23.10.08
Получение и исследование плюрипотентных стволовых клеток человека — одна из ключевых проблем современной клеточной биологии. Они способны после дифференцировки давать все возможные типы клеток, из которых состоит тело человека.
С.М. Закиян, заведующий лабораторией
эпигенетики развития, д.б.н., профессор
А.И. Шевченко, к.б.н., с.н.с., ИЦиГ
До недавнего времени единственным хорошо отработанным методом получения стабильных линий плюрипотентных стволовых клеток было их выделение из предимплантационных эмбрионов человека. Так появились линии эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). Сегодня ЭСК широко используются для исследования и моделирования многих биологических процессов, происходящих на ранних этапах эмбрионального развития. Существует возможность использовать ЭСК для получения специфических типов клеток и тканей в заместительной клеточной терапии при лечении дегенеративных заболеваний. Однако все это сопряжено с рядом серьезных проблем. Во-первых, при получении ЭСК эмбрион погибает, и этот факт провоцирует сложности этического характера. Во-вторых, использование ЭСК в клеточной терапии ограничено, так как высока вероятность отторжения клеток организмом реципиента.
На рисунке: стратегия применения ИПСК для лечения заболеваний. Основные этапы: проведение биопсии и культивирование дифференцированных клеток из тканей пациента; получение аутологичных ИПСК; направленные модификации отдельных генов в ИПСК; направленная дифференцировка ИПСК в определенный тип клеток или тканей, которые планируется заместить; трансплантация здоровых аутологичных клеток и тканей пациенту.
Группа японских авторов под руководством Шинья Яманака из Университета Киото в 2006 году в журнале «Cell» опубликовала сенсационную работу, в которой дифференцированные клетки кожи (фибробласты) мыши с помощью нового подхода удалось вернуть обратно в плюрипотентное состояние. Полученные в этом эксперименте клетки, которые обладали практически всеми свойствами ЭСК, ученые назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК).
В ноябре 2007 вышли две независимые статьи — одна в журнале «Science» (авторы Джеймс Томпсон с коллегами из Университета Висконсин-Мэдиссон), а другая — в журнале «Cell» (авторы Шинья Яманака и коллеги из Университета Киото), в которых показана успешная трансформация в плюрипотентное состояние фибробластов человека. Таким образом, был найден новый источник плюрипотентных клеток, необходимых как для научных исследований процессов раннего развития, так и для целей регенеративной медицины.
Эти работы по праву можно назвать революционными. Они заложили основу нового этапа развития клеточной биологии и медицины. Во всем мире многие центры получили специальное финансирование для работ в этой области.
Индуцированные стволовые клетки человека имеют ряд несомненных преимуществ по сравнению с ЭСК для использования в клеточной терапии. Во-первых, не возникает правовых и этических проблем, которые появляются при выделении ЭСК из эмбрионов. Во-вторых, эти клетки позволяют решить вопросы гистосовместимости, так как становится возможным выделить аутологичные плюрипотентные клетки из дифференцированных клеток пациента. В-третьих, ИПСК, в отличие от ЭСК, при необходимости могут быть получены для каждого конкретного пациента в любой период его жизни.
В настоящее время имеются линии ИПСК от пациентов с различными заболеваниями, такими, как мышечная дистрофия Дюшена, мышечная дистрофия Бекера, синдром Дауна, болезнь Паркинсона, ювенильный диабет, болезнь Хантингтона, синдром Леш-Нихана и др. Предполагается, что, моделируя развитие тканей и органов при дифференцировке ИПСК в культуре, можно будет установить причины и механизмы формирования каждого конкретного заболевания, разработать и испытать генетические и/или медикаментозные методы их лечения.
ИПСК могут найти применение в лечении множества заболеваний. Например, рассматривается возможность их использования в лечении диабета типа 1, при котором в организме больного происходит полная гибель бета-клеток, продуцирующих инсулин. Показано, что ИПСК из фибробластов человека, дифференцируются в островковые клетки — предшественники бета-клеток.
