Технология выращивания искусственных органов на основе стволовых клеток. Выращивание органов

Главная

Исследователи преодолели барьер в создании искусственных сперматозоидов. Синтетические люди стали реальностью?

Ученые приблизились к воссозданию естественного процесса , посредством которого организм создает сперму из стволовых клеток. Исследование проводилось в рамках работы, которая в конечном итоге может обеспечить новые методы лечения бесплодия.

Выступая на ежегодной конференции Progress Education Trust в Лондоне, Азим Сурани, глава исследования, заявил, что он и его коллеги прошли значительную веху на пути к производству спермы в лабораторных условиях. Считается, что команда достигла половины пути развития стволовых клеток до незрелых клеток спермы.

Исследовании намекает, что в один прекрасный день можно будет производить сперму и яйцеклетки из стволовых клеток или из тех же клеток кожи, спасибо .

Раньше ученые использовали стволовые клетки для создания жизнеспособной мышиной спермы, которая затем использовалась для производства здорового потомства.

Мы не можем быть абсолютно уверены, что новые клетки это полноценные сперматозоиды. В лабораторных камерах есть таймеры развития, поэтому вы должны позволить им развиваться в соответствии с их внутренним временем.Азим Сурани, глава исследования.

Существуют опасения по поводу использования искусственно созданных сперматозоидов и яйцеклеток, поскольку любые генетические изъяны потенциально передаются всем будущим поколениям. Что является несущественным, при развитии и одобрении технологии .

Команда Сурани пытается тщательно отслеживать длительный путь развития, который происходит в организме. Главная проблема это сроки развития клеток. Если у мышей процесс проходит за несколько недель, с человеком – все намного сложнее.

В недавнем исследовании его команда показала, что они могут достичь примерно четырехнедельной отметки развития сперматозоида человека. Но ученые стремятся продлить это на восьминедельный этап отчетливого формирования клетки.
С этой целью команда разработала миниатюрные искусственные яйцеклетки, называемые гонадальными органоидами, которые содержат гонадальные клетки (также выращенных в лаборатории), заключенные в гель.

ДНК в зародышевых клетках должна пройти процесс, известный как «стирание». Избавление от химических меток, которые были встроены в родительскую ДНК, через воздействие окружающей среды. Большинство из этих так называемых эпигенетических маркеров очищаются сразу, после оплодотворения яйцеклетки. Это ограничивает степень влияния жизненного опыта родителей на биологию детей. Однако второй, более тщательный, сброс данных происходит, когда эмбриональные стволовые клетки превращаются в яйцеклетку или сперму.

Сейчас проблема состоит в том, чтобы выращиваемые в лаборатории сперматозоиды и яйцеклетки в точности повторяли путь развития естественных клеток организма. При удачном преодолении проблемы, искусственные клетки станут доступными для решения проблем с бесплодием, или для полноценного выращивания искусственных людей.

Недифференцированные стволовые клетки, которые активно используются в медицине, представляют собой основу для развития клеток мозга, крови или любого другого органа. В современной фармакологии и косметологии этот биологический материал является ценным лекарством. Специалисты научились самостоятельно выращивать его для разных нужд: например, брать материал пуповинной крови, который широко применяют для восстановления и укрепления иммунной системы.

Что такое стволовые клетки

Если объяснять понятным языком, то СТ (стволовые недифференцированные клетки) представляют собой «прародителей» обычных клеток, которых насчитывается сотни тысяч видов. Обычные клетки отвечают за наше здоровье, обеспечивают исправную работу жизненно необходимых систем, заставляют наше сердце биться и работать мозг, они ответственны за пищеварение, красоту кожи и волос.

Где находятся стволовые клетки

Невзирая на внушительную цифру в 50 миллиардов штук, такой ценный материал у взрослого человека имеется в очень малых количествах. В основной массе клетки содержатся в костном мозге (мезенхимальные клетки и стромальные клетки) и подкожном жире, остальные равномерно распределены по всему телу.

По-другому сформирован эмбрион. Миллиарды стволовых клеток образуются после деления зиготы, которая является результатом слияния мужской и женской гамет. Зигота хранит в себе не только генетическую информацию, но и план последовательного развития. Однако в процессе эмбриогенеза ее единственной функцией является деление. Других задач, помимо передачи генетической памяти следующему поколению, нет. Клетки деления зиготы и являются стволовыми, точнее, эмбриональными.

