Наука и жизнь // Иллюстрации

Получение эмбриональных стволовых клеток и пути их последующей дифференцировки.

Зубная мякоть, пульпа, состоит из соединительной ткани и обеспечивает питание и рост зубов. Пульпа находится в "чехле" из дентина, который является разновидностью костной ткани. Эмаль и цемент покрывают дентин, тем самым защищая зубную ткань от износа.

Стволовые клетки, выделенные из костного мозга, при трансплантации обеспечивают восстановление поврежденной костной ткани лица и челюсти, а клетки, полученные из пульпы зуба, восстанавливают поврежденный дентин.

МЕТАМОРФОЗЫ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК

Предшественники всех клеток, составляющих организм, называются стволовыми. Впервые существование стволовых клеток предположил и доказал в начале ХХ века профессор Императорской Военно-медицинской академии А. А. Максимов.

Абсолютно все клетки органов и тканей имеют одну-единственную "прародительницу" - так называемую мультипотентную стволовую клетку. В процессе деления из одной стволовой клетки образуются две дочерние, из которых одна идентична материнской, а другая может производить разнообразное клеточное потомство, отличное от клетки-предшественницы. Все стволовые клетки обладают способностью воспроизводить себе подобных и могут превращаться в клетки нескольких типов. Это свойство называется мультипотентностью. От поколения к поколению стволовые клетки теряют мультипотентные свойства, приобретая способность превращаться исключительно в клетки одного или нескольких тканевых типов, и в конце концов становятся "кирпичиками" тканей определенного типа.

У человека стволовые клетки обнаружены в эмбриональной ткани, в некоторых тканях плода, пуповине, плаценте, а также в тканях и органах взрослого человека, например в костном мозге. Эти клетки играют важную роль в восстановлении поврежденных тканей. Например, как показали недавние эксперименты на животных, всего лишь 10 стволовых клеток способны полностью восстановить кроветворение в течение нескольких недель после трансплантации клеточной культуры в костный мозг.

Выделяют четыре основных типа стволовых клеток: эмбриональные, фетальные, соматические и мезенхимальные.

Эмбриональные стволовые клетки обнаруживаются на самой ранней стадии развития зародыша. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота) начинает делиться через 30 часов с момента оплодотворения, и к третьему-четвертому дню эмбрион представляет собой компактный шар, состоящий из 12 клеток или более. Еще через пять-шесть дней эмбриональные клетки формируют полую клеточную сферу диаметром 150 микрон - бластоцисту. Клетки внутренней клеточной массы - бластоцисты (около 30 клеток) и есть эмбриональные стволовые клетки. Их отличительная особенность - способность к образованию из одной первоначальной клетки целой линии генетически идентичных клеток.

В настоящее время появилась возможность выделять эмбриональные стволовые клетки из бластоцисты и культивировать их в лабораторных условиях. Таким образом, теоретически эмбриональные стволовые клетки могут использоваться как потенциальный источник клеток для выращивания практически любых органов и тканей организма.

Несмотря на то, что эмбриональные стволовые клетки наиболее перспективны для использования в медицинской практике, по этическим соображениям в большинстве стран проведение исследований, связанных с клиническим применением эмбриональных стволовых клеток человека, законодательно запрещено.

В процессе эмбрионального развития одинаковые стволовые клетки начинают видоизменяться и разделяются на определенные зародышевые листки, состоящие из так называемых фетальных стволовых клеток, которые также обладают значительным потенциалом к превращению в другие типы клеток.

Фетальные стволовые клетки в конце концов развиваются в различные органы. Пока хорошо изучены три разновидности фетальных клеток: нейральные стволовые клетки (включая клетки нервного гребня), гематопоэтические стволовые клетки и клетки - предшественники b-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих инсулин.

Нейральные стволовые клетки способны трансформироваться в клетки головного мозга. Клетки нервного гребня дифференцируются в клетки, иннервирующие сердце и стенку кишечника, пигментные клетки кожи (меланоциты), хрящ и кости лица, соединительную ткань и другие. Гематопоэтические стволовые клетки превращаются в разнообразные элементы крови. Большое число таких клеток содержат пуповина и плацента.

Соматические стволовые клетки способны превращаться не во все, а только в клетки определенных типов, образующие ткани взрослого организма. Возможность их использования для регенерации тканей была открыта несколько десятилетий тому назад. Источниками соматических стволовых клеток в организме взрослого человека являются костный мозг, периферическая кровь, жировая ткань, головной мозг, скелетная мускулатура, пульпа зуба, печень, кожа, слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, поджелудочная железа. Клетки данного вида поддерживают обновление тканей на протяжении всей жизни человека.

Соматические стволовые клетки, выделенные из костного мозга, могут превращаться в клетки головного мозга. А аналогичные клетки, полученные из ткани головного мозга, способны трансформироваться в клетки крови и мышечной ткани. В некоторых органах соматические стволовые клетки генерируют клетки нескольких типов. К примеру, стволовая клетка нервной ткани может дифференцироваться в нейроны головного мозга, глиальные клетки и астроциты. Подобная способность клеток к трансформации называется пластичностью.