В составе эмбриоидных телец, образующихся при дифференцировке ИПСК мыши, обнаружены клетки кардиомезодермы и кардиомиоцитов. Кроме того, по протоколу направленной дифференцировки, разработанному для ЭСК, из ИПСК мыши удалось получить артериальные, венозные и лимфатические эктодермальные клетки. Эффективность и динамика дифференцировки была одинаковой для ЭСК и ИПСК. Таким образом, с помощью аутологичных ИПСК можно будет в дальнейшем лечить кардиологические заболевания.
В другом исследовании ИПСК извлекли из фибробластов восьмидесятидвухлетней женщины, больной наследственной формой бокового амиотрофического склероза (болезнь Шарко). Затем эти ИПСК направленно дифференцировали в моторные нейроны — клетки, деградирующие при этом заболевании.
ИПСК из фибробластов кожи взрослой мыши дифференцировали в предшественники нейронов и трансплантировали в желудочки головного мозга эмбрионов. Трансплантированные клетки формировали островки в областях инъекции, а также мигрировали в различные участки мозга и дифференцировались в разные типы нервных клеток и глиальные клетки. Кроме того, в этом же исследовании была сделана попытка использовать ИПСК для лечения нейродегенеративных заболеваний. У крыс селективно уничтожили дофамин-продуцирующие нейроны в одном из полушарий мозга, в результате чего у них формировалось заболевание, сходное с болезнью Паркинсона. После этого в стриатум мозга животным трансплантировали соответствующие нейроны, полученные из ИПСК. Через четыре недели восемь из девяти крыс демонстрировали нормальное поведение. Подтверждено, что дофаминэргические нейроны мигрировали в ткань мозга.
Терапевтический потенциал ИПСК продемонстрирован в лечении серповидно-клеточной анемии у мышей. Это наследственное заболевание вызвано мутацией гена гемоглобина и нарушением функций эритроцитов. В ходе эксперимента из культуры фибробластов больной мыши получили ИПСК. В ИПСК заменили дефектный ген гемоглобина на нормальный. Далее дифференцировали ИПСК в специализированные кроветворные стволовые клетки. У больных мышей с помощью радиации разрушили клетки костного мозга и провели трансплантацию аутологичных кроветворных клеток из ИПСК. Трансплантанты прижились и стали дифференцироваться в здоровые эритроциты с нормальным гемоглобином.
Хотелось бы особо подчеркнуть, что индуцированные плюрипотентные стволовые клетки по всем предположениям могут найти применение в лечении заболеваний человека, однако речи о немедленном их использовании в терапии пока не идет. Прежде необходимо отработать методы лечения на модельных животных и только затем передавать технологии в клинику. Хочется верить, что произойдет это в самое ближайшее время.
В настоящее время во многих клеточных центрах мира проводятся интенсивные исследования по разработке методов клеточной терапии с использованием ИПСК и нанотехнологий. За рубежом уже применяют новейшие методы нанотехнологии для доставки биологического материала в стволовые клетки с помощью наноносителей (нанофибриллы, магнитные наночастицы и пр.), а также наносубстраты и матриксы для получения in vitro культур органов и тканей.
В лаборатории эпигенетики развития ИЦиГ СО РАН молодые сотрудники под руководством Александра Шевченко успешно ведут работы по получению ИПСК. На сегодняшний день уже есть обнадеживающие результаты. Методики по получению ИПСК могут быть переданы в Центр по клеточным технологиям для создания банка индивидуальных клеточных линий людей, страдающих болезнями, которые не поддаются лечению методами традиционной терапии.
Безусловно, такой огромный регион, как Сибирь, должен иметь свой Центр по новым клеточным технологиям. Он позволил бы активизировать исследования в стремительно развивающейся области, изучать ряд фундаментальных теоретических вопросов и решать задачи, которые найдут выход в экспериментальную и клиническую медицину.
Хотелось бы, чтобы одной из приоритетных задач Сибирского отделения РАН сегодня стала поддержка данного научного направления и создание Центра по новым клеточным технологиям. Ведь речь идет о медицине будущего.
Источник: «Наука в Сибири» N 41 (2676) 16 октября 2008 г.