Свойства

Взрослые клетки находятся в состоянии покоя, пока какая-либо из регулирующих систем не подаст сигнал об опасности. СТ активируются и по кровотоку добираются до пораженного места, где, считывая информацию с «соседок», превращаются в костные, печеночные, мышечные, нервные и другие составляющие, стимулируя внутренние резервы организма к восстановлению тканей.

Количество чудо-материала с возрастом уменьшается, притом начало сокращения приходится на совсем юный возраст – 20 лет. К 70 годам клеток остается очень мало, этот мизерный остаток поддерживает функционирование систем жизнеобеспечения организма. Помимо этого, «постаревшие» СТ частично теряют свою универсальность, они уже не могут перевоплощаться в любой тип ткани. Например, исчезает возможность превращения в нервные и кровяные составляющие.

По причине недостачи гемопоэтических составляющих, отвечающих за кровообразование, человек на старости лет покрывается морщинами и иссыхает из-за того, что кожа уже не получает достаточного питания. Эмбриональный материал самый способный в деле перевоплощения, значит, самый ценный. Такие СТ могут переродиться в любой вид ткани в организме, быстро восстановить иммунитет, стимулировать орган к регенерации.

Разновидности

Может показаться, что разновидностей стволовых клеток только две: эмбриональные и клетки, находящиеся в организме родившегося человека. Но это не так. Их классифицируют по полипотентности (способности перевоплощаться в другие виды тканей):

тотипотентные клетки;
плюрипотентные;
мультипотентные.

Благодаря последнему виду, как можно понять по названию, можно получить любые ткани в организме человека. Это не единственная классификация. Следующее различие будет заключаться в способе получения:

эмбриональные;
фетальные;
постнатальные.

Эмбриональные СТ берутся у эмбрионов, которым несколько дней. Фетальные клетки – это биологический материал, собранный из тканей эмбрионов после абортов. Их потентность по сравнению с трехдневными эмбрионами несколько ниже. Постнатальный вид – это биоматериал рожденного человека, добываемый, например, из пуповинной крови.

Выращивание стволовых клеток

Изучая свойства эмбриональных стволовых клеток, ученые пришли к выводу, что это материал, идеальный для трансплантации, так как им можно заменить любые ткани в организме человека. Эмбриональные составляющие получают из неиспользованной ткани эмбрионов, которых изначально выращивают для искусственного оплодотворения. Однако использование эмбрионов вызывает этические возражения, в результате ученые открыли новый тип стволовых клеток – индуцированные плюрипотентные.

Индуцированные плюрипотентные клетки (iPS) сняли этические проблемы без потери уникальных свойств, которыми обладают эмбриональные. Материалом для их выращивания служат не эмбрионы, а зрелые дифференцированные клетки пациента, которые извлекают из организма, а после проведения работ в специальной питательной среде, возвращают обратно, но уже с обновленными качествами.

Применение

Применение СТ очень широко. Определить области, где они употребляются, тяжело. Большинство ученых заявляет, что за лечением донорским биоматериалом будущее, однако дополнительные исследования следует продолжать проводить. На данный момент такие работы в большинстве своем успешные, они положительно отразились на лечении многих заболеваний. Взять, например, помощь в лечении рака, первые этапы которой уже дали надежду на выздоровление многим больным.

В медицине

Медицина не случайно возлагает огромные надежды на микротехнологии. Уже 20 лет врачи со всего мира используют мезенхимальные клетки костного мозга для лечения серьезных заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей. Донором такого материала с набором антиген может стать близкий родственник больного, у которого подходящая группа крови. Ученые проводят и другие исследования в области лечения таких заболеваний, как цирроз печени, гепатит, патологии почек, диабет, инфаркт миокарда, артроз суставов, аутоиммунные болезни.

Лечение стволовыми клетками различных заболеваний

Спектр использования в лечении поражает. Из СТ делают многие лекарства, но особым преимуществом пользуются трансплантации. Не все пересадки заканчиваются хорошо из-за индивидуального отторжения материала, но лечение в большинстве случаев успешно. Оно используется против таких недугов:

острый лейкоз (острый лимфобластный, острый миелобластный, острый недифференцированный и другие виды острого лейкоза);
хронические лейкозы (хронический миелоидный, хронический лимфоцитарный и другие типы хронического лейкоза);
патологии пролиферации миелоидного ростка (острый миелофиброз, истинная полицитемия, идиопатический миелофиброз и другие);
фагоцитарные дисфункции;
наследственные нарушения метаболизма (болезнь Гарлера, болезнь Крабе, метахромная лейкодистрофия и другие);
наследственные расстройства работы иммунной системы (дефицит адгезии лимфоцитов, болезнь Костманна и другие);
лимфопролиферативные расстройства (лимфогранулематоз, неходжкинская лимфома);
другие наследственные расстройства.

