Стволовые клетки: на острие скандала

Стволовые клетки — это недифференцированные клетки, которые обладают способностью развиваться в клетки разных тканей и органов. Во многих тканях они играют роль своего рода внутренней системы восстановления — они могут делиться, дополняя и заменяя другие клетки, практически безгранично, пока человек или животное еще живы. Когда стволовая клетка делится, у каждой из новых образовавшихся клеток есть потенциал либо остаться стволовой клеткой, либо стать клеткой другого типа с более специализированными функциями — например, мышечной клеткой, красной кровяной клеткой, или клеткой головного мозга.

От клеток других типов стволовые клетки отличают две важные характеристики. Первое — они являются недифференцированными клетками, способными обновляться посредством клеточного деления, иногда — после длительных периодов бездействия. Второе — в определенных физиологических или экспериментальных условиях может быть индуцировано их превращение в клетки тканей или органов, обладающих определенными функциями. В некоторых органах, например, в костном мозге и в кишечнике, стволовые клетки делятся постоянно, чтобы восстанавливать и заменять изношенные или поврежденные ткани. В других органах, однако, например, в поджелудочной железеДиабет и поджелудочная железа — вещи, которые необходимо знать и в сердце, стволовые клетки делятся только при особых обстоятельствах.

Виды стволовых клеток

До недавнего времени ученые работали, преимущественно, с двумя видами стволовых клеток животных и человека: эмбриональными и взрослыми, или соматическими, стволовыми клетками. О функциях и характеристиках этих клеток мы поговорим ниже.

Впервые ученые смогли получить эмбриональные стволовые клетки от эмбриона мыши более 30 лет назад, в 1981 году. Тщательное исследование биологии стволовых клеток мышей привело к тому, что в 1998 году был открыт метод получения стволовых клеток из эмбриона человека и выращивания клеток в лаборатории. Эмбрионы, использовавшиеся для этих исследований, были созданы для репродуктивных целей методом оплодотворения в пробирке. Те эмбрионы, которые не пригодились для этих целей, были, по согласию донора, переданы для исследований. В 2006 году ученые совершили еще один прорыв — они выявили условия, при которых некоторые специализированные зрелые клетки можно генетически «перепрограммировать» так, чтобы они приобрели характеристики стволовых клеток.

Стволовые клетки важны для живых организмов по многим причинам. У эмбриона в возрасте от 3 до 5 дней — бластоцисты, уже имеются стволовые клетки, из которых затем разовьется весь организм — сердце, легкие, кожа, кости, и так далее. В некоторых тканях взрослого организма стволовые клетки компенсируют естественный износ органов и помогают восстановиться после повреждений и болезней.

Уникальные регенерирующие способности стволовых клеток открывают новые возможности для лечения таких болезней, как диабет и сердечно-сосудистые заболевания. Однако предстоит еще много работы в лабораторных и клинических условиях, прежде чем мы поймем, как именно лечить болезни с их помощью.

Лабораторные исследования стволовых клеток позволяют ученым больше узнать об их особенностях и возможностях. Уже сейчас ученые используют стволовые клетки в лабораториях, чтобы разрабатывать и тестировать новые лекарства, а также изучать нормальный рост и выявлять причины возникновения врожденных недостатков. Изучение стволовых клеток — одно из самых многообещающих и захватывающих направлений в современной биологии и медицине и здесь, очевидно, сделаны еще далеко не все открытия.

Уникальные свойства стволовых клеток

У всех стволовых клеток, независимо от того, как они получены, есть три общих свойства: они способны делиться и обновляться в течение длительных периодов: они являются не специализированными; они могут превращаться в специализированные клетки.

В отличие от мышечных, кровяных или нервных клеток, которые в норме не реплицируются, стволовые клетки могут реплицироваться множество раз.

Сегодня ученые пытаются ответить на два важнейших вопроса, связанных со стволовыми клетками:

• Почему эмбриональные клетки могут размножаться в лаборатории в течение года и более, не дифференцируясь (не превращаясь в специализированные клетки тканей или органов), а большинство неэмбриональных стволовых клеток этого не могут?
• Какие факторы в живых организмах в норме регулируют пролиферацию (размножение путем клеточного деления) и самообновление стволовых клеток?

Ответы на эти вопросы помогли бы понять, как регулируется пролиферация клеток во время нормального эмбрионального развития и во время аномального деления клеток, которое приводит к ракуРак груди — приговор?. Эта информация также помогла бы ученым более эффективно выращивать в лабораториях эмбриональные и взрослые стволовые клетки.

Специфические факторы и условия, которые позволяют стволовым клеткам оставаться недифференцированными, представляют для ученых большой интерес. Специалистам понадобилось много лет исследований, проб и ошибок, прежде чем они смогли выделять стволовые клетки и поддерживать их жизнедеятельность в лабораторных условиях таким образом, чтобы избежать их спонтанного превращения в специфические клетки. После того, как были получены стволовые клетки мыши, прошло два десятилетия, прежде чем ученые смогли вырастить эмбриональные стволовые клетки человека. Теперь важно понять, какие сигналы зрелого организма стимулируют пролиферацию стволовых клеток, почему они остаются недифференцированными именно до того момента, как появится необходимость их использовать.

Еще одно фундаментальное свойство стволовых клеток состоит в том, что у них нет структур, характерных для клеток определенных тканей или органов. Например, стволовые клетки не могут взаимодействовать с соседями и качать кровь (как клетки сердечной мышцы), или транспортировать молекулы кислорода через кровоток (как красные кровяные тельца). Однако они могут превратиться в любые специализированные клетки — это называется дифференциацией. Когда клетка дифференцируется, она проходит через несколько этапов, на каждом из них становясь все более специализированной. Пока ученые только начинают понимать сигналы внутри и вне клеток, которые приводят к дифференциации. Внутренние сигналы контролируются генами клеток, которые являются частью цепочки ДНК, и в которых закодированы инструкции относительно клеточных структур и функций.

Внешними сигналами для клеточной дифференциации служат химические вещества, которые выделяют другие клетки; физический контакт с соседними клетками; а также активность некоторых молекул.

Однако дифференциация стволовых клеток по-прежнему оставляет много вопросов. Например, являются ли внутренние и внешние сигналы дифференциации клеток одинаковыми для стволовых клеток всех типов? Можно ли выделить специфический набор сигналов, который приводит к превращению стволовых клеток в клетки определенного типа? Если на эти вопросы удастся ответить, возможно, ученые смогут найти новые способы контролировать дифференциацию стволовых клеток в лабораториях и выращивать клетки и ткани, которые затем можно будет использовать, например, для клеточной терапии.

Взрослые стволовые клетки обычно генерируют клетки тех тканей, в которых они живут. Например, кроветворные (гемопоэтические) стволовые клетки в костном мозге в норме дифференцируются в разные типы клеток крови. Считается, что из гемопоэтических стволовых клеток не могут сформироваться, например, нервные клетки, или клетки головного мозга. В последние годы проводилось много исследований с целью показать, что стволовые клетки из одной ткани могут формировать клетки совершенно других тканей, однако это до сих пор не доказано и является предметом споров в научном сообществе.