Стволовые клетки - будущие органы
В Японии начались работы по созданию первого в мире общенационального банка индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), которые в будущем могут стать основой для выращивания новых органов. Я предлагаю вам ознакомиться с рядом новейших достижений и открытий, связанных с исследованиями ИПСК.
Центр исследований ИПСК при Киотском университете начал работы по созданию банка ИПСК для дальнейшего использования в медицинских и исследовательских целях.
Выращивание новых органов на основе плюрипотентных стволовых клеток – перспективное направление, работы в котором ведутся учеными со всего мира. Существующие методики позволяют превратить стволовые клетки в ткань, готовую к трансплантации, однако на практике остро стоит проблема биологической совместимости: организм вполне может «не признать» новые ткани и отторгнуть их. Один из вариантов решения этой проблемы – использовать для получения ИПСК собственные клетки пациента, однако этот метод является весьма дорогостоящим и занимает слишком много времени. Но есть и альтернатива: получать клеточный материал от доноров, лейкоциты которых содержат редкий антиген, снижающий риск отторжения. Еще весной этого года в Японии был начат поиск людей, кровь которых обладает этим редким качеством.
Если полученные клетки будут признаны безопасными, исследовательские институты смогут получить их уже в апреле 2014 года.
К концу будущего года предполагается накопить биологические материалы, не вызывающие реакции отторжения примерно у 20% населения страны. «За пять лет мы вырастим и накопим стволовые клетки, из которых можно будет производить органы, не вызывающие реакции отторжения у 30-50% жителей Японии, — заявил ИТАР-ТАСС представитель исследовательского центра. — Через десять лет уже примерно 80-90% населения страны смогут рассчитывать в случае болезни на пересадку органов, выращенных из стволовых клеток нашего банка».
Первые линии мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) были получены еще в 1981 году. Выделение человеческих ЭСК считают одним из трех важнейших открытий XX века в биологии.
Одна-единственная клетка, направленная по нужному пути развития, может стать любой из более чем 220 видов клеток нашего организма, со всеми её уникальными и чрезвычайно сложными функциями – это свойство называется «плюрипотентностью». Эмбриональные стволовые клетки можно выращивать в искусственных условиях, что открывает широкие перспективы использования в регенеративной медицине. Их получают из внутренней клеточной массы бластоцисты на ранней стадии развития зародыша, что создает ряд этических проблем, когда речь заходит о терапевтическом применении стволовых клеток.
В настоящее время существуют методы, позволяющие получить плюрипотентные клетки из зрелых клеток человеческого организма, исключив использование эмбрионов. Одним из основоположников методики перепрограммирования зрелых клеток в плюрипотентные стал профессор Шинья Яманака. Сейчас он возглавляет Центр исследований ИПСК, в котором начались работы по созданию единственного в своем роде банка стволовых клеток.
Еще в 2006 году Яманака и его коллега Казутоши Такахаши смогли превратить соматические клетки мышей в клетки, обладающие многими свойствами плюрипотентных клеток эмбриона. Для этого в фибробласты (основные клетки соединительной ткани) были встроены гены четырех белков – факторов транскрипции, активирующих конкретные фрагменты наследственной информации (впоследствии эти белки получили название «факторы Яманаки»). Эти четыре гена, носителями которых выступали ретровирусы, смогли превратить фибробласт в неспециализированную клетку и принесли Яманаке Нобелевскую премию. А в июне 2007 года исследователи из Киото и еще два коллектива сообщили, что точно тем же способом они осуществили более глубокую трансформацию такого же исходного материала и создали практически точные копии мышиных ЭСК. Всего несколькими месяцами позже подобное «превращение» было произведено и с человеческими клетками. Эти клетки, получившие название ИПСК, стали предшественниками клеток сердечной мышцы, нервной ткани и некоторых других органов.
Получение плюрипотентных клеток из зрелых клеток крови имеет ряд очевидных преимуществ перед использованием другого исходного материала. Процедура забора крови для последующего переливания и исследований широко используется во всем мире, объем и состав крови относительно быстро восстанавливается.
