которые пролиферировали в лабораторных условиях в течение длительного времени, не дифференцируясь, и у которых не развились генетические аномалии, называются линией эмбриональных стволовых клеток.

На любой стадии процесса часть клеток может быть заморожена и перевезена в другие лаборатории для дальнейшего культивирования и экспериментирования.

Какие лабораторные тесты используются для идентификации эмбриональных стволовых клеток

На различных этапах выращивания стволовых клеток ученые проводят тесты, чтобы проверить, обладают ли клетки основными свойствами эмбриональных стволовых клеток.

Стандартный набор тестов для этого пока не установлен, однако обычно в лабораториях используются несколько из следующих тестов:

Стволовые клетки выращивают в течение нескольких месяцев, чтобы убедиться в том, что они способны к длительному росту и самообновлению. В течение этого времени ученые регулярно изучают клетки через микроскоп, чтобы убедиться в том, что они здоровые и недифференцированные;
Использование специальных техник для выявления факторов транскрипции, которые обычно вырабатываются недифференцированными клетками (наиболее важными из них являются Nanog и Oct4). Факторы транскрипции помогают «включать» и «выключать» гены в подходящее время, что очень важно в процессе дифференциации и во время эмбрионального развития. В нашем случае факторы транскрипции Nanog и Oct4 связаны с сохранением недифференцированного состояния стволовых клеток и их способности к самообновлению;
Изучение хромосом под микроскопом. Этот метод позволяет выявить повреждения хромосом и изменение их количества, но не генетические мутации клеток.

Тест на определение плюрипотентности стволовых клеток человека следующими способами:

клеткам позволяют спонтанно дифференцироваться;
клетками манипулируют так, чтобы они дифференцировались в клетки определенного типа;
клетки вводят мыши с подавленной иммунной системы, чтобы проверить, приведут ли они к формированию доброкачественной опухоли - тератомы.

Поскольку иммунная системы мыши подавлена, она не отвергнет стволовые клетки человека, и ученые смогут наблюдать за их ростом и дифференциацией. Тератомы обычно содержат смесь многочисленных дифференцированных или частично дифференцированных клеток - это является признаком того, что эмбриональные стволовые клетки могут формировать клетки разных типов.

Как стимулируется дифференцирование эмбриональных стволовых клеток

Пока эмбриональные стволовые клетки находятся в питательной среде и растут в подходящих для этого условиях, они остаются недифференцированными. Но если клетки получат возможность соединяться, образуя эмбриоидные тела, они начнут спонтанно дифференцироваться. В этом случае они могут формировать мышечные, нервные, и многие другие клетки. Хотя спонтанная дифференциация - это признак того, что культивированные клетки здоровы, она не является эффективным способов создания специализированных клеток.

Чтобы генерировать специализированные клетки определенных типов - к примеру, мышечные, кровяные, нервные - ученые стараются контролировать дифференциацию эмбриональных стволовых клеток. Они изменяют химический состав среды, в которой размножаются клетки, или модифицируют сами клетки, вводя в них определенные гены. За годы экспериментов ученые разработали несколько базовых протоколов или «рецептов» для направленной дифференциации эмбриональных стволовых клеток в специализированные клетки некоторых типов. Если будут созданы отлаженные механизмы, которые позволят направлять дифференциацию клеток определенным образом, это даст возможность в будущем получать клетки для лечения многих болезней. Среди заболеваний, которые теоретически можно будет лечить путем трансплантации клеток, полученных из эмбриональных стволовых клеток - болезнь Паркинсона, диабет, повреждения спинного мозга, мышечная дистрофия Дюшенна, сердечно-сосудистые заболевания, потеря зрения и слуха.

Стволовые клетки взрослых

Стволовые клетки взрослых - это недифференцированные клетки, которые находятся среди дифференцированных клеток в тканях и органах; они обладают способностью к самообновлению и могут превратиться в специализированные клетки тканей или органов. Основная задача стволовых клеток взрослых в живых организмах - поддерживать и восстанавливать ткани, в которых они находятся. Эти клетки также называются соматическими стволовыми клетками (то есть клетками тела, в противоположность зародышевым клеткам).

К настоящему времени взрослые стволовые клетки обнаружили в значительно большем количестве типов тканей, чем предполагалось ранее. Это натолкнуло ученых на следующий вопрос: можно ли использовать эти клетки для трансплантации? На самом деле, взрослые гематопоэтические стволовые, находящиеся в костном мозге, применяются для трансплантации уже на протяжение сорока лет. Теперь известно, что стволовые клетки есть также в сердце и в головном мозге. Если дифференциацию взрослых стволовых клеток получится контролировать в лабораторных условиях, эти клетки могут стать основой методов лечения, связанных с трансплантацией.

История изучения стволовых клеток взрослых началась около 60 лет назад. В 1950-х годах ученые обнаружили, что костный мозг содержит, как минимум, два вида стволовых клеток. Один вид - гематопоэтические или кроветворные стволовые клетки, формирует все типы кровяных клеток в организме. Другой вид - стромальные стволовые клетки костного мозга (или мезенхимальные клетки) был открыт несколько лет спустя. Они формируют клетки костной, хрящевой, соединительно и жировой ткани, а также клетки, способствующие образованию крови.