В косметологии

Методы использования стволовых клеток нашли свое применение в сфере красоты. Косметологические фирмы все больше выпускают средств с такой биологической составляющей, которая может быть, как животной, так и человеческой. В составе косметики ее маркируют как Stem Cells. Ей приписывают чудодейственные свойства: омолаживание, отбеливание, регенерация, восстановление упругости и эластичности. Некоторые салоны даже предлагают инъекции стволовых клеток, однако введение препарата под кожу будет дорогостоящим.

Выбирая то или иное средство, не ведитесь на «удочку» красивых высказываний. Данный биоматериал не имеет никакого отношения к антиоксидантам, да и провести омоложение на десяток лет за одну неделю не получится. Учтите, что такие крема и сыворотки не будут стоить копейки, ведь получение стволовых клеток - это процесс непростой и трудоемкий. Например, японские ученые пытаются заставить улиток выделять больше слизи с содержанием заветного материала в лабораториях. Вскоре эта слизь станет основой новой косметики.

Видео: Стволовая клетка

Спасибо

Стволовые клетки в настоящее время представляют собой тему весьма оживленной дискуссии, ведущейся в обществе. Наверное, нет ни одного человека, который хотя бы не слышал термина "стволовые клетки". К сожалению, помимо знания этого термина, человек, как правило ничего не может сказать о том, что же такое стволовые клетки, каковы их свойства, как их получают и почему их можно использовать для лечения ряда заболеваний.

Данная ситуация сложилась потому, что подробной и емкой информации о предмете многочисленные телевизионные передачи, форумы и рекламы не предоставляют. Чаще всего информация о стволовых клетках представляется либо по типу рекламного ролика с восхвалением и возведением их в роль панацеи от всех заболеваний, либо же в передачах рассказывают о скандалах, которые, порой невероятными способами связываются все с теми же стволовыми клетками.

То есть, ситуация со стволовыми клетками подобна неким циркулирующим слухам о чем-то таинственном, но очень сильном, что может приносить огромное благо или не менее жуткое зло. Безусловно, это неправильно, и отражает только полное отсутствие объективной и комплексной информации у людей. Рассмотрим, что же такое стволовые клетки, зачем они нужны, как их получают, какими свойствами обладают и другие вопросы, так или иначе связанные с данными биологическими объектами.

Что такое стволовые клетки?

В общем виде можно сказать, что стволовые клетки – это структуры, обладающие способностью трансформироваться во взрослые и функционально активные клетки различных органов. Из стволовых клеток может вырасти и сформироваться и клетка печени (гепатоцит), и почки (нефроцит), и сердца (кардиомиоцит), и сосуда, и кости, и хряща, и матки , и яичника и т.д. То есть, по своей сути, стволовые клетки – это своеобразные резервные запасы, из которых по мере необходимости будут формироваться новые клетки различных органов взамен погибших или поврежденных.

Однако такое определение стволовых клеток очень общее, поскольку отражает только главную характерную черту данного типа клеток, помимо которой имеется множество других свойств, определяющих их разновидности. Чтобы ориентироваться в вопросе стволовых клеток и иметь о них относительно полное представление, необходимо знать эти их характерные свойства и разновидности.

Свойства и разновидности стволовых клеток

Основным свойством любой стволовой клетки является ее потентность, определяемая степенью дифференцировки и пролиферации. Рассмотрим, что означают данные термины.

Потентность

Потентность – это строго ограниченная способность стволовой клетки превращаться в определенные виды клеток различных органов. Чем большее количество видов клеток может образоваться из стволовой, тем выше ее потентность. Например, из фибробласта (стволовая клетка соединительной ткани) могут образовываться сосуды, жировые клетки, клетки кожи, хрящей, волос и ногтей, а из мезенхимальной стволовой клетки способны сформироваться кардиомиоциты, мышечные волокна и т.д. То есть, каждая стволовая клетка, на самом деле, имеет возможность превращаться только в ограниченный спектр клеток, которые обладают некоторыми общими свойствами и функциями. Например, мезенхимальная стволовая клетка не сможет превратиться в клетку кожи или волос.

