Что такое дифференцированные клетки
Дифференцировка клеток
Дифференцировка клеток — процесс реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток, отражающего их способность к тем или иным профильным функциям. Иными словами, фенотип клеток есть результат координированной экспрессии (то есть согласованной функциональной активности) определённого набора генов.
В процессе дифференцировки менее специализированная клетка становится более специализированной. Например, моноцит развивается в макрофаг, промиобласт развивается в миобласт, который образуя синцитий, формирует мышечное волокно. Деление, дифференцировка и морфогенез— основные процессы, путём которых одиночная клетка (зигота) развивается в многоклеточный организм, содержащий самые разнообразные виды клеток. Дифференцировка меняет функцию клетки, её размер, форму и метаболическую активность.
Дифференцировка клеток происходит не только в эмбриональном развитии, но и во взрослом организме (при кроветворении, сперматогенезе, регенерации поврежденных тканей).
Содержание
Потентность
Общее название для всех клеток, ещё не достигших окончательного уровня специализации (то есть способных дифференцироваться), — стволовые клетки. Степень дифференцированости клетки (её «потенция к развитию») называется потентностью. Клетки, способные дифференцироваться в любую клетку взрослого организма, называются плюрипотентными. Для обозначения плюрипотентных клеток в организме животных используется также термин «эмбриональные стволовые клетки». Зигота и бластомеры являются тотипотентными, так как они могут дифференцироваться в любую клетку, в том числе и в экстраэмбриональные ткани.
Дифференцировка клеток млекопитающих
Самая первая дифференцировка в процессе развития эмбриона происходит на этапе формирования бластоцисты, когда однородные клетки морулы, разделяются на два клеточных типа: внутренний эмбриобласт и внешний трофобласт. Трофобласт участвует в имплантации эмбриона и дает начало эктодерме хориона (одна из тканей плаценты). Эмбриобласт даёт начало всем прочим тканям эмбриона. По мере развития эмбриона клетки становятся всё более специализированными (мультипотентные, унипотентные), пока не станут окончательно дифференцировавшимися клетками, обладающими конечной функцией, как например, мышечные клетки. В организме человека насчитывается порядка 220 различных типов клеток.
Небольшое количество клеток во взрослом организме сохраняют мультипотентность. Они используются в процессе естественного обновления клеток крови, кожи и др., а также для замещения повреждённых тканей. Так как эти клетки обладают двумя основными функциями стволовых клеток — способностью обновляться, поддерживая мультипотентность, и способностью дифференцироваться — их называют взрослыми стволовыми клетками.
Дедифференцировка
Дедифференцировка — это процесс, обратный дифференцировке. Частично или полностью дифференцировавшаяся клетка возвращается в менее дифференцированное состояние. Обычно является частью регенеративного процесса и чаще наблюдается у низших форм животных, а также у растений. Например, при повреждении части растения клетки, соседствующие с раной, дедифференцируются и интенсивно делятся, формируя каллус. При помещении в определённые условия клетки каллуса дифференцируются в недостающие ткани. Так при погружении черенка в воду из каллуса формируются корни. С некоторыми оговорками к явлению дедифференцировки можно отнести опухолевую трансформацию клеток.
Что такое дифференцированные клетки
• Многоклеточный организм состоит из различных типов клеток, которые выполняют специализированные функции
• Многие дифференцированные клетки утратили способность к делению и/или к образованию клеток других типов
• Стволовые клетки способны к делению с образованием различных типов клеток, которые необходимы для построения тканей организма
Когда выше мы давали определение клетки, то в качестве одного из ее свойств мы называли способность к делению с образованием копии себе подобной. Хотя это остается справедливым для клеток одноклеточных организмов, уровень специализации, которого достигли клетки у многоклеточных, требует расширения базовых понятий.
Термин дифференцировка описывает процесс, посредством которого клетка приобретает новый фенотип, или же дает начало предшественникам клеток, которые по фенотипу отличаются от родительской.
Под развитием организма подразумевают процесс, в результате которого исходная клетка (оплодотворенный ооцит в случае млекопитающих) путем последовательных делений превращается в организм, состоящий из клеток различных типов. Оплодотворенная зигота обладает тотипотентностью, т. е. из нее способны образовываться все клетки организма.
Питающие клетки окружают ооцит и участвуют в переносе веществ,
что создает асимметричность в распределении белков.
Процесс развития можно рассматривать как наложение неких дополнительных ограничений на свойства образующихся клеток. В результате этих ограничений клетки могут развиваться, образуя лишь определенный тип клеток.
Поскольку существуют многоклеточные организмы, состоящие из специализированных тканей, необходимо различать два типа клеток. К соматическим относятся все клетки организма, за исключением герминативных. Соматические клетки предназначены для выполнения в организме определенных функций и не участвуют в процессе воспроизводства организма. У млекопитающих они являются диплоидными клетками (т. е. содержат один материнский и один отцовский набор генетического материала).
Следующее поколение организма формируется при участии специализированных герминативных клеток. Эти клетки существуют для каждого пола отдельно и являются гаплоидными: сперматозоиды и ооциты содержат по одному набору генетического материала.
В период развития и существования взрослого организма некоторые клетки сохраняют способность к воспроизводству любых клеток различных тканей, в то время как другие образуют лишь родственные клетки или не образуют никаких. Клетки, обладающие широкими возможностями к регенерации, называются стволовыми. Например, клетки иммунной системы произошли от иммунных стволовых клеток. Основной вопрос биологии состоит в том, существуют стволовые клетки только при развитии организма или же они сохраняются и в зрелом возрасте.