Однако красные кровяные клетки, эритроциты, которые переносят кислород и углекислый газ, не имеют ядра и, следовательно, не несут генетической информации. Для того, чтобы превратить их в плюрипотентные стволовые клетки, ученым потребовалось пойти на хитрость.
Эритроциты не рождаются лишенными ядра. Оно исчезает из них в ходе эритропоэза – сложного процесса, включающего множество этапов дифференцирования и «созревания» красных кровяных телец. Начинается оно с гемоцитобласта, полипотентной стволовой клетки, которая способна стать любой клеткой крови или лимфы. В несколько этапов, превращаясь в ряд клеток-предшественниц, она становится зрелым эритроцитом, готовым к работе.
Потеря ядра клетки происходит на одном из завершающих этапов этого процесса, так что теоретически любая из промежуточных форм «недозревшего» эритроцита несет весь необходимый генетический материал и может использоваться для того, чтобы развернуть процесс созревания вспять и получить полипотентную стволовую клетку, а из нее – и плюрипотентную.
Группа американских ученых во главе с Элиасом Замбидисом смогла превратить в ИПСК проэритробласты, которые можно получать из костного мозга пациента. Группа Замбидиса использовала для доставки необходимых генов, кодирующих факторы Яманаки, не вирусы, аплазмиды, более бережно вносящие изменения в геном.
Впрочем, получение проэритробластов – непростая задача, поэтому ученые ищут возможности превращения в плюрипотентные тех клеток, которые присутствуют в донорской крови. Так, команда исследователей под руководством Чжана Сяобинапродемонстрировала метод перепрограммирования мононуклеарных (содержащих ядро) клеток крови, к которым относятся лимфоциты, моноциты и макрофаги.
Яманака и его коллеги занимаются усовершенствованием методик преобразования T-лимфоцитов и других кровяных клеток в ИПСК с помощью плазмид.
Чтобы снизить риск возникновения опасных мутаций или рака в результате терапии стволовыми клетками, «перепрограммированными» при помощи введения дополнительных генов, ученые стремятся сократить количество дополнительных генов, необходимых для получения таких клеток. Но всегда требовался как минимум один кодирующий белок Oct-4.
Исследователи из Пекина изучили тысячи низкомолекулярных соединений в поисках того, которое сможет перепрограммировать клетки без участия Oct-4, но в присутствии трех других генов, необходимых для получения ИПСК. Обнаружив такое соединение, ученые занялись поиском заменителей и для трех оставшихся генов, участвующих в перепрограммировании. Добавив DZNep – соединение, катализирующее процесс перепрограммирования на поздней стадии – ученые наконец получили стволовые клетки, но в очень малых количествах. Потребовалось добавить еще одно соединение, чтобы поднять эффективность процесса в 40 раз.
В результате исследователи, составив «коктейль» из нескольких соединений, смогли добиться превращения в стволовые клетки 0,2% от их исходного количества – результат, сопоставимый с эффективностью современных методик получения ИПСК. Полученные клетки, введенные в эмбрионы мышей, успешно дифференцировались в различные типы тканей, в том числе печени, сердца, мозга, кожи и мышц.
Многие ученые сходятся во мнении, что процессы, происходящие в живом организме, будут мешать проведению перепрограммирования соматических клеток в плюрипотентные invivo. Естественное развитие – это дорога с односторонним движением, и всё в живом организме способствует дифференциации клеток, препятствуя обратному процессу.
Но Мануэль Серрано из испанского Национального онкологического исследовательского центра в Мадриде и его коллеги доказали ошибочность данного предположения. Гены, запускающие перепрограммирование, уже содержались в геноме использованных в их экспериментах трансгенных мышей и «включались» при приеме определенного препарата.
Хотя методика Серрано пока еще находится на начальном этапе развития, ученые рассчитывают, что в модифицированном виде её можно будет использовать для регенерации поврежденных тканей.
Основная область, в которой могут быть использованы плюрипотентные стволовые клетки – это выращивание новых органов для последующей трансплантации. Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов – клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена, либо наносятся слой за слоем с помощью биопринтера.