В связи с такими ограничениями потентности выделены следующие виды стволовых клеток:

Тотипотентные – способны превращаться в клетки всех без исключения органов и тканей;
Полипотентные (мультипотентные) – способны превращаться в клетки нескольких видов органов или тканей, имеющих общее эмбриональное происхождение;
Монопотентные – способны превращаться только в разновидности клеток какого-либо одного органа.

Тотипотентные или эмбриональные стволовые клетки

Тотипотентностью обладают только стволовые клетки эмбриона человека вплоть до 8-ого деления. То есть, зигота (оплодотворенная яйцеклетка) и формирующийся из нее эмбрион вплоть до того момента, пока он не будет состоять из 256 клеток. Все клетки эмбриона, пока он достигнет размера 256 клеток, и зигота, по сути, являются стволовыми. В обычных условиях получить эмбриональные клетки, обладающие тотипотентностью, очень сложно, поскольку зигота начинает делиться еще в маточной трубе , а после трансплантации в матку она уже больше 256 клеток. То есть, когда женщина узнает о беременности , зародыш уже больше 256 клеток, и, следовательно, они не обладают тотипотентностью.

В настоящее время тотипотентные стволовые клетки получают только в лабораторных условиях, производя оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом и выращивая эмбрион до нужного размера. Эмбриональные тотипотентные клетки используются в основном для экспериментов на животных и для выращивания искусственных органов.

Полипотентные стволовые клетки

Полипотентностью обладают стволовые клетки человеческого эмбриона, начиная с 8 деления и до 22 недели беременности. Каждая полипотентная стволовая клетка может превратиться только в несколько видов тканей или органов. Это связано с тем, что на стадии 256 клеток в человеческом эмбрионе начинают выделяться первичные органы и ткани. Именно эти первичные структуры в последующем дадут начало всем без исключения органам и тканям организма человека. Так, у эмбриона появляются мезенхимальные, нервные, кровяные и соединительно-тканные полипотентные стволовые клетки.

Мезенхимальные стволовые клетки

Из мезенхимальных стволовых клеток формируются внутренние органы, такие, как печень, селезенка, почки, сердце, легкие , желчный пузырь, поджелудочная железа , желудок и другие, а также скелетные мышцы. Это означает, что из одной и той же мезенхимальной стволовой клетки могут сформироваться и кардиомиоциты, и гепатоциты, и клетки желудка и т.д.

Нервные стволовые клетки

Из них, соответственно формируются все структуры нервной системы. Из полипотентной стволовой клетки крови образуются все без исключения кровяные форменные элементы, такие, как моноциты , лейкоциты , лимфоциты, тромбоциты и эритроциты . А из соединительно-тканной стволовой клетки формируются все сосуды, хрящи, кости, кожа, подкожная жировая клетчатка, связки и суставы.

Гемопоэтические стволовые клетки

Из них образуются абсолютно все клетки крови. Причем поскольку клетки крови живут довольно мало – от 90 до 120 дней, то они постоянно обновляются и заменяются в течение всей жизни человека. Замена умерших кровяных элементов происходит за счет постоянного формирования новых из гемопоэтических стволовых клеток, находящихся в костном мозгу . Такие гемопоэтические стволовые клетки сохраняются в течение всей жизни человека, а при нарушении их нормального развития у человека появляются заболевания крови, такие, как лейкоз , анемия , лимфомы и т.д.

В настоящее время полипотентные стволовые клетки используются в практической медицине довольно часто, как с целью лечения тяжелых заболевания (например, сахарного диабета , рассеянного склероза , болезни Альцгеймера и т.д.), так и омоложения. Получают полипотентные стволовые клетки из органов абортированных эмбрионов не старше 22 недели гестации. При этом стволовые клетки разделяют в зависимости от того органа, из которого они получены, например, печеночные, мозговые, кровяные и др. Наиболее часто используются клетки фетальной (эмбриональной) печени, поскольку они обладают наиболее универсальной потентностью, необходимой для лечения заболеваний различных органов, например, циррозов печени , инфаркта миокарда и т.д. Мультипотентные стволовые клетки, полученные из органов эмбрионов, также часто называют фетальными. Это название образовано от слова "фетус", которое в переводи с латинского означает плод, эмбрион.