При развитии ткани происходит серия процессов дифференцировки клеток, при которых они продолжают изменять свой фенотип до тех пор, пока не образуются все необходимые типы. По завершении этого процесса некоторые клетки могут утратить способность к делению и превратиться в терминально дифференцированные. Клетки также могут стареть и умирать. Многие соматические клетки являются терминально дифференцированными. К их числу относятся и половые клетки, хотя они обладают уникальной способностью образовывать зиготу, которая способна к делению.
Терминально дифференцированные клетки могут проявлять настолько необычные свойства, что возникает вопрос, применимо ли к ним определение самого понятия клетка. У млекопитающих дифференцировка эритроцитов приводит к потере ядра. Клетка представляет собой не более чем мембрану, которая внутри содержит раствор гемоглобина и форма которой поддерживается сетью волокон актина и спектрина. Поскольку эритроцит произошел из полностью функциональной клетки, мы рассматриваем его как клетку, хотя и утратившую почти все характерные признаки.
Широко обсуждается вопрос, происходят ли при дифференцировке клеток постоянные изменения их генетической программы или же ограничения на развитие фенотипа носят исключительно эпигенетическую природу? Возможность клонирования организмов при помещении ядра соматической клетки в ооцит дает однозначный ответ на этот вопрос: почти каждая клетка организма сохраняет генетическую информацию, необходимую для поддержания процесса развития. (Исключение составляют клетки с измененным генетическим материалом, например клетки, продуцирующие антитела, или утратившие генетическую информацию (эритроциты).)
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Что такое дифференцированные клетки
Жизненный цикл клетки многоклеточного организма состоит из эмбриональной фазы, включающей многочисленные этапы пролиферации и дифференцировки оплодотворённой яйцеклетки, фазы функционирования взрослой дифференцированной клетки и фазы запрограммированной клеточной гибели. Покоящиеся терминально дифференцированные клетки имеют тенденцию быть сильно поляризованными, в то время как более пластичные типы клеток (стволовые клетки, эмбриональные клетки и раковые клетки) имеют тенденцию быть относительно деполяризованными [1]. Мембранный потенциал растёт в процессе дифференцировки и достигает максимума у взрослой дифференцированной клетки, а затем падает в процессе гибели по типу апоптоза [1, 2]. Если влияние ионного состава цитоплазмы на экспрессию различных генов интенсивно исследовалось уже много лет [1, 3], то влияние ионного состава внешней среды на различные фазы жизненного цикла клетки детально не исследовалось. Целью работы было исследование влияния активности неорганических ионов на разных этапах жизненного цикла клетки.
Материалы и методы исследования
В наших экспериментах определялось влияние различных культуральных сред на процессы пролиферации, дифференцировки и апоптоза [4]. В экспериментах использовалась культура клеток нейробластомы мыши NIE-115 (клон С-1300), способной к обратимой дифференцировке и спонтанной регрессии.
Основные компоненты используемых сред представлены в таблице.
Основные компоненты используемых сред
Молярность, Σ[сi], мОсм
*К среде DMEM добавлено 10 % сыворотки, 25 мМ NaCl и 2,5мМ CaCl2.
**К среде DMEM добавлено 10 % сыворотки.
Через сутки после культивирования на среде № 2 (таблица) клетки переводили на одну из сред, представленных в таблице. Плотность посева в стандартных пластиковых флаконах составляла 1х104 клеток на см2. Степень морфологической дифференцировки определяли как долю клеток, образующих отростки, длина которых более чем в два раза превышала диаметр клетки. Время дифференцировки определяли как время воздействия среды, за которое доля дифференцированных клеток достигала 70 ± 10 % %. Время жизни определяли как время, за которое гибель клеток достигала 85 ± 10 % %.
Результаты исследования и их обсуждение
Значительные различия, представленные на рис. 1, были зарегистрированы при изменении кислотности среды от pH 7,5 до pH 8,2.
Рис. 1. Изменение количества клеток нейробластомы мыши N1Е-115, выращенных в среде № 2, при замене среды (в точке t = 0 на оси времени): а – на среду № 5 (DMEM, pH 7.5; время дифференцировки – 24 ч, время жизни – 120 ч), б – на среду № 6 (DMEM, pH 8.2; время дифференцировки – 20 ч, время жизни – 168 ч)
В среде № 5 при рН7,5 время дифференцировки составило 24 ч, а время жизни – 120 ч, а в среде № 6 время дифференцировки практически не изменилось, а время жизни увеличилось почти в полтора раза. Зависимости времени дифференцировки и времени жизни от содержания ионов Na+ в культуральной среде представлены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость периода дифференцировки (слева) и продолжительности жизни (справа) от концентрации Nа + в среде. Цифры рядом с точками данных соответствуют номерам сред, перечисленным в таблице
Эксперименты показали, что как время дифференцировки, так и время жизни минимальны при низких концентрациях ионов Nа+ в среде. Время дифференцировки при увеличении концентрации ионов Nа+ в среде от 100 mM до 200 mM может изменяться практически в два раза, а время жизни – почти в три раза. При изменении кислотности внешней среды от рН 7,5 до pH 8.2 время дифференцировки уменьшилось от 24 ч до 20 ч, а время жизни увеличилось с 120 ч до 168 ч.
