Текущий интерес к стволовым клеткам обусловлен их потенциалом для терапевтической трансплантации специфических здоровых клеток, тканей и органов людям, страдающим от различных заболеваний. Классическими стволовыми клетками являются клетки красного костного мозга, которые дают начало всем типам клеток крови. Они названы зрелыми, поскольку присутствуют также у взрослых особей, и могут дифференцироваться во многие, но не все типы соматических клеток, поэтому называются – плюрипотентными. Однако в течение первых двух недель развития человеческого эмбриона существует универсальная стволовая клетка – типопотентная, способная дифференцироваться в любой из ~260 типов человеческих соматических клеток. Эта стволовая клетка называется зародышевой (эмбриональной) стволовой клеткой (Embryonic Stem Cell). Последние достижения технологии переноса ядра (см. ниже) предоставляют альтернативный путь получения стволовых клеток, которые могут использоваться для трансплантации тканей и органов с минимальным риском отторжения трансплантата. Эта процедура называется терапевтическим или нерепродуктивным клонированием, в результате которой получают типопотентные ES клетки, являющиеся наследственно идентичными с клетками реципиента трансплантата.
Рассмотрим более подробно технологии, позволяющие создавать пациент-специфические эмбриональные стволовые клетки (ES):
1. Перенос ядра соматической клетки (Somatic Cell Nuclear Transfer)
В этом методе, обычная соматическая клетка (например, клетка кожи), располагается около яйцеклетки, чья ядерная ДНК удалена. Под воздействием небольшого электрического импульса они сливаются, и активизируется яйцеклетка. Ооциста перепрограммирует ДНК соматической клетки, переводя её в зародышевое состояние, и та начинает делиться. После нескольких дней, клетки формируют бластоцисту (микроскопический шарик из 100-250 клеток). Из бластоцисты, зародышевые стволовые клетки изолируются, и в дальнейшем выращиваются для дифференцирования в необходимые типы клеток.
Клетка пациента "сплавлена" с энуклеированной донорской яйцеклеткой, используя технологию переноса ядра. Зародышевые стволовые клетки изолируются из получившегося клона, и затем дифференцируются in vitro в генетически идентичные реципиенту клетки и ткани для пересадки.
Открытие технологии трансплантации ядра соматической клетки предоставило одну из наиболее универсальных и ценных технологических основ в истории биотехнологий. Одно из преимуществ технологии SCNT в том, что клонированные клетки "омоложены" – теломеры, которые укорачиваются у зрелых клеток, что приводит в дальнейшем к их старению и гибели, удлиненны до первоначального состояния. Следовательно, эта технология позволяет создавать омоложенные здоровые клетки для пересадки, которые генетически идентичны собственным клеткам пациента.
Важно понять, что терапевтическое клонирование кардинально отличается от репродуктивного клонирования, целью которого является создание человеческого эмбриона с последующей подсадкой его в матку. При терапевтическом клонировании никакой жизнеспособный зародыш не создаётся и не уничтожается! Дело в том, что только одной массы эмбриональных клеток недостаточно для формирования полноценного эмбриона, т. к. в этом процессе принимают участие и некоторые другие эмбриональные клетки.
2. Партеногенез
В этой технологии не используется соматическая клетка. Берут только яйцеклетку пациента и стимулируют её специальными методами, приводящими к её активации, последующему делению и формированию зародыша, из которого может быть получена культура эмбриональных стволовых клеток. Эта многообещающая технология с точки зрения эффективности, к настоящему времени имеет один недостаток, обусловленный необходимостью получения яйцеклетки, и таким образом для целей аутогенной пересадки ограничен только женщинами, способными к овуляции. Тем не менее, ведутся исследования направленные на то, чтобы сделать эту технологию применимой ко всем женщинам, а также пациентам мужского пола. В 2002 году в журнале Science (295:819) сообщалось об успешном партеногенезе у приматов с последующим выращиванием дофаминергических нейронов для лечения болезни Паркинсона.
3. Перенос ооцитоплазмы
В этой технологии, вместо передачи ядра соматической клетки в ооцисту, выполняется обратное. Цитоплазма яйцеклетки сливается или впрыскивается в соматическую клетку. Выращиваемые в специальной среде клетки являются источником получения эмбриональных стволовых клеток. Эта технология находится в более раннем состоянии разработки, чем SCNT, но может обеспечить определенные преимущества как, например, более низкий профессиональный уровень, необходимый для перепрограммирования человеческих клеток.
4. Трансдифференцировка (Transdifferentiation)
Так же, как цитоплазма яйцеклетки способна переводить любую клетку в зародышевое состояние, аналогично, цитоплазма одного типа клеток (например, клетка крови) способна перепрограммировать другой тип клеток (например, клетки кожи) в свой. Эта технология, впервые опубликованная в 2002 году в Nature Biotechnology (20:460), позволяет клонировать клетку, взятую у пациента, в другой тип клеток, генетически идентичных пациенту. Пока эта технология используется не так широко и успешно, как SCNT, однако трансдифференцировка может иметь большие перспективы в сочетании с SCNT, чтобы создавать, например, клетки поджелудочной железы для лечения сахарного диабета.