Монопотентные стволовые клетки

После 22 недели гестации все стволовые клетки плода становятся монопотентными и закрепляются за органами и тканями. Монопотентность означает, что клетка может превратиться только в специализированные клетки того органа, в котором она находится. Например, стволовая клетка печени может превратиться только в клетки печеночных протоков или в клетки, образующие желчь, обезвреживающие токсины и т.д. Но весь ее спектр возможных превращений ограничивается только разновидностями клеток печени. Такая монопотентная клетка печени уже не сможет превратиться в клетку селезенки, сердца или любого другого органа в отличие от полипотентной. А закрепленность клеток означает, что они находятся только в этом органе и уже никогда не смогут перейти в другой.

Ребенок рождается уже именно с такими монопотентными стволовыми клетками, которые имеются в каждом органе и ткани без исключения, составляя своеобразный резерв. Из этого резерва в течение жизни образуются новые клетки каждого органа и ткани взамен поврежденных и умерших. В течение всей жизни такие стволовые клетки постепенно расходуются, но даже к моменту смерти человека от старости они еще имеются во всех органах и тканях.

Это означает, что теоретически из органов и тканей ребенка или взрослого человека можно получить только монопотентные стволовые клетки. Такие клетки обычно называют по органу, из которого они были получены, например, нервные, печеночные, желудочные, жировые, костные и т.д. Однако в костном мозгу даже взрослого человека имеется два вида полипотентных стволовых клеток – кровяная и мезенхимальная, которые в настоящее время достаточно просто получить рутинными лабораторными методиками. Для лечения различных заболеваний и омоложения чаще всего используются именно эти кровяные и мезенхимальные полипотентные стволовые клетки, полученные из костного мозга.

Пролиферация и дифференцировка стволовых клеток

Помимо перечисленного свойства потентности, каждая стволовая клетка характеризуется степенью дифференцировки и способностью к пролиферации. Рассмотрим, что означают термины пролиферация и дифференцировка.

Пролиферацией называется способность клетки делиться, то есть, размножаться. Дело в том, что каждая стволовая клетка в процессе превращения в специализированные клеточные структуры каких-либо органов и тканей проходит не только процесс созревания, но и несколько раз делится. Причем деление происходит на каждом очередном этапе созревания. То есть, из одной стволовой клетки получается от нескольких штук до нескольких сотен готовых зрелых клеток какого-либо органа или ткани.

Дифференциация – это степень узкой специализированности клетки, то есть, наличие у нее строго определенной функции, для выполнения которой они созданы. Например, узкоспециализированные клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты) созданы только для выполнения сокращений, при помощи которых производится выталкивание крови и обеспечение ее циркуляции по организму. Соответственно, клетки, имеющие свои специализированные функции, называются высокодифференцированными. А относительно универсальные клетки, не имеющие специфических функций, являются низкодифференцированными. В норме в организме человека все клетки органов и тканей являются высокодифференцированными, а к низкодифференцированным относят только монопотентные стволовые клетки. Данные клетки не имеют специфических функций, и потому являются низкодифференцированными.

Процесс превращения стволовой клетки в специализированную, обладающую четкими и определенными функциями, называется дифференцировкой, в ходе которой она превращается из низкодифференцированной в высокодифференцированную. В процессе дифференцировки стволовая клетка проходит многочисленные этапы, на каждом из которых она делится. Соответственно, чем ниже дифференциация стволовой клетки, тем большее количество этапов ей придется пройти в процессе дифференцировки, и тем большее количество раз она будет делиться.

Исходя из этого можно сформулировать следующее простое правило: чем выше потентность клетки, то есть, чем ниже степень дифференцировки, тем сильнее ее способность к пролиферации. Значит, самые низкодифференцированные тотипотентные стволовые клетки обладают наибольшей способностью к пролиферации. И поэтому из одной тотипотентной стволовой клетки образуется несколько тысяч специализированные и высокодифференцированных клеток различных органов и тканей. А самые высокодифференцированные монопотентные стволовые клетки обладают минимальной способностью к пролиферации. Поэтому из одной монопотентой клетки образуется всего несколько высокодифференцированных клеток какого-либо органа или ткани.

Типы стволовых клеток различных органов

В настоящее время у взрослого человека или ребенка стволовые клетки получают из пуповинной крови или костного мозга. Также стволовые клетки для клинических и исследовательских нужд получают из абортивного материала плодов не более 23 недель гестации. Рассмотрим, какие типы стволовых клеток получают из указанных потенциальных источников.

Стволовые клетки мозга

Данный вид клеток получают из мозга абортированных плодов на сроках 18 – 22 недели беременности. Получить мозговые стволовые клетки у менее зрелых эмбрионов технически практически невозможно ввиду их очень маленького размера.

