Клеточные технологии в биологии и медицине Разделы

Клеточные технологии в биологии и медицине

Разделы • Понятие о стволовых клетках (СК) – – – • дефиниции СК самообновление СК пролиферативная активность Принципы дифференцировки СК – – • • • линии дифференцировки сигналы дифференцировки СК Ниша СК Эмбриональная стволовая клетка Стволовая кроветворнаямезенхимная стромальная клетка Нейральная стволовая клетка Инструменты для изучения СК Клеточная терапия – Неврология • • – • • нейродегенеративные заболевания рассеянный склероз ишемический инсульт травма спинного мозга Кардиология Генно-клеточная терапия Приложения стволовых клеток, кроме клеточной терапии

Понятие о СК

Наиболее важные события в биологии ХХ века 1. Открытие двойной спирали ДНК 2. Программа «Геном человека» 3. Открытие эмбриональной стволовой клетки человека Science 1999

Стволовыми клетками эмбриона, плода, или взрослого организма считаются клетки, которые при определённых условиях способны длительное время воспроизводить себе подобные клетки и в течение жизни давать начало специализированным клеткам, образующим ткани и органы [определение NIH] Стволовая клетка – недифференцированная клетка, способная к самообновлению и дифференцировке в специализированные клетки Стволовые клетки Способность к самообновлению Высокий пролиферативный потенциал Способность к дифференцировке в клетки обычно нескольких линий • в организме – в любые клетки данного органа • в эмбрионе – в любую клетку организма

«Гнезда" стромальных клеток, содержащих стволовые региональные клетки, являются мощным иммунологическим барьером, защищающим стволовые клетки от бактерий, вирусов и чужеродных антигенов. Например, клетки Сертоли, окружающие мужские прогениторные половые клетки и после рождения, нашли оригинальное применение в экспериментальной неврологии. Их смешивают с нейрональными стволовыми клетками при трансплантации. Выживание нервных стволовых клеток в паре с клетками Сертоли возрастает в несколько раз за счет трофических и барьерных функций герменативной стромы.

Самообновление – способность стволовой клетки поддерживать себя в недифференцированном (незрелом, «стволовом» ) состоянии за счёт микроокружения и влияния специфических факторов

• Pluripotency An ability to differentiate into a variety of cells that belong to all three germ layers, with at least one cell type for each. In contrast, totipotency is defined as the ability to generate a whole animal autonomously, and multipotency as the ability to yield multiple cell types that belong to particular germ layers, not all three. Unipotency is defined as the ability to generate a single differentiated cell type, the most limited ability of stem germline stem cells. • Self-renewal A style of cell division characteristic of stem cells that yields at least one daughter cell with the same differentiation ability as the parental stem cells. Symmetric self-renewal generates two stem cells whereas asymmetric self-renewal generates one stem cell and one differentiated progeny cell. At the molecular level, this event can be divided into two mechanisms— preventing differentiation and promoting cell division. • Stem cell A cell that has the ability to self-renew and differentiation. Stem cells can be found as transient populations during development and as stable populations in adult tissues. Embryonic stem cells are specified as stem cells derived from the pluripotent stem cells of earlystage embryos.

Молекулярные механизмы поддержания потенциала неограниченной пролиферации Гетеродимерный комплекс рецептора , общий для связывания трех цитокинов (LIF, SCF, IL-6), обеспечивает одновременную передачу сигнала от трех изоформ рецептора через общую трансмембранную субъединицу gp-130 и Jak-Stat 3 транскрипционный комплекс на "батарею" генов, контролирующих клеточный митоз. Опознающий домен Stat 3 ( SIE DNAbinding site) специфически взаимодействует с промотором c-fos на уровне ДНК хроматина. Наиболее важными внутриклеточными маркерными белками являются Oct 3, Oct 4, Tcf, Groucho, относящимся к так называемым белкам-сайленсерам хроматина. С их помощью происходит особо компактная упаковка гетерохроматина, препятствующая образованию петель эухроматина. Опосредованная этими белками упаковка хроматина неизвестным пока способом коррелирует с тотипотентностью генома этих клеток.

