Стволовая клетка

Эта статья посвящена типу ячеек. Для медицинской терапии см. раздел Терапия стволовыми клетками . "Стволовые клетки" перенаправляются сюда. Сведения о журнале см. В разделе Стволовые клетки (журнал) . "Исследование стволовых клеток" перенаправляет сюда. Сведения о журнале см. В разделе Исследование стволовых клеток (журнал) .

В многоклеточных организмах стволовые клетки-это недифференцированные или частично дифференцированные клетки, которые могут дифференцироваться в различные типы клеток и делиться бесконечно для получения большего количества одной и той же стволовой клетки. Они являются самым ранним типом клеток в родословной клетки .[1] Они встречаются как в эмбриональных, так и во взрослых организмах, но у них есть немного разные свойства в каждом. Они обычно отличаются от клеток-предшественников, которые не могут делиться бесконечно, и клеток-предшественников или бластных клеток, которые обычно стремятся дифференцироваться в один тип клеток.

У млекопитающих примерно 50-150 клеток, составляющих внутреннюю клеточную массу на стадии бластоцисты эмбрионального развития, примерно на 5-14-е сутки, обладают способностью к стволовым клеткам. В естественных условиях они в конечном итоге дифференцируются во все типы клеток организма (т. е. они плюрипотентны ). Этот процесс начинается с дифференцировки на три зародышевых слоя-эктодерму, мезодерму и эндодерму – на стадии гаструляции. Однако, когда они изолированы и культивируются in vitro , они могут быть сохранены на стадии стволовых клеток и известны как эмбриональные стволовые клетки (ЭСК).

Взрослые стволовые клетки находятся в нескольких отдельных местах в организме , известных как ниши, такие как в костном мозге или гонадах . Они существуют для быстрого пополнения потерянных типов клеток и являются мультипотентными или унипотентными , то есть они дифференцируются только на несколько типов клеток или один тип клеток. У млекопитающих они включают, в частности, кроветворные стволовые клетки, которые пополняют кровь и иммунные клетки, базальные клетки, которые поддерживают эпителий кожи , и мезенхимальные стволовые клетки , которые поддерживают кость, хрящ- мышечные и жировые клетки. Взрослые стволовые клетки составляют небольшое меньшинство клеток; они значительно превосходят числом клетки-предшественники и окончательно дифференцированные клетки, в которые они дифференцируются.

Исследования в области стволовых клеток выросла из выводов канадских биологов А. Эрнест Маккаллок и Джеймс Э., пока в Университете Торонто в 1960-х годах. с 2016 года, только установленный медикаментозная терапия с использованием стволовых клеток является трансплантация гемопоэтических стволовых клеток, впервые выполнил в 1958 году французский онколог Жорж Мате. С 1998 года появилась возможность культивировать и дифференцировать эмбриональные стволовые клетки человека (в линиях стволовых клеток ). Процесс выделения этих клеток был противоречивым, потому что это обычно приводит к разрушению эмбриона. Источники для изоляции ЭСК были ограничены в некоторых европейских странах и Канаде, но другие страны, такие как Великобритания и Китай, способствовали проведению исследований. ядерный перенос соматических клеток-это метод клонирования, который может быть использован для создания клонированного эмбриона для использования его эмбриональных стволовых клеток в терапии стволовыми клетками. в 2006 году японская команда во главе с Синья Яманака открыла метод для преобразования зрелых клеток тела обратно в стволовые клетки. Они были названы индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК)

История

Ключевые свойства стволовой клетки были впервые определены Эрнестом Маккалохом и Джеймсом до начала 1960-х гг. они открыли кроветворную стволовую клетку, кроветворную стволовую клетку (ГСК), благодаря своей новаторской работе на мышах. Маккалох и Тилл начали серию экспериментов, в которых клетки костного мозга вводили облученным мышам. Они наблюдали комки в селезенках мышей, которые были линейно пропорциональны количеству введенных клеток костного мозга. Они предположили, что каждый комок (колония) был клоном, возникающим из одной клетки костного мозга (стволовой клетки). В последующей работе Маккалох и Тилл, к которым присоединились аспирант Энди Беккер и старший научный сотрудник Лу Симинович, подтвердили, что каждый комок действительно возник из одной клетки. Их результаты были опубликованы в журнале Nature в 1963 году. В том же году Симинович был ведущим исследователем для исследований, которые обнаружили, что колониеобразующие клетки были способны к самообновлению, что является ключевым определяющим свойством стволовых клеток, которые теоретизировали Тилл и Мак-Каллох.

Первой терапией с использованием стволовых клеток была трансплантация костного мозга, выполненная французским онкологом Жоржем мате в 1958 году на пятерых рабочих ядерного института Винчи в Югославии, которые пострадали в результате аварии с критическим состоянием . Рабочие все выжили.