Стволовые клетки мозга относят к нервным полипотентным, то есть, из них могут сформироваться и образоваться любые клеточные структуры нервной системы любого органа или ткани. Например, из стволовых клеток мозга могут образоваться нейроны извилин, структуры спинного мозга, нервные волокна, чувствительные и двигательные рецепторы, проводящая система сердца и т.д. В общем любая нервная клетка в любой части тела человека может сформироваться из мозговой полипотентной стволовой клетки.

Данный вид клеток обычно используют для лечения нейродегенеративных заболеваний и травматических повреждений нервов, таких, как например инсульты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, размозжение тканей, парезы , параличи , ДЦП и т.д.

Стволовые клетки печени

Стволовые клетки печени получают из соответствующего органа плодов на сроках 18 – 22 недели беременности. Данный вид стволовых клеток также называется фетальным. Получить печеночные стволовые клетки у менее зрелых эмбрионов технически практически невозможно ввиду их очень маленького размера и отсутствия у них сформировавшейся печени.

Из печени плодов получают два вида полипотентных стволовых клеток – гемопоэтические и мезенхимальные. На первом этапе получают смесь обоих видов полипотентных стволовых клеток, а затем при необходимости их разделяют. Наибольшей ценностью обладают именно мезенхимальные фетальные клетки, поскольку из них можно вырастить полноценные и функционально активные клетки различных внутренних органов, таких, как легкие, сердце, печень, селезенка, почки, матка, мочевой пузырь , желудок и т.д. В настоящее время в пробирках успешно выращивают клетки практически всех органов, добавляя в питательную среду специальные вещества, заставляющие их дифференцироваться в заданном направлении. Например, для выращивания кардиомиоцита (клетка сердца) в питательную среду добавляют 5-азацитидин, а для получения всех остальных специализированных видов клеток органов – необходимы другие химические вещества. Причем для образования клетки каждого конкретного органа необходимо добавлять в питательные среды строго определенное соединение.

Фетальные печеночные стволовые клетки используются для лечения различных тяжелых, хронических заболеваний внутренних органов, таких, как циррозы, инфаркты, недержание мочи , туберкулез легких, сахарный диабет и т.д.

Стволовые клетки из пуповинной крови

Как понятно из названия, стволовые клетки данного вида получают из пуповинной крови новорожденного младенца . В этом случае также, как и из фетальной печени, получают два вида полипотентных стволовых клеток – гемопоэтические и мезенхимальные. Причем большая часть стволовых клеток, выделенных из пуповинной крови, является гемопоэтическими.

Гемопоэтические клетки могут превращаться в любые клеточные кровяные элементы (тромбоциты, лейкоциты, эритроциты, моноциты и лимфоциты) и способствовать росту сосудов. Небольшой процент гемопоэтических стволовых клеток может превращаться в клетки кровеносных и лимфатических сосудов.

В настоящее время стволовые клетки пуповинной крови чаще всего используются для омоложения или лечения различных тяжелых, хронических заболеваний. Кроме того, многие женщины принимают решение о сборе пуповинной крови и выделении стволовых клеток для дальнейшего хранения в криобанке, чтобы можно было воспользоваться готовым материалом при необходимости.

Наиболее часто применяемая классификация стволовых клеток

В зависимости от потентности выделяют следующие разновидности стволовых клеток:

Эмбриональные стволовые клетки (обладают тотипотентностью и получаются из искусственно оплодотворенных яйцеклеток, выращенных в пробирках до необходимого срока);
Фетальные стволовые клетки (обладают мультипотентностью и получаются из абортивного материала);
Взрослые стволовые клетки (обладают мультипотентностью и получаются из пуповинной крови или костного мозга взрослого человека или ребенка).

Полипотентные стволовые клетки в зависимости от вида их дифференцировки подразделяются на следующие разновидности:

Гемопоэтические стволовые клетки (являются предшественниками абсолютно всех клеток крови сосудов);
Мезенхимальные стволовые клетки (являются предшественниками всех клеток внутренних органов и скелетных мышц);
Соединительно-тканные стволовые клетки (являются предшественниками клеток кожи, костей, жира, хрящей, связок, суставов и сосудов);
Нейрогенные стволовые клетки (являются предшественниками абсолютно всех клеток, относящихся к нервной системе).