5. Технология дифференцирования стволовых клеток
Регенеративной медицине необходимо, чтобы стволовые клетки независимо от способа их получения, дифференцировались (или редифференцировались) в специфические типы соматических клеток, и затем трансплантировались обратно пациенту. Дифференцирование в ткани, такие как, сердечная мышца, кровь или другие, происходит спонтанно в процессе культивирования эмбриональных стволовых клеток на средах. Также некоторые химические вещества, например, ретиновая кислота, могут быть использованы для инициирования дифференцировки в специфические типы клеток, например, в нервные клетки. Способы управления ростом стволовых клеток, дифференцированием культуры являются важными на сегодняшний момент сферами исследования многих компаний.
***
ES клетки как источник для трансплантации не лишены собственных потенциальных проблем. Так, например, рост человеческих ES клеток в культуре требует «питательного» слоя клеток мыши, которые могут содержать опасные вирусы, кроме того, при дифференцировке ES клеток может сформироваться смесь нескольких типов клеток. Человеческие ES клетки при введении их подопытным мышам могут формировать доброкачественные опухоли, хотя этот потенциал, возможно, исчезает, если клетки предварительно подвергнутся дифференцировке перед введением в реципиента. Однако исследования ES клеткок показали многообещающие перспективы в лечении сахарного диабета, болезни Паркинсона и травм спинного мозга.
Вероятно, что эмбриональные стволовые клетки будут первоначально использоваться для трансплантации отдельных типов клеток, например, мышечных или нервных клеток. В будущем, благодаря их способности давать начало всем типам клеток, они могли бы использоваться для создания тканей и, теоретически, сложных органов для трансплантации. Но это будет требовать значительного совершенствования методов, осуществляющих направленную специализацию ES клеток в каждый из составляющих этот орган тип клеток, а затем «сборку» их в правильных пропорциях и пространственную организацию. Это может быть относительно несложно для простой структуры, типа панкреатического островка, вырабатывающего инсулин, но весьма затруднительно для таких органов, как легкие, почки или печень.
Полученные из эмбриональных стволовых клеток линии специфических клеток (и, если возможно, тканей и органов) для терапевтической трансплантации могут столкнуться с проблемой отторжения трансплантата. Эксперименты с моделями на животных показывают, что наличие «рассеивающихся» митохондриальных белков в клетках может создать «незначительные» антигены трансплантации, которые могут вызвать отторжение; это не было бы проблемой, если бы яйцеклетка была получена от матери реципиента трансплантата или реципиента непосредственно. Для некоторых аутоиммунных заболеваний, трансплантация клеток, клонированных от собственных клеток пациента может быть нецелесообразна, т. к. эти клетки будут целями для продолжающегося деструктивного процесса. Кроме того, как и при использовании аутогенных зрелых стволовых клеток, в случае генетических нарушений, зародышевые стволовые клетки пациента несут тот же самый дефект и должны быть выращены и наследственно изменены прежде, чем они будут использоваться для терапевтической трансплантации
Литература
- COLMAN A. Somatic cell nuclear transfer in mammals: Progress and applications. Cloning 1999, 1(4):185-200.
- WOLF E, ZAKHARTCHENKO V, BREM G. Nuclear transfer in mammals: recent developments and future perspectives. J Biotechnol 1998 Oct 27(65) 2-3:99-110.
- SIMON DK, JOHNS DR. Mitochondrial disorders: clinical and genetic features. Annu Rev Med 1999, 50:111-27.
- MCCREATH KJ, HOWCROFT J, CAMPBELL KH, COLMAN A, SCHNIEKE AE, KIND AJ. Production of gene-targeted sheep by nuclear transfer from cultured somatic cells. Nature 2000 Jun 29, 405(6790):1066-9.
- COMMITTEE ON STEM CELLS AND THE FUTURE OF REGENERATIVE MEDICINE, BOARD ON LIFE SCIENCES AND BOARD ON NEUROSCIENCE AND BEHAVIORAL HEALTH. Stem Cells and the Future of Regenerative Medicine. Report of the National Academy of Sciences and the Institute of Medicine. 2001 Sep.
- PALMER TD, SCHWARTZ PH, TAUPIN P, KASPAR B, STEIN SA, GAGE FH. Cell culture. Progenitor cells from human brain after death. Nature 2001 May 03, 411(6833):42-3.
- REUBINOFF BE, PERA MF, FONG CY, TROUNSON A, BONGSO A. Embryonic stem cell lines from human blastocysts: somatic differentiation in vitro. Nat Biotechnol 2000 Apr, 18(4):399-404.
Биотехнологии>Клонирование>Терапевтическое клонирование>