В 1981 году эмбриональные стволовые (Эс) клетки были впервые выделены и успешно культивированы с использованием мышиных бластоцист британскими биологами Мартином Эвансом и Мэтью Кауфманом . Это позволило сформировать генетические модели мышей, систему, в которой гены мышей удаляются или изменяются с целью изучения их функции при патологии. К 1998 году эмбриональные стволовые клетки были впервые выделены американским биологом Джеймсом Томсоном, что позволило разработать новые методы трансплантации или различные типы клеток для тестирования новых методов лечения. В 2006 Году Синья Яманакакоманда из Киото, Япония, преобразовала фибробласты в плюрипотентные стволовые клетки, модифицировав экспрессию только четырех генов. Этот подвиг представляет собой происхождение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, известных как iPS-клетки.

Свойства

Классическое определение стволовой клетки требует, чтобы она обладала двумя свойствами:

1. * Самообновление: способность проходить через многочисленные циклы деления клеток при сохранении недифференцированного состояния.
2. * Потенция: способность дифференцироваться в специализированные типы клеток. Строго говоря, это требует, чтобы стволовые клетки были либо тотипотентными, либо плюрипотентными —чтобы быть в состоянии дать начало любому зрелому типу клеток, хотя мультипотентные или унипотентные клетки-предшественники иногда называют стволовыми клетками. Кроме того, говорят, что функция стволовых клеток регулируется в механизме обратной связи.

Самообновление

Два механизма обеспечивают сохранение популяции стволовых клеток:

1. 1. Асимметричное деление клеток: стволовая клетка делится на одну материнскую клетку, идентичную исходной стволовой клетке, и другую дочернюю клетку, которая дифференцируется.

Когда стволовая клетка самообновляется, она делится и не нарушает недифференцированное состояние. Это самообновление требует контроля клеточного цикла, а также поддержания мультипотентности или плюрипотентности, которые все зависят от стволовой клетки.

2. Стохастическая дифференцировка: когда одна стволовая клетка растет и делится на две дифференцированные дочерние клетки, другая стволовая клетка подвергается митозу и производит две стволовые клетки, идентичные оригиналу.

Стволовые клетки используют теломеразу, белок, который восстанавливает теломеры, чтобы защитить свою ДНК и расширить свой предел деления клеток (предел Хейфлика ).

Значение потенции

Основная статья: Клеточная потенция

Плюрипотентные, эмбриональные стволовые клетки возникают как клетки внутренней клеточной массы (ICM) внутри бластоцисты. Эти стволовые клетки могут стать любой тканью в организме, исключая плаценту. Только клетки из более ранней стадии развития эмбриона, известной как морула , являются тотипотентными, способными стать всеми тканями в организме и внембрьевой плацентой.

Потенция определяет потенциал дифференцировки (потенциал дифференцировки в различные типы клеток) стволовой клетки.

• Тотипотентные (также известные как всемогущие) стволовые клетки могут дифференцироваться на эмбриональные и экстраэмбриональные типы клеток. Такие клетки могут построить полноценный, жизнеспособный организм. эти клетки производятся из слияния яйцеклетки и сперматозоида. Клетки, произведенные первыми несколькими делениями оплодотворенной яйцеклетки, также являются тотипотентными.
• Плюрипотентные стволовые клетки являются потомками тотипотентных клеток и могут дифференцироваться почти во все клетки , т. е. клетки, полученные из любого из трех зародышевых слоев .
• Мультипотентные стволовые клетки могут дифференцироваться в несколько типов клеток, но только тех, которые тесно связаны с семейством клеток.
• Олигопотентные стволовые клетки могут дифференцироваться только в несколько типов клеток, таких как лимфоидные или миелоидные стволовые клетки.
• Унипотентные клетки могут производить только один тип клеток, свой собственный , но обладают свойством самообновления , что отличает их от не стволовых клеток (например, прогениторных клеток, которые не могут самообновляться).

Идентификация

Человеческие эмбриональные стволовые клетки A: колонии стволовых клеток, которые еще не дифференцированы. Б: нервные клетки, пример типа клетки после дифференцировки.

На практике стволовые клетки определяются тем, могут ли они регенерировать ткани. Например, определяющим тестом для костного мозга или гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) является способность трансплантировать клетки и спасти человека без ГСК. Это показывает, что клетки могут производить новые клетки крови в течение длительного времени. Также должна быть возможность изолировать стволовые клетки от пересаженного индивидуума, которые сами могут быть пересажены в другого индивидуума без ГСК, демонстрируя, что стволовая клетка была способна к самообновлению.

Свойства стволовых клеток можно проиллюстрировать in vitro, используя такие методы , как клоногенные анализы, в которых отдельные клетки оцениваются на их способность к дифференцировке и самообновлению. стволовые клетки также могут быть выделены с помощью их обладания отличительным набором поверхностных маркеров клеток. Однако условия культивирования in vitro могут изменить поведение клеток, что делает неясным, должны ли клетки вести себя подобным образом in vivo . Существует значительная дискуссия относительно того, действительно ли некоторые предлагаемые популяции взрослых клеток являются стволовыми клетками.