Наши эксперименты показали значительные изменения как времени дифференцировки, так и времени жизни при изменении рН внешней среды и при изменении содержания ионов натрия. В последних публикациях рассматриваются четыре типа переносчиков ионов, регулирующих содержание ионов Na+ и рН у глиальных клеток. Это обменники Na+/H+ (NHE), обменники Na+/Ca2+ (NCX), котранспортеры Na+-K+-Cl- (NKCC) и котранспортеры Na+-HCO3- (NBC) [5, 6]. Обменники Na+/H+ (NHE) влияют на апоптоз, рост раковых клеток, инвазию и миграцию глиомы. Ингибирование Na+/H+ обменников способствует увеличению выживаемости в моделях глиомы на животных [6]. Клетки глиомы с нокдауном обменника демонстрировали значительно более медленный рост, чем контрольные клетки [7]. Сверхэкспрессия обменника усиливала пролиферацию и миграцию клеток глиобластомы [8]. Cубъединица альфа1 Na+/K+-АТФазы экспрессируется в большинстве глиобластом активнее, чем в нормальных тканях мозга [9]. Показано, что деполяризация усиливает пролиферацию мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани, а гиперполяризация усиливает дифференцировку этих клеток [10].
Самые последние исследования клеток глии in vivo подтвердили низкое содержание ионов Na+ во внутриклеточной среде [Na+]i ≈ 10 мМ, но высокие концентрации ионов натрия Na+ во внеклеточной среде и в крови [Na+]o ≈ 150 мМ [11]. В клетках глиомы крысы in vivo концентрация [Na+]i и его содержание в крови [Na+]b не отличались от нормальной ткани, а уровень натрия во внеклеточной среде [Na+]o был занижен. Это означает, что эндотелиальные клетки, окружающие опухоль, изменяют проницаемость гематоэнцефалического барьера для ионов Na+. В этих условиях клетки глиомы деполяризованы относительно нормальных глиальных клеток, что свидетельствует о готовности к пролиферации [11]. Утверждается, что изменения содержания ионов натрия Na+ в крови, в межклеточной среде или в цитоплазме in vivo могут рассматриваться как важный онкологический биомаркер [11].
Проведённые эксперименты показали, что при изменении кислотности внеклеточной среды от pH 8,2 до pH 7,5 время дифференцировки практически не изменилось, а время жизни уменьшилось почти в полтора раза. По-видимому, закисление цитоплазмы посредством активности Na+/H+ обменников способствует пролиферации раковых клеток и устойчивости лекарственным препаратам [12]. Закисление цитоплазмы астроцитов ствола мозга активирует котранспорт Na+/HCO3-, который приносит Na+ внутрь клетки. Повышение [Na+]i активирует обменник Na+/Ca2+, что приводит к поступлению ионов Ca2+ в цитоплазму [13].
Это означает, что изменения рН не влияют на экспрессию генов, ответственных за процессы дифференцировки, однако высокие рН могут блокировать экспрессию генов, ответственных за апоптоз.
Наши эксперименты показали, что как время дифференцировки, так и время жизни минимальны при низких концентрациях ионов Nа+ в среде. При увеличении концентрации ионов Nа+ в среде от 100 mM до 200 mM время дифференцировки увеличивалось практически в два раза, а время жизни – почти в три раза.
Учитывая условия водно-осмотического равновесия и известное уравнение Гольдмана для потенциала на плазматической мембране [14], можно заключить, что низкому содержанию ионов Nа+ в среде будет соответствовать низкое содержание ионов Nа+ в цитоплазме. Это означает, что при низком содержании ионов Nа+ в среде клетка гиперполяризуется. В такой клетке экспрессируются гены, ответственные за процессы дифференцировки, и гены, ответственные за апоптоз. При высоком содержании ионов Nа+ в среде клетка деполяризуется и экспрессируются гены, ответственные за процессы пролиферации [1]. Основные результаты наших исследований на клетках нейробластомы недавно были подтверждены на культивируемых эпителиальных раковых клетках. Для оценки влияния неорганических ионов на пролиферацию, дифференцировку и апоптоз использовали различные культуральные смеси, в которых проницаемые ионы (Na+, Cl- и K+) заменялись непроницаемыми ионами (N-метил-D-глюкамин (NMDG), глюконат, холин, SO42-). Значения мембранных потенциалов клеток оценивали как с помощью patch clamp, так и с помощью чувствительного к напряжению красителя [15].
Таким образом, на первых этапах жизненного цикла при пролиферации и начальной дифференцировке у клеток регистрируется низкое значение мембранного потенциала, высокое содержание ионов Nа+ и благодаря работе Na+/H+ обменников, цитоплазма слегка защелочена. У взрослой дифференцированной клетки регистрируется высокое значение мембранного потенциала, низкое содержание ионов Nа+ и слегка закисленная цитоплазма.
На последних этапах жизни клетки развивается апоптоз или некроз, регистрируются низкие значения мембранного потенциала, высокое содержание ионов Nа+. Апоптоз приводит к ингибированию Na+/H+ обменников и закислению цитоплазмы. Полученные результаты позволяют надеяться, что подбор культуральных сред поможет увеличивать выход продукции при выращивании различных клеток самых разных организмов. На уровне организма полученные результаты могут способствовать подбору препаратов, влияющих на рост или гибель конкретных клеток.
Такие разные стволовые клетки
Поскольку взрослый организм происходит от одной-единственной клетки, для каждой его клеточки можно составить «родословную»: проследить, из клетки какого типа она развилась и какие клетки могут «родиться» от нее.
Автор
Редакторы
Наш организм состоит из более чем двухсот различных типов клеток. Эти 10 13 маленьких живых объектов связаны сложными сетями взаимодействий, причем каждая клетка выполняет свою строго определенную функцию во благо всего организма. За разнообразие клеточного состава и обновление изношенных клеток отвечают стволовые клетки (СК). Они бывают разными и отличаются в первую очередь способностью дифференцироваться — «превращаться» в специализированные клетки. Плюрипотентная СК может дать начало всем клеткам, присутствующим во взрослом организме; СК крови может дать все возможные типы клеток крови (но не нейрон или клетку эпителия кишечника), а потомки клетки — предшественницы кератиноцитов могут быть только кератиноцитами (такая клетка называется унипотентной). Подробнее о типах и свойствах стволовых клеток, а также о том, как их можно изучать и применять в медицине, рассказывает специальный выпуск журнала «Биохимия»: «Такие разные стволовые клетки». Редакция журнала «Биохимия» и «Биомолекула» предлагают вашему вниманию обзорную статью, которая резюмирует работы, опубликованные в этом номере.