Подобным образом (на коллагеновой матрице) ученым удалось вырастить новое сердце, состоящее из человеческих клеток, в организме мыши и заставить его забиться. Ведутсяэксперименты и по выращиванию «зародышей» печени, которые способны приживаться в организме и выполнять возложенные на них природой функции.
Хотя замена жизненно важных органов вроде сердца или печени их выращенными аналогами – все еще дело будущего, технологии для получения этих органов в лаборатории уже отрабатываются, а более простые задачи – например, замена участка трахеи на искусственно созданный – уже решены на практике.
Плюрипотентные стволовые клетки можно использовать не только для выращивания отдельных органов – на их основе можно получить целый организм. Ученые научилисьпревращать ИПСК в жизнеспособные сперматозоиды и яйцеклетки, встреча которых увенчалась появлением потомства без родителей – совершенно здоровых мышат.
Теоретически, ИПСК могут быть использованы и для получения материи, обреченной на съедение – искусственного мяса. Однако на данном уровне развития технологий этот метод будет слишком дорогостоящим. Даже котлетка для гамбургера, выращенная из миобластом (клеток, присутствующих в мышечной ткани взрослых животных и способных заменять собой поврежденные мышечные волокна, превращаясь в миоциты), обошлась своим создателям в $375 000.
Еще 15 лет назад технологии создания человеческих тканей путем клонирования клеток прочили великое будущее. Но в последующие годы методика была окутана этическими разногласиями, дискредитирована шарлатанами и, наконец, оставлена в тени конкурирующей технологией – перепрограммированием зрелых клеток в плюрипотентные.
Но многие исследователи по-прежнему считают клонирование клеток для получения плюрипотентных линий перспективным направлением. В их числе доктор Шухрат Миталипов, специалист в области репродуктивной биологии из Орегонского университета здоровья и науки (Oregon Health & Science University). Ему удалось создать индивидуальные линии эмбриональных стволовых клеток человека путем клонирования. Миталипов и его команда стремятся доказать, что капризный метод клонирования стоит затраченных на него усилий.
Ученые не исключают, что плюрипотентные клетки перепрограммируются не полностью и уступают клонированным по ряду показателей. Миталипов и его команда сейчас заняты сравнением клонированных и перепрограммированных клеток, и многие их коллеги с нетерпением ожидают результатов.
Центр исследований ИПСК при Киотском университете начал работы по созданию банка ИПСК для дальнейшего использования в медицинских и исследовательских целях.
Выращивание новых органов на основе плюрипотентных стволовых клеток – перспективное направление, работы в котором ведутся учеными со всего мира. Существующие методики позволяют превратить стволовые клетки в ткань, готовую к трансплантации, однако на практике остро стоит проблема биологической совместимости: организм вполне может «не признать» новые ткани и отторгнуть их. Один из вариантов решения этой проблемы – использовать для получения ИПСК собственные клетки пациента, однако этот метод является весьма дорогостоящим и занимает слишком много времени. Но есть и альтернатива: получать клеточный материал от доноров, лейкоциты которых содержат редкий антиген, снижающий риск отторжения. Еще весной этого года в Японии был начат поиск людей, кровь которых обладает этим редким качеством.
Если полученные клетки будут признаны безопасными, исследовательские институты смогут получить их уже в апреле 2014 года.
К концу будущего года предполагается накопить биологические материалы, не вызывающие реакции отторжения примерно у 20% населения страны. «За пять лет мы вырастим и накопим стволовые клетки, из которых можно будет производить органы, не вызывающие реакции отторжения у 30-50% жителей Японии, — заявил ИТАР-ТАСС представитель исследовательского центра. — Через десять лет уже примерно 80-90% населения страны смогут рассчитывать в случае болезни на пересадку органов, выращенных из стволовых клеток нашего банка».
Первые линии мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) были получены еще в 1981 году. Выделение человеческих ЭСК считают одним из трех важнейших открытий XX века в биологии.
Одна-единственная клетка, направленная по нужному пути развития, может стать любой из более чем 220 видов клеток нашего организма, со всеми её уникальными и чрезвычайно сложными функциями – это свойство называется «плюрипотентностью». Эмбриональные стволовые клетки можно выращивать в искусственных условиях, что открывает широкие перспективы использования в регенеративной медицине. Их получают из внутренней клеточной массы бластоцисты на ранней стадии развития зародыша, что создает ряд этических проблем, когда речь заходит о терапевтическом применении стволовых клеток.