Эмбриональный

Основная статья: Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) - это клетки внутренней клеточной массы бластоцисты , образующиеся до имплантации в матку. в эмбриональном развитии человека стадия бластоцисты достигается через 4-5 дней после оплодотворения , когда она состоит из 50-150 клеток. Эск являются плюрипотентными и дают начало в процессе развития всем производным трех зародышевых слоев : эктодермы , эндодермы и мезодермы . Другими словами, они могут развиться в каждый из более чем 200 типов клеток взрослого организма при условии достаточной и необходимой стимуляции для определенного типа клеток. Они не вносят свой вклад в экстраэмбриональные мембраны или к плаценте .

Во время эмбрионального развития клетки внутренней клеточной массы непрерывно делятся и становятся более специализированными. Например, часть эктодермы в дорсальной части эмбриона специализируется как "нейректодерма", которая в будущем станет центральной нервной системой . более поздно в развитии, neurulation причиняет neurectoderm сформировать нервную трубку . На стадии нервной трубки передняя часть подвергается энцефализации, чтобы создать или "нарисовать" основную форму мозга. На данном этапе развития основным типом клеток ЦНС считается нервная стволовая клетка .

Нервные стволовые клетки самообновляются и в какой-то момент переходят в радиальные глиальные прогениторные клетки (RGPs). Ранние сформированные RGPs самообновляются симметричным делением, чтобы сформировать резервуарную группу клеток-предшественников . Эти клетки переходят в нейрогенное состояние и начинают асимметрично делиться, чтобы произвести большое разнообразие многих различных типов нейронов, каждый из которых имеет уникальную экспрессию генов, морфологические и функциональные характеристики. Процесс генерации нейронов из радиальных глиальных клеток называется нейрогенезом. Радиальная глиальная клетка, имеет отличительную биполярную морфологию с сильно вытянутыми отростками, охватывающими толщину стенки нервной трубки. Он разделяет некоторые глиальные характеристики, в частности экспрессию глиального фибриллярного кислого белка (GFAP). радиальная глиальная клетка является первичной нервной стволовой клеткой развивающейся позвоночной ЦНС, и ее клеточное тело находится в желудочковой зоне , смежной с развивающейся желудочковой системой . Нервные стволовые клетки прикреплены к нейрональным линиям ( нейронам , астроцитам и олигодендроцитам), и таким образом их потенция ограничена.

Почти все исследования на сегодняшний день использовали эмбриональные стволовые клетки мыши (mES) или человеческие эмбриональные стволовые клетки (hES), полученные из ранней внутренней клеточной массы. Оба имеют существенные характеристики стволовых клеток, но они требуют очень разных условий для поддержания недифференцированного состояния. Клетки ES мыши выращиваются на слое желатина в качестве внеклеточного матрикса (для поддержки) и требуют наличия ингибирующего лейкоз фактора (LIF) в сыворотке крови. Лекарственный коктейль, содержащий ингибиторы GSK3B и путь MAPK / ERK было также показано, что 2i поддерживает плюрипотентность в культуре стволовых клеток. ЭСК человека выращиваются на питательном слое эмбриональных фибробластов мыши и требуют наличия основного фактора роста фибробластов (bFGF или FGF-2). без оптимальных условий культивирования или генетической манипуляции эмбриональные стволовые клетки будут быстро дифференцироваться.

Человеческая эмбриональная стволовая клетка также определяется экспрессией нескольких транскрипционных факторов и белков клеточной поверхности. Транскрипционные факторы Oct-4, Nanog и Sox2 образуют основную регуляторную сеть, которая обеспечивает подавление генов, приводящих к дифференцировке и поддержанию плюрипотентности. клеточные поверхностные антигены наиболее часто используемые для идентификации клеток ГЭС являются гликолипидами стадии специфического эмбрионального антигена 3 и 4, и кератансульфатные антигены тра-1-60 и тра-1-81. Молекулярное определение стволовой клетки включает в себя гораздо больше белков и продолжает оставаться темой исследований.

Используя эмбриональные стволовые клетки человека для производства специализированных клеток, таких как нервные клетки или клетки сердца в лаборатории, ученые могут получить доступ к взрослым клеткам человека, не принимая ткани от пациентов. Затем они могут детально изучить эти специализированные взрослые клетки, чтобы попытаться различить осложнения заболеваний или изучить клеточные реакции на предлагаемые новые лекарства.