Стволовые клетки взрослого организма = Региональные стволовые клетки Недифференцированные (неспециализированные) клетки в дифференцированной (специализированной) ткани, обладают способностью к самообновлению и образуют дифференцированные клетки. Наиболее изучена стволовая кроветворная клетка. Локализация региональных стволовых клеток: • красный костный мозг • кровь • роговица • сетчатка • головной мозг • скелетная мышца • пульпа зуба • печень • поджелудочная железа • эпителий слизистой оболочки пищеварительного тракта • кожа

Региональные стволовые клетки — соматические плюрипотентные стволовые клетки различных органов взрослого организма, способные к дифференцировке в клетки «своего» органа. Стволовые клетки костного мозга — гемопоэтические и стромальные клетки. Гемопоэтические стволовые клетки пуповинной и плацентарной крови. Трансплантация этих клеток дает положительные результаты при лечении более чем 50 -ти онкологических и наследственных заболеваний.

Пластичность – способность стволовой клетки из одной ткани дифференцироваться в специализированные клетки другой ткани взрослого организма Печень Мозг СНК Скелетная Кость мышца Кл. крови Кровеносный сосуд Эпителиальные кл. Жировая кл. Миокард Нейроны Глия

Принципы дифференцировки стволовых клеток

Долгоживущие стволовые клетки Короткоживущие стволовые клетки Мультипотентные предшественники Олигопотентные и унипотентные предшественники Дифференцированные клетки

стволовые клетки-предшественницы (коммитированные клетки) зрелые клетки (дифференцированные клетки, тарминальная дифференцировка) более 200 клеточных типов Коммитирование — специализация клеток Стволовые клетки некоммитированы и остаются некоммитированными до начала действия специального сигнала, запускающего дифференцировку

Ступенчатый (дифференцирово чный) потенциал Необратимое выключение Потомки стволовых клеток подвергаются необратимому изменению Дифференцировочный потенциал стволовой клетки снижается ступенчатым образом по мере дифференцировки клеток данной линии

Стволовая клетка Клетка-предшественница (прогенитор) Плюрипотентная стволовая клетка дает начало клеткам, Стволовая клетка которые происходят из всех трех зародышевых листков, экто-, мезо- и энтодермы. У человека плюрипотентную стволовую клетку получают Специализированная на стадии раннего клетка (нейрон) эмбриона, а также из ткани плода, образующей зачаток гонад. Полипотентность — способность генома постнатальных стволовых Специализированная клеток изменять профиль клетка (нейтрофил) плюрипотентности при пересадке в новую ткань реципиента. Относится Специализированная только к ЭСК взрослого клетка организма. (эритроцит)

ТОТИПОТЕНТНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СОМАТИЧЕСКИЕ СК СК ЗАРОДЫШЕВОГО ПУТИ САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ЭНДОДЕРМАЛЬНЫЕ СК ПЕЧЕНЬ, ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА ЦНС СК ГЕМАТОПОЭТИЧЕСКИЕ СК МОЗГ КРОВЬ ПРИМИТИВНЫЕ КЛЕТКИ ЗАРОДЫШЕВОГО ПУТИ НЕРВНЫЙ ГРЕБЕНЬ ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ НЕРВЫ, НЕЙРОЭНДОКРИННЫЕ ШВАННОВСКИЕ ПИГМЕНТНЫЕ КЛЕТКИ ГЛАДКОЙ МУСКУЛАТУРЫ УСПЕШНЫЙ ХОМИНГ ГИБЕЛЬ КЛЕТОК ГЕНИТАЛЬНЫЕ СКЛАДКИ КОММИТИРОВАННЫЕ ПРОТОГАМЕТЫ

Концепция постепенного развертывания потенций стволовой клетки В дополнение к региональным стволовым клеткам в кровотоке могут циркулировать некие другие стволовые клетки. Они поступают в конкретный орган и в нем дифференцируются в «нужные» для этого органа клетки. Ключевая позиция данной концепции – гибкость в определении судьбы клеток. Она определяется запросами количества клеток конкретного типа в конкретном органе и позволяет восстанавливать его структуру и функцию.

Ниша СК

Ниша стволовой кроветворной клетки

Ниша предшественников иммунокомпетентных клеток

• Про значение ниши для направленной дифференцировки клеток, предназначенных для трансплантации в область повреждения см.