Стволовые клетки — это недифференцированные клетки, которые могут выполнять различные восстановительные функции в организме человека. Например, они могут генерировать или заменять различные клетки путем дифференциации, регулировать иммунную систему и стимулировать другие клетки в их естественной среде.
Стволовые клетки присутствуют во всех человеческих существах, начиная с развития эмбриона/плода (эмбриональные стволовые клетки) и на протяжении всей жизни человека до самой смерти (взрослые стволовые клетки). Существует 5 основных типов стволовых клеток, определяемых как по их происхождению, так и по их способности генерировать новые клетки.
- Тотипотентная: Также известная как оплодотворенная яйцеклетка, эта клетка будет развиваться и превращаться во все остальные клетки, создавая человека.
- Плюрипотентные: Эти стволовые клетки могут дифференцироваться в любой другой вид клеток, однако они не способны создать целый организм так, как это могут сделать тотипотентные клетки.
- Мультипотентные: Немного более ограниченные, чем плюрипотентные клетки, относящиеся к определенному диапазону типов клеток.
- Олигопотентные: Эти стволовые клетки похожи на мультипотентные стволовые клетки и также способны дифференцироваться в определенный спектр типов клеток.
- Унипотентные: Эти стволовые клетки способны дифференцироваться только в один тип клеток.
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) и взрослые стволовые клетки (ВСК) — это две совершенно разные категории стволовых клеток, обладающие различными свойствами. У любого человека после рождения замена и регенерация клеток происходит в двух контекстах: обновление естественно умирающих клеток (апоптоз) и в ответ на внешнее повреждение (вызванное такими факторами, как травматическое повреждение, инфекция, рак, инфаркт, токсины, воспаление и т.д.). Стволовые клетки, участвующие в этом процессе регенерации, — это взрослые стволовые клетки (также называемые соматическими стволовыми клетками).
Взрослые стволовые клетки и эмбриональные стволовые клетки
Эмбриональные стволовые клетки присутствуют во внутренней клеточной массе бластоцисты, в основном полом шаре клеток, который у человека образуется через три-пять дней после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. При нормальном развитии клетки внутренней клеточной массы дают начало более специализированным клеткам, из которых формируется все тело — все наши ткани и органы. Эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными, что, как уже говорилось ранее, означает, что они могут дать начало любому типу клеток в полностью сформированном организме, но не в плаценте и пуповине.
Взрослые стволовые клетки (также называемые соматическими стволовыми клетками) более специализированны, чем эмбриональные стволовые клетки. Как правило, эти стволовые клетки могут генерировать различные типы клеток для конкретной ткани или органа, в котором они живут. Существует множество различных типов взрослых стволовых клеток, которые выполняют свои специфические регенеративные функции. Например, кровообразующие (или гемопоэтические) стволовые клетки могут давать начало эритроцитам, лейкоцитам и тромбоцитам. Однако стволовые клетки, образующие кровь, не создают, например, клетки печени или легких, а стволовые клетки других тканей и органов не создают красные или белые кровяные тельца или тромбоциты. Некоторые ткани и органы в вашем теле содержат небольшие тайники тканеспецифических стволовых клеток, задача которых — заменить клетки этой ткани, потерянные в процессе нормальной повседневной жизни или в результате травмы.
Как стволовые клетки воздействуют на повреждения? — Наведение
В науке о стволовых клетках слово «хоминг» описывает способность стволовых клеток находить свое место назначения, или «нишу». Во время этого процесса поврежденные или воспаленные ткани призывают к восстановлению, посылая сигналы, некоторые из которых служат сигналом для стволовых клеток и привлекают их к поврежденной ткани. Это достаточно быстрый процесс (измеряется часами и не превышает 1-2 дней).
Как работают стволовые клетки для восстановления тканей? — Прямая дифференциация и паракринный эффект
Как только стволовые клетки попадают в место повреждения, они могут начать свое регенеративное действие, действуя через два различных механизма: они могут подвергнуться прямой дифференциации, чтобы непосредственно заменить поврежденные клетки, или же они могут способствовать регенерации тканей через паракринный эффект.
Так что же такое паракринный эффект? В науке о стволовых клетках его можно определить как процесс, в котором стволовые клетки выделяют факторы, действующие как сигналы для окружающих клеток и заставляющие их изменить свое поведение, чтобы запустить процесс регенерации. Во время этого процесса стволовые клетки не способствуют обновлению тканей путем прямой дифференцировки.