Из-за их комбинированных возможностей неограниченного расширения и плюрипотентности эмбриональные стволовые клетки остаются теоретически потенциальным источником для регенеративной медицины и замены тканей после травмы или заболевания.[27], однако, в настоящее время нет никаких утвержденных методов лечения с использованием клеток ES. Первое испытание на людях было одобрено Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в январе 2009 года. однако, испытание человека не было начато до октября 13, 2010 в Атланте для исследования ушиба спинного мозга . 14 ноября 2011 года компания, проводящая судебный процесс ( Geron Corporation) объявила, что прекратит дальнейшее развитие своих программ стволовых клеток. дифференцировка клеток ES в пригодные для использования клетки, избегая при этом отторжения трансплантата, - это лишь некоторые из препятствий, с которыми до сих пор сталкиваются исследователи эмбриональных стволовых клеток. эмбриональные стволовые клетки, будучи плюрипотентными, требуют специфических сигналов для правильной дифференцировки – при введении непосредственно в другой орган клетки ES будут дифференцироваться на множество различных типов клеток, вызывая тератому. Этические соображения, касающиеся использования нерожденных человеческих тканей, являются еще одной причиной отсутствия утвержденных методов лечения с использованием эмбриональных стволовых клеток. Многие страны в настоящее время имеют моратории или ограничения либо на исследования клеток Эс человека, либо на производство новых линий клеток Эс человека.

Управление циклом ячеек

Дополнительная информация: Клеточный цикл

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) обладают способностью к неограниченному делению при сохранении своей плюрипотентности , что становится возможным благодаря специальным механизмам управления клеточным циклом. по сравнению с пролиферирующими соматическими клетками , ЭСК обладают уникальными характеристиками клеточного цикла—такими как быстрое деление клеток , вызванное укороченной фазой G1 , отсутствием фазы G0 и модификациями контрольных точек клеточного цикла, которые оставляют клетки в основном в фазе S в любой данный момент времени. Быстрое деление эск демонстрируется их коротким временем удвоения, которое колеблется от 8 до 10 часов, в то время как соматические клетки имеют время удвоения приблизительно 20 часов и более. по мере дифференцировки клеток эти свойства изменяются: фазы G1 и G2 удлиняются, что приводит к более длительным циклам деления клеток. Это позволяет предположить, что специфическая структура клеточного цикла может способствовать установлению плюрипотентности.

В частности, поскольку фаза G1-это фаза, в которой клетки обладают повышенной чувствительностью к дифференцировке, укороченный G1 является одной из ключевых характеристик ЭСК и играет важную роль в поддержании недифференцированного фенотипа . Хотя точный молекулярный механизм остается лишь частично понятым, некоторые исследования показали, как ЭСК прогрессируют через G1-и потенциально другие фазы-так быстро.

Клеточный цикл регулируется сложной сетью циклинов, циклин-зависимых киназ (Cdk), ингибиторов циклин-зависимой киназы (Cdkn), карманных белков семейства ретинобластомы (Rb) и других вспомогательных факторов. фундаментальное представление об отличительной регуляции клеточного цикла ESC было получено в результате исследований на мышиных ЭСК (mESCs). mESCs показал клеточный цикл с сильно сокращенной фазой G1,что позволило клеткам быстро чередовать фазы M и S. В соматических клетках цикла, осцилляторной активности циклин-ЦДК комплексов наблюдается в последовательное действие, которое управляет важнейших регуляторов клеточного цикла, чтобы вызвать однонаправленные переходы между фазами: циклин Д и Гена CDK4/6 являются активными в фазе G1, а циклин Е и киназы CDK2 активны в конце G1-фазы и S-фазы; и циклин А и киназы CDK2 активны в S-фазе и G2, в то время как циклин Б и Cdk1 активны в G2 и М фаз. Однако в Меск эта типично упорядоченная и колебательная активность циклин-Cdk-комплексов отсутствует. Скорее, комплекс циклин е / Cdk2 конститутивно активен на протяжении всего цикла, сохраняя гиперфосфорилированный и, следовательно, неактивный белок ретинобластомы (pRb). Это позволяет осуществить прямой переход от фазы M к фазе позднего G1, что приводит к отсутствию циклинов D-типа и, следовательно, к укороченной фазе G1. Активность Cdk2 имеет решающее значение как для регуляции клеточного цикла, так и для решения клеточной судьбы в mESCs; снижение активности Cdk2 продлевает прогрессию фазы G1, устанавливает соматический клеточный цикл и индуцирует экспрессию маркеров дифференцировки.

В ЭСК человека (hESCs) продолжительность G1 резко сокращается. Это было объяснено высоким уровнем мРНК генов G1-родственного циклина D2 и Cdk4 и низким уровнем регуляторных белков клеточного цикла, которые ингибируют прогрессирование клеточного цикла в G1 , таких как p21 CipP1 , p27 Kip1 и p57 Kip2 . Кроме того, регуляторы активности Cdk4 и Cdk6, такие как члены семейства ингибиторов Ink (p15, p16, p18 и p19), экспрессируются на низком уровне или не экспрессируются вообще. Таким образом, подобно mESCs, hESCs показывают высокую активность Cdk, причем Cdk2 проявляет самую высокую активность киназы. Кроме того, как и mESCs, hESCs демонстрируют важность Cdk2 в регуляции фазы G1, показывая, что переход G1 к s задерживается, когда активность Cdk2 ингибируется, и G1 останавливается, когда Cdk2 сбивается. Однако в отличие от mESCs, hesc имеют функциональную фазу G1. hESCs показывают, что активность комплексов циклина е/Cdk2 и циклина а/Cdk2 зависит от клеточного цикла и контрольная точка Rb в G1 функциональна.