В настоящее время существуют методы, позволяющие получить плюрипотентные клетки из зрелых клеток человеческого организма, исключив использование эмбрионов. Одним из основоположников методики перепрограммирования зрелых клеток в плюрипотентные стал профессор Шинья Яманака. Сейчас он возглавляет Центр исследований ИПСК, в котором начались работы по созданию единственного в своем роде банка стволовых клеток.
Еще в 2006 году Яманака и его коллега Казутоши Такахаши смогли превратить соматические клетки мышей в клетки, обладающие многими свойствами плюрипотентных клеток эмбриона. Для этого в фибробласты (основные клетки соединительной ткани) были встроены гены четырех белков – факторов транскрипции, активирующих конкретные фрагменты наследственной информации (впоследствии эти белки получили название «факторы Яманаки»). Эти четыре гена, носителями которых выступали ретровирусы, смогли превратить фибробласт в неспециализированную клетку и принесли Яманаке Нобелевскую премию. А в июне 2007 года исследователи из Киото и еще два коллектива сообщили, что точно тем же способом они осуществили более глубокую трансформацию такого же исходного материала и создали практически точные копии мышиных ЭСК. Всего несколькими месяцами позже подобное «превращение» было произведено и с человеческими клетками. Эти клетки, получившие название ИПСК, стали предшественниками клеток сердечной мышцы, нервной ткани и некоторых других органов.
Получение плюрипотентных клеток из зрелых клеток крови имеет ряд очевидных преимуществ перед использованием другого исходного материала. Процедура забора крови для последующего переливания и исследований широко используется во всем мире, объем и состав крови относительно быстро восстанавливается.
Однако красные кровяные клетки, эритроциты, которые переносят кислород и углекислый газ, не имеют ядра и, следовательно, не несут генетической информации. Для того, чтобы превратить их в плюрипотентные стволовые клетки, ученым потребовалось пойти на хитрость.
Эритроциты не рождаются лишенными ядра. Оно исчезает из них в ходе эритропоэза – сложного процесса, включающего множество этапов дифференцирования и «созревания» красных кровяных телец. Начинается оно с гемоцитобласта, полипотентной стволовой клетки, которая способна стать любой клеткой крови или лимфы. В несколько этапов, превращаясь в ряд клеток-предшественниц, она становится зрелым эритроцитом, готовым к работе.
Потеря ядра клетки происходит на одном из завершающих этапов этого процесса, так что теоретически любая из промежуточных форм «недозревшего» эритроцита несет весь необходимый генетический материал и может использоваться для того, чтобы развернуть процесс созревания вспять и получить полипотентную стволовую клетку, а из нее – и плюрипотентную.
Группа американских ученых во главе с Элиасом Замбидисом смогла превратить в ИПСК проэритробласты, которые можно получать из костного мозга пациента. Группа Замбидиса использовала для доставки необходимых генов, кодирующих факторы Яманаки, не вирусы, аплазмиды, более бережно вносящие изменения в геном.
Впрочем, получение проэритробластов – непростая задача, поэтому ученые ищут возможности превращения в плюрипотентные тех клеток, которые присутствуют в донорской крови. Так, команда исследователей под руководством Чжана Сяобинапродемонстрировала метод перепрограммирования мононуклеарных (содержащих ядро) клеток крови, к которым относятся лимфоциты, моноциты и макрофаги.
Яманака и его коллеги занимаются усовершенствованием методик преобразования T-лимфоцитов и других кровяных клеток в ИПСК с помощью плазмид.
Чтобы снизить риск возникновения опасных мутаций или рака в результате терапии стволовыми клетками, «перепрограммированными» при помощи введения дополнительных генов, ученые стремятся сократить количество дополнительных генов, необходимых для получения таких клеток. Но всегда требовался как минимум один кодирующий белок Oct-4.