«Биохимия» — «Биомолекуле»
Один из наиболее известных и классических русских журналов молекулярно-биологического профиля — «Биохимия» — дружит с «Биомолекулой». И в рамках этой дружбы мы будем иногда публиковать научно-популярные версии статей, обзоров и эссе, которые выходят в «Биохимии».
Стволовые клетки взрослого организма
Стволовые клетки (СК) находятся в организме в строго определенных местах, которые, благодаря окружающим клеткам и внеклеточному матриксу [1], обеспечивают правильное функционирование стволовых клеток. Такие места называются клеточной нишей [2]. В костном мозге есть два типа СК: кроветворные, способные дифференцироваться во все клетки крови, и мезенхимные (МСК), дающие начало костной, хрящевой и жировой тканям и составляющие важную часть стромы кроветворения (ниши кроветворной СК), но ни при каких обстоятельствах не способные дифференцироваться в клетки крови.
«Биомолекула» уже немало писала про стволовые клетки. Для начала предлагаем читателю ознакомиться с прекрасным обзором «Ствол и ветки: стволовые клетки» [3]. — Ред.
Самые первые — стволовые клетки крови
Первыми СК взрослого организма, с которыми познакомилась наука, стали, пожалуй, стволовые клетки крови. Еще в 1903 году русский ученый А.А. Максимов, наблюдая за поведением клеток крови, ввел понятие «стволовая клетка». Иерархия клеток-предшественниц в кроветворной системе представлена несколькими отделами, которые были определены физиологическими методами. Кроветворные клетки лабораторных мышей уничтожали радиацией, затем облученным животным подсаживали клетки, «стволовость» которых требовалось изучить. Оказалось, что в костном мозге есть стволовые клетки, способные к мультипотентной дифференцировке во все линии кроветворных клеток и к активному и многократному делению. В их силах полностью восстановить кроветворение в облученном организме. На этом свойстве СК крови основан успех пересадки костного мозга пациентам после лучевой терапии лейкозов.
Ниже в иерархии стоят олигопотентные клетки-предшественницы — родоначальницы только нескольких линий клеток крови, таких как общие миелоидные предшественники (дающие моноциты, мегакариоциты, эритроциты) и общие лимфоидные предшественники (дающие В-, Т- и НК-клетки ).
Еще более низкую ступень в иерархии занимает отдел уни- и бипотентных клеток-предшественниц, способных дифференцироваться только в одном или двух направлениях.
Процессы кроветворения в эмбрионе и взрослом организме в значительной мере различаются, и об этом можно прочитать в статье С.А. Рыбцова и М.А. Лагарьковой в тематическом номере «Биохимии» [4].
Самые популярные — мезенхимные стволовые клетки
Если стволовые клетки крови интенсивно изучают уже более 100 лет, то активные исследования МСК начались лишь в последней четверти ХХ века. Особенно интересен их потенциал для клеточной терапии, поскольку они содержатся в костном мозге, взятие образца которого не очень травматично для человека. МСК активно делятся в чашке Петри, и их можно «подтолкнуть» к дифференцировке в костную, хрящевую и жировую ткани.
Большой медицинский потенциал сподвиг Бигильдеева А.Е. с соавторами досконально изучить этот тип клеток при помощи генетического штрихкодирования клеточных популяций [6]. При извлечении МСК из костного мозга [7] в каждую клетку вносят метку — небольшой уникальный фрагмент ДНК, который встраивается в геном клетки и потому будет находиться в геномах всех ее потомков. Анализ этих меток после роста в чашке Петри позволяет определить, потомки каких клеток размножились сильнее, а каких — не оставили потомков.
Оказалось, что популяция МСК гетерогенна и представлена множеством клеточных клонов (потомков одной исходной клетки), различающихся по способности к делению и дифференцировке. При многократном пересеве культуры ее клональный состав значительно меняется из-за ухода потомков клеток, не способных к долгому размножению. МСК с высокой способностью к размножению чаще выявляются на ранних этапах культивирования вне организма, и в поликлональной популяции МСК содержится лишь небольшое количество таких клеток. В связи с этим в подходах регенеративной медицины, требующих активного размножения клеток, рекомендуется применять МСК ранних пассажей (то есть те, что жили в чашке Петри недолго). Благодаря подобным исследованиям становится ясно, что хранить в замороженном виде МСК в больших количествах невозможно: для этого придется их долго культивировать, и они могут утратить требуемые стволовые свойства. Тут можно обратиться к более ранним стволовым клеткам, каких во взрослом организме уже не остается.
Эмбриональные стволовые клетки
Некоторые стволовые клетки функционируют не просто в особом месте организма, но и в строго определенное время. Тотипотентностью — способностью дифференцироваться во все клетки организма и экстраэмбриональные ткани — обладает только зигота, но уже после нескольких делений это свойство утрачивается навсегда. На стадии бластоцисты происходит первая специализация клеток эмбриона: выделяются клетки трофобласта (наружный слой, который затем образует экстраэмбриональные ткани) и клетки внутренней клеточной массы, из которых разовьется весь организм (рис. 1). Последние при культивировании в чашке Петри называются эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК). Впервые удалось вывести этот тип клеток в культуру в 1981 году [8]. Добавляя в культуральную среду определенные белки — факторы роста, — удается долго поддерживать ЭСК в недифференцированном плюрипотентном состоянии. ЭСК активно размножаются, сохраняя при этом свои свойства, что позволяет получать большое количество клеток для исследовательских задач и для применения в медицине.