Эск также характеризуются неработоспособностью контрольной точки G1, хотя контрольная точка G1 имеет решающее значение для поддержания стабильности генома. В ответ на повреждение ДНК ЭСК не останавливаются в G1 для восстановления повреждений ДНК, а вместо этого зависят от S и G2/M контрольных точек или подвергаются апоптозу. Отсутствие контрольной точки G1 в ЭСК позволяет удалять клетки с поврежденной ДНК, что позволяет избежать потенциальных мутаций от неточной репарации ДНК. в соответствии с этой идеей, ЭСК являются гиперчувствительными к повреждению ДНК, чтобы минимизировать мутации, передаваемые следующему поколению.

Колония эмбриональных стволовых клеток человека на питательном слое эмбриональных фибробластов мыши

Фетальный

Примитивные стволовые клетки, расположенные в органах плода, называются фетальными стволовыми клетками.

Существует два типа стволовых клеток плода:

1. Фетальные правильные стволовые клетки приходят от ткани плода правильной, и вообще получены после аборта . Эти стволовые клетки не бессмертны, но имеют высокий уровень деления и являются мультипотентными.
2. Экстраэмбриональные фетальные стволовые клетки происходят из экстраэмбриональных мембран и, как правило, не отличаются от взрослых стволовых клеток. Эти стволовые клетки приобретаются после рождения, они не бессмертны, но имеют высокий уровень деления клеток и являются плюрипотентными.

Взрослый

Главная статья: Взрослая стволовая клетка

Деление и дифференцировка стволовых клеток A: стволовая клетка; B: прогениторная клетка; C: дифференцированная клетка; 1: симметричное деление стволовых клеток; 2: асимметричное деление стволовых клеток; 3: прогениторное деление; 4: терминальное дифференцирование

Взрослые стволовые клетки, также называемые соматическими (от греческого σωματικóς, "от тела") стволовыми клетками, являются стволовыми клетками, которые поддерживают и восстанавливают ткань, в которой они находятся. их можно встретить как у детей, так и у взрослых.

Существует три известных доступных источника аутологичных взрослых стволовых клеток у человека:

1. Костный мозг, который требует извлечения путем сбора урожая, то есть сверления в кости (как правило, бедренный или подвздошный гребень ).
2. Жировая ткань (жировые клетки), которая требует экстракции путем липосакции.
3. Кровь, которая требует извлечения через аферез, где кровь берется от донора (аналогично донорской крови) и проходит через машину, которая извлекает стволовые клетки и возвращает другие части крови донору.

Стволовые клетки также могут быть взяты из пуповинной крови сразу после рождения. Из всех типов стволовых клеток аутологичный сбор включает в себя наименьший риск. По определению, аутологичные клетки получают из собственного тела, точно так же, как человек может хранить свою собственную кровь для выборочных хирургических процедур.

Плюрипотентные взрослые стволовые клетки встречаются редко и обычно малочисленны, но их можно обнаружить в пуповинной крови и других тканях. костный мозг является богатым источником взрослых стволовых клеток, которые были использованы в лечении нескольких состояний, включая цирроз печени, хроническую ишемию конечностей и эндостальную сердечную недостаточность. количество стволовых клеток костного мозга снижается с возрастом и больше у мужчин, чем у женщин в репродуктивные годы. многие исследования стволовых клеток взрослых на сегодняшний день направлены на то, чтобы охарактеризовать их потенцию и способность к самообновлению. Повреждение ДНК накапливается с возрастом как в стволовых клетках, так и в клетках, составляющих среду стволовых клеток. Это накопление считается ответственным, по крайней мере частично, за увеличение дисфункции стволовых клеток со старением (см. теорию повреждения ДНК старения ).

Большинство взрослых стволовых клеток являются линейно-ограниченными ( мультипотентными ) и обычно называются по их тканевому происхождению ( мезенхимальные стволовые клетки , жировые стволовые клетки, эндотелиальные стволовые клетки , Стволовые клетки пульпы зуба и т. д.).[49] [50] Muse-клетки (мультилинейные дифференцирующие стресс-устойчивые клетки) - это недавно обнаруженный тип плюрипотентных стволовых клеток, обнаруженных в нескольких взрослых тканях, включая жировую ткань, дермальные фибробласты и костный мозг. В то время как редкие клетки muse идентифицируются по их экспрессии SSEA-3, маркера для недифференцированных стволовых клеток, и общих мезенхимальных стволовых клеток маркеров, таких как CD105. Подверг к одиночной культуре подвеса клетки, клетки произведут кластеры которые подобны к эмбриоидным телам в морфологии также, как экспрессия гена , включая канонические отметки Oct4 , Sox2, и Nanog плюрипотентности .