Получение стволовых клеток

Источниками для получения стволовых клеток являются следующие биологические субстраты:

Пуповинная кровь новорожденного младенца;
Костный мозг ребенка или взрослого человека;
Периферическая кровь (из вены) после специальной стимуляции;
Абортивный материал, полученный от женщин на 2 – 12 неделях беременности;
Плоды на сроках 18 – 22 недели беременности, которые умерли в результате преждевременных родов , позднего выкидыша или аборта по социальным показаниям;
Ткани недавно умерших здоровых людей (например, смерть наступила в результате травмы и т.д.);
Жировая ткань взрослого человека или ребенка;
Оплодотворение в пробирке яйцеклетки сперматозоидом с образованием зиготы.

Наиболее часто стволовые клетки получают из пуповинной крови, костного мозга или абортивного материала. Остальные способы получения стволовых клеток используются исключительно для исследовательских целей.

Получение стволовых клеток из пуповинной и периферической крови, а также костного мозга производится при помощи одних и тех же методов. Для их получения, во-первых, забирают костный мозг (от 20 до 200 мл) в ходе пункции подвздошной кости у взрослых людей или грудины у детей. Периферическую кровь забирают из вены так же, как для переливания . А пуповинную кровь просто собирают в стерильную пробирку прямо в родильном доме, подставив ее под перерезанную пуповину младенца.

Затем кровь или костный мозг транспортируют в лабораторию, где из них выделяют стволовые клетки одним из двух возможных методов. Чаще всего применяют разделение в градиенте плотности фиколл-урографина. Для этого в пробирку наливают слой фиколла, затем поверх него аккуратно наливают урографин так, чтобы растворы не перемешались. И наконец на поверхность урографина также аккуратно наслаивают кровь или костный мозг, стараясь, чтобы он минимально смешался с двумя предыдущими растворами. Затем пробирку откручивают в центрифуге на высокой скорости не менее 8 000 оборотов в минуту, в результате чего на границе раздела фаз фиколла и урографина уплотняется и концентрируется тонкое кольцо стволовых клеток. Это кольцо аккуратно собирают пипеткой в другую стерильную пробирку. Затем в нее наливают питательную среду и еще несколько раз откручивают на центрифуге, чтобы удалить все случайно попавшие в кольцо нестволовые клетки. Готовые стволовые клетки или помещают в питательную среду для дальнейшего выращивания (культивирования), или замораживают в жидком азоте для длительного хранения, или разбалтывают в физиологическом растворе и вводят в виде инъекции человеку, проходящему курс клеточной терапии.

Вторым, менее распространенным методом получения стволовых клеток является обработка крови или костного мозга лизирующим буфером. Лизирующий буфер – это специальный раствор со строго подобранными концентрациями солей, которые вызывают гибель всех клеток, кроме стволовых. Для выделения стволовых клеток кровь или костный мозг смешивают с лизирующим буфером и оставляют на 15 – 30 минут, после чего откручивают на центрифуге. Собравшийся на дне пробирки шарик и есть стволовые клетки. Всю жидкость, находящуюся над шариком клеток сливают, в пробирку заливают питательную среду и еще несколько раз откручивают на центрифуге, чтобы удалить все случайно попавшие ненужные клетки. Готовые стволовые клетки используют так же, как и полученные методом разделения на градиенте плотности фиколл-урографина.

Получение стволовых клеток из абортивного материала, тканей умерших людей или жира живых взрослых или детей является более трудоемкой процедурой, которую используют только хорошо оснащенные лаборатории или научные учреждения. В ходе выделения клеток производится обработка материала специальными ферментами, которые разрушают целостность тканей и превращают их в одну аморфную массу. Данную массу по частям обрабатывают лизирующим буфером и далее выделяют стволовые клетки так же, как и из крови или костного мозга.

Стволовые клетки из плодов 18 – 22 недель беременности получить так же просто, как и из крови или костного мозга. Дело в том, что стволовые клетки в данном случае получают не из всего плода, а только из печени, селезенки или головного мозга. Ткани органов измельчают механически, после чего разбалтывают в физиологическом растворе или питательной среде. Затем получают стволовые клетки либо при помощи лизирующего буфера, либо разделением на градиенте плотности фиколл-урографина.