Рисунок 1. Первые пять дней развития эмбриона человека. 1 — Оплодотворение; 2 — деление (дочерние клетки называются бластомерами); 3 — компактизация (образование плотных контактов между бластомерами); 4 — дифференцировка на внутренний и внешний слои; 5 — образование полости (бластоцеля), внешнего слоя клеток (трофобласта) и внутренней клеточной массы, которую можно извлечь для культивирования в чашке Петри и получить таким образом ЭСК (фото автора статьи).
Однако, несмотря на свои уникальные свойства, ЭСК не лишены недостатков. А поскольку для получения ЭСК приходится разрушать эмбрион, возникли и этические вопросы. Часть общества негативно настроена по отношению к применению ЭСК в медицине и науке, даже несмотря на то, что донорами ЭСК служат эмбрионы, оставшиеся невостребованными при процедуре экстракорпорального оплодотворения [9], и существует технология забора единичных клеток [10], применяемая, например, для ранней эмбриональной диагностики и не вызывающая гибели эмбриона. В 2017 году в России вступил в силу федеральный закон № 180-ФЗ «О биомедицинских клеточных продуктах», регулирующий использование стволовых клеток человека в медицине. Он запрещает использовать для производства биомедицинских клеточных продуктов биоматериал, полученный из эмбрионов или плодов человека. Запрещаются искусственное создание эмбриона человека, прерывание или нарушение процесса развития эмбриона или плода человека в целях производства биомедицинских клеточных продуктов. Поэтому исследователи и бизнес вынуждены фокусироваться на разработке продуктов из постнатальных клеток, то есть взятых уже после рождения.
ИПСК — «искусственные» плюрипотентные стволовые клетки
Один из многообещающих источников стволовых клеток, позволяющий избежать упомянутых этических проблем, — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) [11]. За открытие технологии их получения Синья Яманака и Джон Гёрдон в 2012 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине [12]. ЭСК и ИПСК практически неотличимы друг от друга, но явное преимущество ИПСК перед ЭСК состоит в том, что для их получения не нужно разрушать эмбрион. Необходимо просто добыть из взрослого организма материал, забор которого не причиняет человеку вреда: фибробласты кожи, волосяные луковицы, кровь. Чаще всего используют фибробласты из нижнего слоя кожи, вырабатывающие коллаген и эластин и первыми спешащие на помощь при заживлении раны. Их преимущество в том, что они хорошо (и дешево!) размножаются в культуре, а протоколы «репрограммирования» — методы возвращения клетки взрослого организма в плюрипотентное состояние — отлажены и широко доступны. Извлеченные клетки размножают в культуре и разными способами перепрограммируют. Затем, после тщательной характеристики, подтверждающей, что клетки стали плюрипотентными и не содержат хромосомных аномалий, приступают к экспериментам.
Подробнее о перепрограммировании клеток рассказывает статья «Была клетка простая, стала стволовая» [11]. — Ред.
Существуют разные протоколы перепрограммирования — как со вставкой ДНК прямо в геном клетки (подходят только для исследовательских целей), так и не оставляющие следов в геноме (подходят и для медицинского применения ИПСК). Получение ИПСК с помощью доставки репрограммирующих факторов в вирусных векторах (например, лентивирусных, относящихся к тому же семейству вирусов, что и ВИЧ), которые встраиваются в геном клетки, широко распространено в лабораторной практике ввиду высокой эффективности, методологической простоты и дешевизны.
Однако клетки, несущие в своем геноме вирусные вставки, потенциально опасны из-за возможности активации протоонкогенов в организме пациента — прямого пути к развитию злокачественных заболеваний. Чтобы сделать ИПСК безопасными для медицины, предстояло преодолеть проблемы геномной интеграции и неполного «замолкания» трансгенных факторов репрограммирования, возникающие при использовании вирусных систем. Появились протоколы перепрограммирования, не требующие изменения генома. Среди таких методов можно отметить применение синтетических РНК факторов репрограммирования или же самих этих факторов, в белковой форме. Доставленные в клетку, эти молекулы начинают работать так, будто бы клетка сама их синтезировала. Однако широкому распространению этих методов препятствует то, что синтез и очистка РНК и белков в пробирке стόят очень дорого, а эффективность репрограммирования готовыми белками очень низка: в ИПСК превращаются лишь 0,006% обработанных клеток.
Решение, как это часто бывает в науке и технике, удалось подсмотреть у природы. С одной стороны, никакая искусственная система доставки биологических молекул в клетку не будет так эффективна, как вирус, поскольку он миллионы лет эволюции оттачивал мастерство заражения клетки. С другой стороны, кроме упомянутых выше, существуют вирусы с совершенно другим жизненным циклом, в ходе которого вирусный генетический материал не встраивается в геном клетки-хозяина, — а это именно то, что нужно для безопасных медицинских манипуляций. Производство таких вирусных векторов тоже не дешевое «удовольствие», но это неудобство с лихвой окупается высокой эффективностью перепрограммирования — до 1% (да, для репрограммирования клеток это действительно много!). Получаемые таким методом ИПСК безопасны для клинического использования, поскольку геном клетки не меняется (а значит, и не повреждается), и никакие опасные трансгены в организме пациента активироваться не могут.