Лечение взрослыми стволовыми клетками было успешно использовано в течение многих лет для лечения лейкемии и связанных с ней рака костей/крови с помощью трансплантации костного мозга. взрослые стволовые клетки также использованы в ветеринарной медицине для того чтобы обработать ушибы сухожилия и лигамента в лошадях.

Использование взрослых стволовых клеток в исследованиях и терапии не столь спорно , как использование эмбриональных стволовых клеток, поскольку производство взрослых стволовых клеток не требует разрушения эмбриона . Кроме того, в тех случаях, когда взрослые стволовые клетки получены от предполагаемого реципиента (аутотрансплантата), риск отторжения по существу не существует. Следовательно, больше финансирования правительства США предоставляется для исследований взрослых стволовых клеток.

С увеличением потребности в стволовых клетках взрослого человека как для научных, так и для клинических целей (как правило, требуется 1-5 миллионов клеток на кг массы тела в расчете на одно лечение) чрезвычайно важно преодолеть разрыв между необходимостью расширения клеток in vitro и возможностью использования факторов, лежащих в основе реплицирующего старения. Известно, что взрослые стволовые клетки имеют ограниченную продолжительность жизни in vitro и вступают в реплицирующее старение почти незаметно после начала культивирования in vitro.

Околоплодные

Мультипотентные стволовые клетки также находятся в околоплодных водах. Эти стволовые клетки очень активны, расширяются экстенсивно без питателей и не являются опухолевыми. Амниотические стволовые клетки являются мультипотентными и могут дифференцироваться в клетки адипогенной, остеогенной, миогенной, эндотелиальной, печеночной, а также нейрональной линий. Амниотические стволовые клетки являются предметом активных исследований.

Использование стволовых клеток из околоплодных вод преодолевает этические возражения против использования человеческих эмбрионов в качестве источника клеток. Римско-католическое учение запрещает использование эмбриональных стволовых клеток в экспериментах; соответственно, ватиканская газета "Osservatore Romano" назвала амниотические стволовые клетки "будущим медицины".[57]

Можно собирать амниотические стволовые клетки для доноров или для аутологичного использования: первый банк амниотических стволовых клеток США был открыт в 2009 году в Медфорде, штат Массачусетс, корпорацией Biocell Center Corporation и сотрудничает с различными больницами и университетами по всему миру.

Индуцированный плюрипотент

Основная статья: Индуцированная плюрипотентная стволовая клетка

Взрослые стволовые клетки имеют ограничения по своей потенции; в отличие от эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), они не способны дифференцироваться в клетки из всех трех зародышевых слоев . Таким образом, они считаются мультипотентными .

Однако перепрограммирование позволяет создавать плюрипотентные клетки, индуцированные плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК), из взрослых клеток. Это не взрослые стволовые клетки, а соматические клетки (например, эпителиальные клетки), перепрограммированные для того, чтобы дать начало клеткам с плюрипотентными возможностями. Используя генетическое перепрограммирование с белковыми факторами транскрипции, были получены плюрипотентные стволовые клетки с ESC-подобными возможностями. первая демонстрация индуцированных плюрипотентных стволовых клеток была проведена Синья Яманака и его коллегами из Киотского университета . они использовали транскрипционные факторы Oct3 / 4, Sox2, c-Myc и Klf4 для перепрограммирования клеток фибробластов мыши в плюрипотентные клетки.В последующих работах эти факторы были использованы для индукции плюрипотентности в клетках фибробластов человека. Junying Yu , James Thomson и их коллеги из Университета Висконсин–Мэдисон использовали другой набор факторов , Oct4, Sox2, Nanog и Lin28, и проводили свои эксперименты с использованием клеток из крайней плоти человека .Однако они смогли повторить открытие Яманаки о том, что индуцирование плюрипотентности в клетках человека было возможно.

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки отличаются от эмбриональных стволовых клеток. Они имеют много общих свойств, таких как плюрипотентность и дифференцировочный потенциал, экспрессия генов плюрипотентности, эпигенетические паттерны, эмбриоидное тело и образование тератомы, а также жизнеспособное химерообразование , но есть много различий в этих свойствах. Хроматин ИПСК представляется более "закрытым" или метилированным, чем хроматин ЭСК. аналогичным образом, паттерн экспрессии генов между ЭСК и ИПСК или даже ИПСК происходит из разных источников. Таким образом, возникают вопросы о "полноте" перепрограммирования и соматической памяти индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Несмотря на это, индуцирование соматических клеток к плюрипотентности представляется жизнеспособным.

В результате успеха этих экспериментов Ян Уилмут, который помог создать первое клонированное животное Dolly The Sheep, объявил, что он откажется от ядерного переноса соматических клеток в качестве направления исследований.