Почему паракринный эффект так важен?
В большом количестве исследований, посвященных трансплантации стволовых клеток, ученые отмечали, что поврежденные ткани пациента восстанавливались после пересадки стволовых клеток от донора. Однако после анализа вновь образованных тканей было замечено, что донорские клетки отсутствуют. Затем ученые смогли продемонстрировать, что донорские стволовые клетки выделяли факторы, которые побуждали собственные клетки пациента самостоятельно восстанавливать ткань. Было продемонстрировано, что большая часть процесса регенерации происходила через паракринную сигнализацию, а не через прямую дифференциацию.
Паракринный механизм оказался очень полезным. Преимущества паракринного эффекта теперь очень очевидны. Самым важным фактом является то, что, несмотря на то, что донорские стволовые клетки имеют очень ограниченный срок жизни, они оказывают длительное влияние на регенерацию тканей, которая продолжается еще долго после полного истощения донорских стволовых клеток.
Несколько различных типов стволовых клеток могут вызывать паракринный ответ, например, мезенхимальные стволовые клетки пуповины и стволовые клетки пуповинной крови.
Чего могут достичь стволовые клетки благодаря прямой дифференциации и паракринному эффекту?
- Восстановление поврежденных тканей: стволовые клетки обладают способностью активировать спящее состояние стволовых клеток в организме человека и оказывать восстанавливающее действие на поврежденные ткани и органы, вызванные перекисным окислением и метаболическими отходами. Баланс между свободными радикалами и антиоксидантами необходим для правильного физиологического функционирования. Если свободные радикалы превышают способность организма регулировать их, возникает состояние, известное как окислительный стресс. Таким образом, свободные радикалы негативно изменяют липиды, белки и ДНК и вызывают ряд заболеваний человека. Стволовые клетки также могут вмешаться в стресс, вызванный свободными радикалами, чтобы восстановить нормальное функционирование организма.
- Выделяют питательные факторы: Стволовые клетки могут способствовать пролиферации и дифференциации тканей в пределах поврежденной ткани и восстанавливать физиологические функции тканей и органов.
- Регулировать иммунную функцию: Благодаря выделению растворимых факторов и прямому контакту для регулирования пролиферации иммунных клеток и их активности, стволовые клетки способны уменьшить воспалительную реакцию.
- Регулировать метаболическую функцию: Используя способность к разнонаправленной дифференциации, стволовые клетки могут повысить эффективность метаболической системы, и таким образом ускорить работу организма и выведение метаболических отходов, способствовать усвоению питательных веществ, чтобы поддерживать нормальную физиологическую функцию.
Кроме того, исследования показали, что паракринный эффект усиливается, поскольку донорские клетки привлекаются к поврежденным тканям, которые нуждаются в их помощи. Поврежденные клетки пациента выделяют цитокины, регуляторные белки, которые действуют как медиаторы для создания иммунного ответа, привлекающего донорские клетки. В свою очередь, донорские клетки выделяют свой собственный коктейль белков, которые стимулируют стволовые клетки пациента и помогают уменьшить воспаление, способствуют пролиферации клеток, увеличивают васкуляризацию и приток крови к участкам, нуждающимся в заживлении. Клетки с паракринным эффектом могут также выделять факторы, которые тормозят гибель клеток пациента в результате травмы или болезни.
Важным третьим паракринным эффектом является их способность «гасить» иммунный ответ, возникающий при отторжении трансплантата или при аутоиммунном заболевании. В этом случае клетки могут быть использованы непосредственно или в сочетании с другими стволовыми клетками в терапевтических целях. Например, применение мезенхимальных клеток вместе со стволовыми клетками крови при пересадке костного мозга, по-видимому, уменьшает заболевание трансплантата против хозяина.
Преимущество использования клеток, в отличие от лекарств, для стимулирования регенерации заключается в том, что пересаженные клетки будут реагировать на окружающую среду и выделять факторы по мере необходимости и в соответствующей концентрации. Клетки можно рассматривать как «фабрики лекарств», которые адаптируются по мере восстановления ткани. Доклинические исследования продемонстрировали эффективность мезенхимальных клеток и клеток пуповинной крови для лечения заболеваний нервной системы, сердца, почек и мышц. Было проведено несколько убедительных исследований нейропротекторного эффекта клеток пуповинной крови.