Впрочем, каким бы способом мы ни получали ИПСК, лишь в редких случаях можно работать непосредственно с плюрипотентными клетками. При изучении заболеваний «в пробирке» целесообразнее всего анализировать именно тот тип клеток, который повреждается при этой болезни. Для клинической практики плюрипотентные клетки не подходят категорически, поскольку в организме они могут превратиться много во что, в том числе и в опухоль (тератому). Необходимо трансплантировать именно тот тип клеток, который нуждается в замене или восполнении, и современные клеточные технологии позволяют сделать это в условиях лаборатории.
Дифференцировка плюрипотентных клеток «в пробирке»
Изучать «молекулярные детали» большинства заболеваний прямо на пациентах неудобно (или даже невозможно): например, если болезни подвержены мозг или сердце, образцы поврежденных тканей можно получить только после смерти пациента. Зачастую к моменту ухода пациента из жизни ткани и органы повреждены болезнью настолько, что в них не остается интересующих исследователя клеток. В мозге страдавших болезнями Альцгеймера или Паркинсона на месте пораженных структур остаются только пустоты, и говорить об изучении причин гибели нейронов уже не приходится. Вот почему исследователям необходимы адекватные модели различных заболеваний.
Разработку и проверку новых лекарств на стадии доклинических исследований ведут на модельных животных, и это порождает массу ограничений, так как многие вещества метаболизируются у таких животных и человека по-разному. Лабораторные животные не страдают многими заболеваниями — той же болезнью Паркинсона, например. В таком случае поражение специфического типа нервных клеток вызывают химическими веществами или усиленной работой мутантного гена, с которым связывают развитие болезни. Модель, основанная на таком «искусственном» развитии болезни у лабораторного животного, не всегда адекватно воспроизводит симптомы заболевания, а это затрудняет его изучение.
«Биомолекула» рассказывала об этом во всех подробностях в спецпроекте по клиническим исследованиям.
Рисунок 2. Применение ИПСК в биологии и медицине. Полученные из клеточного материала взрослого человека ИПСК можно «превратить» в любой тип клеток. Дифференцированных потомков этих СК можно оставить в лаборатории, чтобы изучать механизмы развития болезни и проверять новые лекарственные средства, а можно и трансплантировать пациентам (разумеется, подтвердив безопасность протоколов лечения).
Для создания модели заболевания на основе ИПСК необходимо превратить их в тот тип клеток, который повреждается при изучаемой патологии. Наиболее востребованы модели нейродегенеративных и кардиологических заболеваний, ведь в этих случаях поврежденные ткани напрямую не доступны исследователям. Для запуска дифференцировки в нужную сторону необходимо воспроизвести в чашке Петри те же условия, с которыми клетка сталкивается в организме. Рассмотрим, как можно получить клетки нервной системы — нейроны, производящие дофамин (а именно они погибают при болезни Паркинсона [14], [15]).
Дифференцировка в клетки нервной системы: трудно, долго, красиво
Тут мы должны слегка углубиться в эмбриологию, ведь нужно будет имитировать все изменения в окружении клетки, происходящие от стадии бластоцисты до формирования головного мозга. Придется учитывать и механические воздействия на клетку, и своевременное появление определенных белков — факторов дифференцировки, — и их концентрацию, и состав солей в окружающей клетку среде, и особенности поверхности, к которой клетка прикреплена.
Перед запуском ИПСК в дифференцировку важно убедиться, что клетки растут в оптимальной плотности: они должны занимать почти всю площадь чашки Петри. Это необходимо, чтобы на старте превращения клетки давили друг на друга ровно так, как это происходит на первом этапе формирования нервной системы эмбриона — при развитии нервной трубки. Клетки, которые находятся на дне нервной бороздки, испытывают давление из-за активного размножения соседних клеток и изгибания самой бороздки в трубку, а клетки, расположенные сверху, наоборот, испытывают растяжение и превращаются в нервный гребень. Из нервного гребня впоследствии развивается множество типов клеток, в том числе и волосяные луковицы, а из клеток, находящихся на дне нервной бороздки, образуется центральная нервная система (рис. 3).
Рисунок 3. Последовательные стадии развития нервной системы (ранние этапы). Первоначально будущие клетки нервной системы изменяют форму и характерным образом располагаются друг относительно друга — получается нервная пластинка. Затем она изгибается, превращаясь в нервную бороздку, где на клетки действуют механические силы. Наконец, нервная бороздка замыкается в нервную трубку. Красные стрелки показывают механические силы, действующие на клетки. Нейрональные розетки — аналог нервной трубки в чашке Петри. Увеличение 100× (фото автора статьи).
Для дифференцировки в нейроны помимо механических сил необходимо воздействие специальных факторов — в основном, белка Noggin (на английском сленге означает «башка»). Он ингибирует сигнальные пути, ведущие к формированию мезодермы, обеспечивая таким образом нейрализацию (образование нервной трубки) эктодермы над местом закладки хорды. Добавляя в чашку Петри к ЭСК или ИПСК рекомбинантный белок Noggin, можно получить чистую популяцию ранних нейронных предшественников, аналогичных клеткам нервной трубки.
В процессе развития нервной трубки происходит ряд событий, ведущих к усложнению ее пространственной организации и клеточного состава. После замыкания нервной трубки начинается активное деление ее клеток, приводящее к многослойности трубки. Одновременно с разрастанием и утолщением нервной трубки происходит ее изгибание, необходимое для «укладки» формирующегося мозга в черепной коробке. За специализацию дофаминергических нейронов черной субстанции среднего мозга отвечают белок Sonic hedgehog (да-да, он назван в честь ёжика Соника) и фактор роста фибробластов 8 (FGF8).