Кроме того, индуцированные плюрипотентные стволовые клетки обеспечивают ряд терапевтических преимуществ. Как и ЭСК, они плюрипотентны . Таким образом, они обладают большим дифференцировочным потенциалом; теоретически они могли бы произвести любую клетку в человеческом теле (если бы перепрограммирование на плюрипотентность было "полным"). более того, в отличие от ЭСК, они потенциально могут позволить врачам создать плюрипотентную линию стволовых клеток для каждого отдельного пациента. замороженные образцы крови могут быть использованы в качестве ценного источника индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Специфичные для пациента стволовые клетки позволяют проводить скрининг на побочные эффекты до начала медикаментозного лечения, а также снижают риск отторжения трансплантата. несмотря на их настоящее ограниченное использование терапевтически, iPSCs держат создать потенциал для будущего использования в медицинском лечении и научных исследованиях.

Управление циклом ячеек

Ключевые факторы, контролирующие клеточный цикл, также регулируют плюрипотентность . Таким образом, манипуляция соответствующими генами может поддерживать плюрипотентность и перепрограммировать соматические клетки в индуцированное плюрипотентное состояние. однако, перепрограммирование соматических клеток часто имеет низкую эффективность и считается стохастическим .

С идеей что более быстрый цикл клетки ключевой компонент плюрипотентности, перепрограммируя эффективность можно улучшить. Методы повышения плюрипотентности путем манипулирования регуляторами клеточного цикла включают: сверхэкспрессию циклина D / Cdk4, фосфорилирование Sox2 в S39 и S253, сверхэкспрессию циклина А и циклина е, нокдаун Rb и нокдаун членов семейства Cip/Kip или семейства Ink. Кроме того, эффективность перепрограммирования коррелирует с числом клеточных делений, происходящих во время стохастической фазы, что объясняется растущей неэффективностью перепрограммирования более старых или медленных ныряющих клеток.

Происхождение

Основная статья: Линия стволовых клеток

Родословная

Для обеспечения самообновления стволовые клетки подвергаются двум типам деления клеток (см. диаграмму деления и дифференцировки стволовых клеток). Симметричное деление дает начало двум идентичным дочерним клеткам, обе из которых наделены свойствами стволовых клеток. Асимметричное деление, с другой стороны, производит только одну стволовую клетку и прогениторную клетку с ограниченным потенциалом самообновления. Прародители могут пройти через несколько раундов клеточного деления, прежде чем окончательно дифференцироваться в зрелую клетку. Возможно, что молекулярное различие между симметричными и асимметричными делениями заключается в дифференциальной сегрегации белков клеточной мембраны (таких как рецепторы ) между дочерними клетками.

Альтернативная теория заключается в том, что стволовые клетки остаются недифференцированными из-за экологических сигналов в их конкретной нише . Стволовые клетки дифференцируются, когда они покидают эту нишу или больше не получают эти сигналы. Исследования в Drosophila germarium выявили сигналы декапентаплегических и адгезивных соединений,которые препятствуют дифференцировке стволовых клеток гермария.

Лечение

Основная статья: Терапия стволовыми клетками

Терапия стволовыми клетками-это использование стволовых клеток для лечения или предотвращения заболевания или состояния. Трансплантация костного мозга является одной из форм терапии стволовыми клетками, которая используется в течение многих лет без противоречий.

Исследования показывают, что имплантация стволовых клеток помогает укрепить левый желудочек сердца, а также сохранить сердечную ткань для пациентов, которые страдали от сердечных приступов в прошлом.

Преимущества

Лечение стволовыми клетками может уменьшить симптомы заболевания или состояния, которое лечится. Снижение симптомов может позволить пациентам уменьшить прием препарата из-за болезни или состояния. Лечение стволовыми клетками может также предоставить обществу знания для дальнейшего понимания стволовых клеток и будущих методов лечения.

Недостатки

Лечение стволовыми клетками может потребовать иммуносупрессии из-за необходимости облучения перед трансплантацией для удаления предыдущих клеток человека или из-за того, что иммунная система пациента может нацеливаться на стволовые клетки. Один подход, чтобы избежать второй возможности, заключается в использовании стволовых клеток от того же пациента, который проходит лечение.

Плюрипотентность в некоторых стволовых клетках также может затруднить получение определенного типа клеток. Также трудно получить точный тип необходимой клетки, потому что не все клетки в популяции дифференцируются равномерно. Недифференцированные клетки могут создавать ткани, отличные от желаемых типов.

Некоторые стволовые клетки образуют опухоли после трансплантации; плюрипотентность связана с опухолевым образованием, особенно в эмбриональных стволовых клетках, собственно фетальных стволовых клетках, индуцированных плюрипотентных стволовых клетках. Собственные стволовые клетки плода формируют опухоли, несмотря на мультипотентность.