Сегодня во многих странах мира (Австралия, Западная Европа, США, Япония и др.) для лечения больных применяют мезенхимальные стволовые клетки, обнаруженные в тканях взрослого организма и обладающие способностью превращаться в клетки любого органа. Наибольший интерес для медиков представляют мезенхимальные клетки костного мозга, хорошо культивирующиеся в лабораторных условиях.

ЗУБЫ ИЗ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК

Мезенхимальные стволовые клетки способны трансформироваться в клетки костной ткани, что дает возможность использовать их для восстановления целостности костей черепа и лица и регенерации тканей зуба. Наиболее часто необходимость в восстановлении ткани возникает после хирургического удаления раковой опухоли, при различных инфекционных, травматических, врожденных заболеваниях, приводящих к нарушению формирования костей челюстно-лицевой области, а также при системных прогрессирующих заболеваниях костной ткани. До настоящего времени для восстановительной терапии использовались костная ткань пациента и материалы из металла и полимеров, однако у таких терапевтических подходов имеются существенные ограничения.

В процессе эмбрионального развития стволовые клетки трансформируются в клетки - предшественники матрицы зуба: амелобласт и одонтобласт, которые затем формируют соединительную ткань зуба, пульпу, и "обрастают" минерализованной оболочкой из эмали и дентина. Дентин защищает пульпу от нежелательных воздействий. В отличие от костной ткани матрица зуба, однажды сформировавшись, не меняется в течение всей жизни. Однако после химического или механического повреждения зуба дентин частично восстанавливается. Это навело ученых на мысль, что в пульпе зуба, как в костном мозге, могут содержаться стволовые клетки.

Действительно, недавно ученым удалось выделить стволовые клетки из пульпы зуба взрослого человека. Оказалось, что стволовые клетки пульпы зуба делятся еще быстрее стволовых клеток из костного мозга. При механических повреждениях зуба или кариесе стволовые клетки пульпы начинают активно делиться, превращаясь в другие клетки, в том числе и в клетки - предшественники зубной ткани, одонтобласты, которые обновляют популяцию поврежденных клеток зуба.

Ученые открыли вещество, управляющее процессом трансформации стволовых клеток пульпы в клетки зубной ткани. Эта белковая молекула, называемая BMP-2 (bone morphogenic protein-2), присутствует в костном мозге. Она вовлечена во многие процессы деления и дифференцировки клеток организма. После повреждения зуба включается генетический механизм, запускающий синтез BMP-2, после чего в зубной ткани активируются восстановительные процессы.

Эффективность регенеративной терапии зубов с применением стволовых клеток уже доказана в экспериментах на животных. А использование мезенхимальных стволовых клеток костного мозга для восстановления и регенерации костной ткани открывает широкие перспективы в челюстно-лицевой пластической хирургии.

Внедрение стволовых клеток в практику стоматологических клиник не за горами. Поэтому уже сегодня потенциальным пациентам зубоврачебных кабинетов предлагается сохранять популяцию стволовых клеток зуба в специальных банках. Такая услуга уже существует в США. Мама малыша может сдать в лабораторию банка стволовых клеток молочный зуб, из которого специалисты выделят стволовые клетки. Эти клетки будут культивироваться и храниться в банке для будущего лечения ребенка (или взрослого).

Стволовые клетки открывают новые подходы к терапии многих заболеваний. Их можно трансплантировать непосредственно или в комбинации с биоматериалами. Рассматривается возможность применения стволовых клеток как средства доставки генов или генетических продуктов к поврежденным тканям. Бурно развивающиеся научные исследования стимулируют биомедицинское сообщество быстро внедрять открытия в клиническую практику. Перспективы применения стволовых клеток сегодня огромны. Однако манипуляции со стволовыми клетками и их культурами сложны и требуют высокой квалификации специалистов.

Чтобы выйти на мировой уровень в этой важнейшей области медицины, необходимо создавать биотехнологические предприятия, центры клеточной и генной терапии, банки стволовых клеток, обучать молодых специалистов в ведущих мировых лабораториях за рубежом с последующим предоставлением им работы в России. Первые шаги на этом пути уже сделаны: успешно функционируют "КриоЦентр" и Банк стволовых клеток в Москве, строится Центр клеточной и генной терапии в Санкт-Петербурге, который должен стать крупнейшим аккумулятором современных клеточных, генных и нанотехнологий в России.

"Наука и жизнь" о стволовых клетках:

Белоконева О., канд. хим. наук. Праматерь всех клеток. - 2001, № 10.

Гриневич В., докт. мед. наук. Нервные клетки восстанавливаются. - 2004, № 4.

Лозовская Е., канд. физ.-мат. наук. Стволовые клетки про запас. - 2005, № 2.

Смирнов В., акад. РАМН, чл.-корр. РАН. Восстановительная терапия будущего. - 2001, № 8.

№10, 2006