Здесь важно правильно выбрать последовательность и количество белковых факторов, добавляемых в питательную среду дифференцирующимся клеткам (рис. 4). Если на ранних этапах развития нервная система представляла собой просто трубку, то теперь мозг приобретает сложную трехмерную организацию. Решающую роль в этом процессе играют градиенты факторов дифференцировки: выделяясь в определенных участках мозга, эти факторы диффундируют в окружающие ткани, и чем дальше от «места производства», тем их концентрация ниже. Сигналом к формированию определенного типа нейронов служит не сам по себе фактор дифференцировки, а его концентрация. Например, если добавить в среду с дифференцирующимися клетками меньше Sonic hedgehog, то вместо нейронов, вырабатывающих дофамин, мы получим нейроны, производящие гамма-аминомасляную кислоту [16], относящиеся к совершенно другой структуре мозга и выполняющие другие функции.
Рисунок 4. Параллель между нейрогенезом эмбриона и тем, как это выглядит в чашке Петри. Отправная точка — ЭСК или ИПСК (аналогичны внутренней клеточной массе бластоцисты). Под воздействием белкового фактора Noggin плюрипотентные клетки дифференцируются в ранние нейронные предшественники, аналогичные клеткам нервной трубки. Затем под действием более специфических факторов дифференцировки образуются специализированные нейронные предшественники, соответствующие конкретному отделу развивающегося мозга. И на последнем этапе при внесении белков GDNF и BDNF нейроны «созревают», становясь аналогичными клеткам полностью сформированного мозга.
Интересно, что на эти факторы сейчас возлагают немалые надежды в лечении болезни Паркинсона, при которой происходит массовая гибель нейронов: «Лечение болезни Паркинсона нейротрофическими факторами: есть ли свет в конце туннеля?» [17]. — Ред.
Поскольку при нейродегенеративных заболеваниях, в том числе и при болезни Паркинсона, гибнут именно зрелые нейроны у взрослых людей, а не их размножающиеся предшественники, для моделирования болезни правильно брать как раз зрелые нейроны, чтобы с большей достоверностью повторить развитие патологических процессов. С другой стороны, можно изучать особенности дифференцировки нейронов и выяснять, что и как на эту дифференцировку влияет. Аналогичные подходы можно применить при получении кардиомиоцитов — клеток сердца, изучать которые прямо в организме тоже непросто.
Рисунок 5. Зрелые нейроны, полученные путем дифференцировки из клеток-предшественниц. Различные структуры нейронов флуоресцентно окрашены: бета-III-тубулин (присутствует во всех типах нейронов; окрашен зелёным), тирозингидроксилаза (фермент, участвующий в синтезе дофамина; характерен для нейронов, выделяющих дофамин; окрашен желто-зеленым), ядра клеток (окрашены синим). Увеличение 100×.
фотография из диссертации автора статьи [18]
Дифференцировка в клетки сердца
Получение ИПСК от пациента и их последующая направленная дифференцировка в кардиомиоциты открывают новые возможности для изучения патогенеза наследственных сердечно-сосудистых заболеваний, в частности гипертрофической кардиомиопатии, от которой до сих пор не разработано эффективного лечения. При этом заболевании утолщаются стенки левого желудочка и межжелудочковой перегородки, развиваются сердечная недостаточность и аритмия, возрастает риск внезапной сердечной смерти. Гипертрофическая кардиомиопатия — одна из самых распространенных сердечно-сосудистых патологий: 1 случай на 500 человек. Елена Дементьева с коллегами создала модель этого заболевания на основе пациентспецифичных ИПСК [19]. Исследовав геном пациента с гипертрофической кардиомиопатией, коллектив обнаружил мутацию R326Q в гене MYBPC3, кодирующем миозин-связывающий белок С. Этот белок расположен в саркомере и играет важную роль в сокращении кардиомиоцита. ИПСК пациента и здорового донора (в качестве контроля) превратили в клетки сердца, которые воспроизводили такие признаки гипертрофической кардиомиопатии, как нарушение динамики потоков ионов кальция и их повышенное внутриклеточное содержание.
Таким образом, описанная клеточная модель для изучения гипертрофической кардиомиопатии представляет собой кардиомиоциты, полученные в результате направленной дифференцировки ИПСК пациента с этой болезнью.
3D-дифференцировка: миниорганы в пробирке
Исследования последних лет, связанные с созданием 3D-органоидов (Еремеев А.В. с соавторами [20]) из ЭСК или ИПСК, существенно облегчили исследования в области моделирования органогенеза человека in vitro и стали мощным инструментом для исследования механизмов развития патологий сложных органов, равно как и разработки новых подходов к их терапии. В последние годы были созданы многоклеточные органоиды мозга человека [21], толстой кишки [22], почек, сетчатки, печени. Разумеется, пока 3D-модели многоклеточных органов на основе 2D-культур имеют свои ограничения и лишь условно имитируют их сложную архитектонику [23], [24].
Тем не менее органоиды всё активнее используют в биомедицине. С помощью органоидов на основе ИПСК уже изучают механизмы наследственных заболеваний мозга (например, микроцефалии), а на органоидах мозга и кишечника проводят тестирование кандидатных лекарственных препаратов для лечения муковисцидоза и лихорадки Зика [25], [26]. Сейчас исследователи получают органоиды из нескольких типов клеток головного мозга или же клеток определенных зон. Добавление соответствующих факторов морфогенеза позволяет получать органоиды различных региональных подтипов мозга: коры головного мозга, мозжечка, среднего мозга, переднего мозга, гипоталамуса, гиппокампа. Есть основания полагать, что клетки в органоидах больше похожи на клетки в организме, чем плоские 2D-культуры на чашке Петри, поскольку они развиваются и образуют связи между собой более «правильно».