Исследование

Дополнительная информация: Consumer Watchdog vs Wisconsin Alumni Research Foundation

Некоторые из фундаментальных патентов, охватывающих человеческие эмбриональные стволовые клетки, принадлежат Висконсинскому исследовательскому фонду выпускников (WARF) - это патенты 5,843,780, 6,200,806 и 7,029,913, изобретенные Джеймсом А. Томсоном . WARF не применяет эти патенты против академических ученых, но применяет их против компаний.

В 2006 году от имени своего клиента, некоммерческой патентно-контрольной группы Consumer Watchdog (ранее Фонд защиты прав налогоплательщиков и потребителей), государственный патентный фонд США (USPTO) подал запрос на повторную экспертизу этих трех патентов. в процессе повторной экспертизы, которая включает в себя несколько раундов обсуждения между USPTO и сторонами, USPTO первоначально согласился с Consumer Watchdog и отклонил все претензии во всех трех патентах, [87] однако в ответ WARF изменил формулы изобретения всех трех патентов, чтобы сделать их более узкими, и в 2008 году ВПТЗ США счел измененные формулы изобретения во всех трех патентах патентоспособными. Решение по одному из патентов (7 029 913) подлежало обжалованию, а по двум другим-нет. Consumer Watchdog обжаловал предоставление патента '913 в Совет по патентным апелляциям и вмешательствам (BPAI) ВПТЗ США, который удовлетворил апелляцию, и в 2010 году BPAI решил, что измененные формулы патента '913 не были патентоспособны. Тем не менее, ВАРФ смог вновь открыть уголовное преследование по этому делу и сделал это, изменив формулу патента '913 снова, чтобы сделать их более узкими, и в январе 2013 года измененные формулы были разрешены.

В июле 2013 года Consumer Watchdog объявила, что она будет обжаловать решение о разрешении претензий '913 патента в Апелляционном суде США для федерального округа (CAFC), Федеральный апелляционный суд, который рассматривает патентные дела. на слушаниях в декабре 2013 года CAFC поднял вопрос о том, имеет ли Consumer Watchdog юридическую силу для обжалования; дело не может продолжаться до тех пор, пока этот вопрос не будет решен.

Лечение

Заболевания и условия, в которых изучается лечение стволовыми клетками, включают в себя::

Заболевания и условия, в которых изучается лечение стволовыми клетками.

• Диабет
• Ревматоидный артрит
• Болезнь Паркинсона
• Болезнь Альцгеймера
• Остеоартроз
• Восстановление после инсульта и черепно-мозговой травмы
• Инвалидность в обучении вследствие врожденной патологии
• Восстановление после травмы спинного мозга
• Инфаркт миокарда
• Противоопухолевое лечение
• Реверсирование облысения
• Заменить отсутствующие зубы
• Ремонт слуха
• Восстановление зрения и восстановление поврежденной роговицы
• Боковой амиотрофический склероз
• Болезнь Крона
• Заживление ран

1. Мужское бесплодие из-за отсутствия сперматогониальных стволовых клеток.В недавних исследованиях ученые нашли способ решить эту проблему путем перепрограммирования клетки и превращения ее в сперматозоид. Другие исследования доказали восстановление сперматогенеза путем введения клеток ИПСК человека в яички мышей. Это может означать конец азооспермии.
2. Женское бесплодие: ооциты, сделанные из эмбриональных стволовых клеток. Ученые обнаружили стволовые клетки яичников, редкий тип клеток (0,014%), обнаруженных в яичнике. Они могут быть использованы в качестве лечения не только бесплодия, но и при преждевременной недостаточности яичников.

Ведутся исследования по разработке различных источников стволовых клеток, а также по применению методов лечения стволовыми клетками нейродегенеративных заболеваний и состояний , диабета , болезней сердца и других состояний. также ведутся исследования в области получения органоидов с использованием стволовых клеток, что позволит в дальнейшем понять развитие человека, органогенез и моделирование заболеваний человека.

В последние годы благодаря способности ученых выделять и культивировать эмбриональные стволовые клетки , а также растущей способности ученых создавать стволовые клетки с использованием ядерного переноса соматических клеток и методов для создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток возникли противоречия, связанные как с политикой абортов, так и с клонированием человека .

Гепатотоксичность и медикаментозное повреждение печени обусловливают значительное число неудач разработки и вывода на рынок новых лекарственных средств, что подчеркивает необходимость проведения скрининговых анализов, таких как полученные из стволовых клеток гепатоциты, которые способны выявлять токсичность на ранних стадиях процесса разработки лекарственных средств.

Смотрите также

• Банк клеток
• Геном человека
• Меристема
• Мезенхимальная стволовая клетка
• Частичное клонирование
• Стволовая клетка растения
• Противоречие стволовых клеток
• Маркер стволовых клеток

Пруф

.nature.com/subjects/stem-cells?wt.ac=search_subjects_stem_cells/

• /stemcells.nih.gov/