В 1960-х годах при изучении крыс ученые обнаружили два участка головного мозга, в которых содержались делящиеся клетки, в конце концов, становящиеся нервными клетками. Несмотря на эти открытия, большинство ученых считали, что мозг взрослого организма не может генерировать новые нервные клетки. Только в 1990-х годах научное сообщество согласилось с тем, что в зрелом мозге содержатся стволовые клетки, способные генерировать три основных вида клеток головного мозга: астроциты, олигодендроциты и нервные клетки (таким образом, выражение «нервные клетки не восстанавливаются» не соответствует действительности).

Где есть взрослые стволовые клетки и что они делают

Взрослые стволовые клетки были выявлены во многих органах и тканях, в том числе, в головном мозге, костном мозге, периферической крови, кровеносных сосудах, скелетных мышцах, коже, зубах, сердце, кишечнике, печение, эпителии яичников и яичках. Они находятся в особых областях тканей (которые называются нишами стволовых клеток). Стволовые клетки многих тканей является перицитами - так называются клетки, во внешнем слое которых есть маленькие кровеносные сосуды. Эти клетки могут не делиться в течение длительного времени, пока они не будут активизированы естественной потребностью в большем количестве клеток для поддержания нормального состояния тканей, болезнью или травмой.

Как правило, в каждой ткани содержится очень небольшое число стволовых клеток; после удаления из организма их способность к делению ограничивается, поэтому генерировать клетки в большом количестве трудно. Ученые во многих лабораториях пытаются найти лучшие способы выращивать большое число взрослых стволовых клеток и манипулировать ими так, чтобы они формировали специфические клетки, которые можно было бы использовать для терапии. В теории это позволило бы использовать клетки, полученные из костного мозга, для восстановления костной ткани, создавать клетки, отвечающие за выработку инсулина для лечения больных диабетом первого типа, и восстанавливать сердечную мышцу после инфаркта при помощи соответствующих клеток.

Как идентифицируются

Для идентификации взрослых стволовых клеток ученые используют следующие тесты:

помечают клетки в живых тканях молекулярными маркерами и затем определяют тип специализированных клеток, который они генерируют;
производят забор стволовых клеток у одного живого организма и пересаживают в другой, чтобы определить, «поселятся» ли они в той же ткани, из которой произошли.

Ключевые вопросы о взрослых стволовых клетках

Ученым еще предстоит найти ответы на многие вопросы о стволовых клетках, наиболее важные из которых следующие:

Сколько всего есть видов взрослых стволовых клеток, и в каких тканях они находятся?
Почему стволовые клетки остаются недифференцированными, когда все клетки вокруг них дифференцируются? Каковы характеристики их нищи, которая контролирует поведение клеток?
Какие факторы контролируют пролиферацию и дифференциацию взрослых стволовых клеток?
Какие факторы заставляют стволовые клетки перемещаться в те области, где произошли повреждения тканей, и как можно влиять на этот процесс, чтобы ускорить выздоровление?

Сходства и различия между эмбриональными и взрослыми стволовыми клетками

Одно из основных различий между ними заключается в том, что эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными, то есть, могут стать клетками всех типов, а взрослые клетки могут становиться только клетками тех тканей, в которых они находятся.

Эмбриональные клетки в лабораторных условиях выращивать довольно легко. Взрослых стволовых клеток в зрелых тканях содержится мало, выделить их трудно, и методы выращивания из них достаточно большого количества клеток в лабораториях пока не разработаны. Это важное отличие, так как для эффективной терапии требуется большое количество клеток.

Ученые считают, что вероятность отторжения тканей, полученных из эмбриональных и взрослых стволовых клеток, также может быть разной. Сейчас считается, что ткани, получаемые из стволовых клеток взрослых, будут отторгаться с меньшей вероятностью. Это связано с тем, что для создания таких тканей будут использоваться собственные клетки пациента, которые иммунная система вряд ли воспримет как чужеродные.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) - это взрослые клетки, которые были генетически перепрограммированы таким образом, что они приобрели характеристики эмбриональных стволовых клеток. Хотя эти клетки соответствуют определяющим критериям плюрипотентных стволовых клеток, неизвестно, есть ли между ИПСК и эмбриональными стволовыми клетками клинически значимые различия. ИПСК мыши были впервые получены в 2006 году, человека - в конце 2007 года. До сих пор исследования показывали, что ИПСК человека обладают теми же характеристиками, что и эмбриональные стволовые клетки. Хотя в этой области нужны дополнительные исследования, уже сейчас ИПСК является полезным инструментов для разработки лекарств и моделирования болезней и ученые надеются, что им найдется применение в трансплантационной медицине.

В настоящее время для введения во взрослые клетки репрограммирующих факторов используются вирусы, и этот процесс нужно тщательно контролировать и тестировать, прежде чем его можно будет использовать для лечения людей. В опытах на животных вирус, использовавшийся для перепрограммирования клеток, иногда вызывал рак. Исследователи пытаются нейти способ перепрограммировать клетки, не применяя вирусы.