Применение плюрипотентных стволовых клеток в медицине
Еще в прошлом веке предпринимались попытки лечения тяжелых заболеваний с помощью клеточной терапии, то есть трансплантации новых, здоровых клеток на место гибнущих от болезни. Так, в 1987 году в Университете Лунда в Швеции провели ряд операций по подсадке в мозг пациентов с болезнью Паркинсона предшественников нейронов, полученных из эмбриона человека. У некоторых пациентов наступили значительные улучшения. Пересаженные клетки выживали в мозге пациентов и довольно долго нормально функционировали. Тем не менее улучшение наблюдалось далеко не во всех случаях, а иногда развивались и осложнения: пересаженные клетки «заболевали» болезнью Паркинсона.
Для решения проблем, выявленных в предыдущей серии трансплантаций, запустили TRANSEURO — клиническое исследование в Европе, в ходе которого в 2014–2016 годах 11 пациентам трансплантировали предшественников нейронов, вырабатывающих дофамин. Однако из-за источника клеток — эмбрионов человека — возникли как этические, так и чисто технические трудности, связанные с получением фетального материала и невозможностью его стандартизации для клинического применения. Из-за сбоев в поставке ткани для трансплантации из 90 запланированных операций по подсадке таких клеток осуществили только 20, и на данный момент проект остановлен. Для того чтобы обойти эти сложности, активно разрабатывают эффективные методы дифференцировки ЭСК и ИПСК для дальнейшего их применения в клинической практике.
Для клинического применения клеточной терапии с использованием ЭСК/ИПСК важно избежать иммунной реакции «трансплантат против хозяина». Технология ИПСК теоретически позволяет исключить или значительно снизить реакцию иммунной системы благодаря использованию собственных линий ИПСК. Однако на практике получение ИПСК и их дальнейшая дифференцировка для каждого пациента всё еще слишком дороги и длительны.
В качестве альтернативы Киотский университет запустил проект Stock, нацеленный на создание банка разных линий ИПСК, типированных по иммунологическим параметрам совместимости (как это делается при пересадке органов). Было подсчитано, что 50 линий ИПСК, специально отобранных по этому принципу, позволят охватить 73% населения Японии. Но не стόит забывать, что развитию иммунного ответа могут способствовать и клетки врожденной иммунной системы, такие как макрофаги и естественные киллеры.
Первые клинические испытания клеточного продукта, полученного из ИПСК, провели в Японии в 2017 году. Тестирование клеток пигментного эпителия сетчатки глаза, дифференцированного из ИПСК, показало, что получать производные ИПСК для каждого конкретного пациента, увы, нерентабельно [27]. Получение клеточного продукта очень трудоемко, дорого и требует жесткого контроля качества каждой созданной клеточной линии — будь то ИПСК или дифференцированные клетки. Поэтому научная общественность склоняется к применению в клеточной терапии «иммунологически совместимых» производных ЭСК и ИПСК. Такие клеточные продукты хоть и не позволят полностью избежать иммунного ответа, но смогут его снизить до уровня, с которым справится более мягкая иммуносупрессивная терапия.
Клинические испытания клеточной терапии болезни Паркинсона с помощью производящих дофамин нейронов, дифференцированных из ИПСК, планируется начать в Киотском университете и в Королевском госпитале Мельбурна. Этому решению предшествовали годы экспериментов на животных моделях. В серии экспериментов на приматах, стартовавшей еще в 2005 году, удалось подобрать оптимальный протокол операции: какое количество клеток нужно ввести в мозг животного, на какой стадии дифференцировки подсаживать клетки, чтобы они оставались в живых и наилучшим образом «встраивались» в поврежденные участки мозга и оказывали терапевтический эффект.
В связи с дороговизной и трудоемкостью получения линий ИПСК для каждого конкретного пациента, взоры практиков сейчас обращены к проектам, подобным Stock. Чтобы еще больше упростить и удешевить клеточную терапию, исследователи хотят прибегнуть к «обману» иммунной системы и получить одну универсальную линию ИПСК, которая бы подходила любому пациенту. Для этого можно генетическими методами убрать с поверхности клетки молекулы HLA I класса — метку «свой—чужой» для иммунной системы: именно различия в этой молекуле между индивидами приводят к реакции «хозяин против трансплантата». Если HLA I класса на поверхности нет, клетки становятся «невидимыми» для большинства иммуноцитов. Но небольшая их часть (естественные киллеры), наоборот, начинает распознавать такие клетки как опасные, поскольку специализируются на определении объектов без сигнала «свой». Однако и их можно обвести вокруг пальца, над чем сейчас и трудятся во многих лабораториях.
Клеточная терапия с использованием стволовых клеток различного происхождения набирает обороты в мировой практике. Такой подход клеточной терапии, как пересадка костного мозга, уже давно прижился в клинической практике. Терапия МСК не всегда дает хорошие результаты. Однако в случае реэпителизации поврежденных кожных покровов (например, при синдроме диабетической стопы) эффективность применения МСК уже показана в клинических исследованиях [28].
В клинику готовы войти и производные плюрипотентных стволовых клеток (ЭСК и ИПСК). Полученные из ЭСК олигодендроциты [29] и клетки поджелудочной железы [30], производящие инсулин, находятся на финальных этапах клинических испытаний. В случае олигодендроцитов был заявлен 15-летний срок наблюдения за пациентами после подсадки клеток в спинной мозг. Этот срок еще не истек, но негативных последствий для пациентов до сих пор не обнаружено. Начались клинические исследования клеточных продуктов для терапии таких сложных и тяжелых заболеваний, как дистрофия сетчатки и болезнь Паркинсона [31]. Многие исследования направлены на то, чтобы уменьшить или полностью исключить иммуносупрессию при пересадке дифференцированных производных ЭСК и ИПСК. Благодаря стволовым клеткам перед нами открывается огромное поле возможностей, но впереди еще большее поле научной работы.