Исследователи из Пекина изучили тысячи низкомолекулярных соединений в поисках того, которое сможет перепрограммировать клетки без участия Oct-4, но в присутствии трех других генов, необходимых для получения ИПСК. Обнаружив такое соединение, ученые занялись поиском заменителей и для трех оставшихся генов, участвующих в перепрограммировании. Добавив DZNep – соединение, катализирующее процесс перепрограммирования на поздней стадии – ученые наконец получили стволовые клетки, но в очень малых количествах. Потребовалось добавить еще одно соединение, чтобы поднять эффективность процесса в 40 раз.
В результате исследователи, составив «коктейль» из нескольких соединений, смогли добиться превращения в стволовые клетки 0,2% от их исходного количества – результат, сопоставимый с эффективностью современных методик получения ИПСК. Полученные клетки, введенные в эмбрионы мышей, успешно дифференцировались в различные типы тканей, в том числе печени, сердца, мозга, кожи и мышц.
Многие ученые сходятся во мнении, что процессы, происходящие в живом организме, будут мешать проведению перепрограммирования соматических клеток в плюрипотентные invivo. Естественное развитие – это дорога с односторонним движением, и всё в живом организме способствует дифференциации клеток, препятствуя обратному процессу.
Но Мануэль Серрано из испанского Национального онкологического исследовательского центра в Мадриде и его коллеги доказали ошибочность данного предположения. Гены, запускающие перепрограммирование, уже содержались в геноме использованных в их экспериментах трансгенных мышей и «включались» при приеме определенного препарата.
Хотя методика Серрано пока еще находится на начальном этапе развития, ученые рассчитывают, что в модифицированном виде её можно будет использовать для регенерации поврежденных тканей.
Основная область, в которой могут быть использованы плюрипотентные стволовые клетки – это выращивание новых органов для последующей трансплантации. Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов – клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена, либо наносятся слой за слоем с помощью биопринтера.
Подобным образом (на коллагеновой матрице) ученым удалось вырастить новое сердце, состоящее из человеческих клеток, в организме мыши и заставить его забиться. Ведутсяэксперименты и по выращиванию «зародышей» печени, которые способны приживаться в организме и выполнять возложенные на них природой функции.
Хотя замена жизненно важных органов вроде сердца или печени их выращенными аналогами – все еще дело будущего, технологии для получения этих органов в лаборатории уже отрабатываются, а более простые задачи – например, замена участка трахеи на искусственно созданный – уже решены на практике.
Плюрипотентные стволовые клетки можно использовать не только для выращивания отдельных органов – на их основе можно получить целый организм. Ученые научилисьпревращать ИПСК в жизнеспособные сперматозоиды и яйцеклетки, встреча которых увенчалась появлением потомства без родителей – совершенно здоровых мышат.
Теоретически, ИПСК могут быть использованы и для получения материи, обреченной на съедение – искусственного мяса. Однако на данном уровне развития технологий этот метод будет слишком дорогостоящим. Даже котлетка для гамбургера, выращенная из миобластом (клеток, присутствующих в мышечной ткани взрослых животных и способных заменять собой поврежденные мышечные волокна, превращаясь в миоциты), обошлась своим создателям в $375 000.
Еще 15 лет назад технологии создания человеческих тканей путем клонирования клеток прочили великое будущее. Но в последующие годы методика была окутана этическими разногласиями, дискредитирована шарлатанами и, наконец, оставлена в тени конкурирующей технологией – перепрограммированием зрелых клеток в плюрипотентные.
Но многие исследователи по-прежнему считают клонирование клеток для получения плюрипотентных линий перспективным направлением. В их числе доктор Шухрат Миталипов, специалист в области репродуктивной биологии из Орегонского университета здоровья и науки (Oregon Health & Science University). Ему удалось создать индивидуальные линии эмбриональных стволовых клеток человека путем клонирования. Миталипов и его команда стремятся доказать, что капризный метод клонирования стоит затраченных на него усилий.
Ученые не исключают, что плюрипотентные клетки перепрограммируются не полностью и уступают клонированным по ряду показателей. Миталипов и его команда сейчас заняты сравнением клонированных и перепрограммированных клеток, и многие их коллеги с нетерпением ожидают результатов.
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