Получение стволовых клеток методом оплодотворения яйцеклетки используется только в научных учреждениях. Этот метод доступен только высококвалифицированным ученым - клеточным биологам. Обычно таким образом получают эмбриональные стволовые клетки для экспериментальных исследований. А яйцеклетки и сперматозоиды забирают у здоровых женщин и мужчин, согласившихся стать донорами. За такое донорство научные учреждения выплачивают весьма ощутимое вознаграждение – не менее 3 – 4 тысяч долларов за порцию спермы мужчины и несколько яйцеклеток женщины, которые удастся забрать в ходе одной пункции яичника .

Выращивание стволовых клеток

Термин "выращивание" стволовых клеток не совсем правильный, однако его вполне можно использовать для обиходной речи. Ученые обычно для описания данной процедуры используют термин "культивирование стволовых клеток". Культивация или выращивание стволовых клеток – это процесс поддержания их жизни в специальных растворах, содержащих питательные вещества (питательных средах).

В ходе культивации количество стволовых клеток постепенно увеличивается, вследствие чего каждые 3 недели содержимое одного флакона с питательной средой разделяют на 2 или 3. Такая культивация стволовых клеток может производиться сколько угодно долго, если имеется необходимое оборудование и питательные среды. Однако на практике стволовые клетки не удается размножить до большого количества, поскольку очень часто происходит их заражение различными патогенными микробами, попавшими случайно в воздух лабораторного помещения. Такие зараженные стволовые клетки использовать и культивировать уже нельзя, и их просто выбрасывают.

Следует помнить, что выращивание стволовых клеток – это всего лишь увеличение их количества. Невозможно вырастить стволовые клетки из нестволовых.

Обычно стволовые клетки культивируют до тех пор, пока их число не окажется достаточным для выполнения лечебной инъекции или постановки эксперимента. Также клетки могут культивировать перед замораживанием в жидком азоте, чтобы запас был побольше.

Отдельно стоит сказать о специальной культивации стволовых клеток, когда в питательную среду добавляют различные соединения, которые способствуют дифференцировке в определенный тип клеток, например, кардиомиоциты или гепатоциты и т.д.

Использование стволовых клеток

В настоящее время использование стволовых клеток делится на три сферы – это экспериментальные исследования, лечение различных заболеваний и омоложение. Причем сфера экспериментальных исследований занимает не менее 90% общего пула использования стволовых клеток. В ходе экспериментов врачи-биологи изучают возможность перепрограммирования и расширения потентности клеток, способы их превращения в различные специализированные клетки различных органов, методы выращивания целых органов и т.д. В экспериментальной сфере использования стволовых клеток прогресс идет буквально семимильными шагами, поскольку каждый день ученые сообщают о новых достижениях. Так, уже были выращены нормально функционирующие сердце и печень из стволовых клеток. Правда эти органы не пробовали кому-либо пересаживать, но это произойдет уже в обозримом будущем. Соответственно, решится проблема донорских органов для людей, которым требуется трансплантация. Уже реальностью является использование клапанов сосудов и сердца, выращенных из стволовых клеток, для протезирования .

Использование стволовых клеток для лечения различных заболеваний проводится в рамках ограниченных клинических испытаний, когда больному предлагается данный вариант и объясняется, какие положительные моменты и риски это может повлечь. Обычно стволовые клетки применяют только для терапии тяжелых, хронических и неизлечимых другими методами заболеваний, когда шансов на выживание и хоть небольшое улучшение состояния практически нет. Благодаря таким клиническим испытаниям врачи получают возможность видеть, каковы эффекты стволовых клеток, и какие побочные действия может вызывать их использование. На основании результатов наблюдений разрабатываются наиболее безопасные и эффективные клинические протоколы, в которых прописываются рекомендованные дозировки стволовых клеток (общее вводимое количество в штуках), места и способы введения, а также оптимальные сроки терапии и ожидаемые эффекты.

С целью омоложения стволовые клетки могут вводить в подкожную клетчатку или в структуры кожи, а также внутривенно. Такое применения стволовых клеток позволяет уменьшить видимые признаки возрастных изменений на некоторый промежуток времени. Для поддержания длительного эффекта стволовые клетки придется вводить периодически через индивидуально подобранные интервалы. В принципе, данная манипуляция при правильном выполнении является безопасной.

Лечение стволовыми клетками различных заболеваний – общие принципы и эффекты

Для лечения различных заболеваний чаще всего используют стволовые клетки, полученные из костного мозга самого пациента. Для этого сначала в ходе пункции забирают необходимый объем костного мозга (от 20 мл до 200 мл), из которого в специализированной лаборатории выделяют стволовые клетки. Если их недостаточно, то производится культивирование до тех пор, пока клетки не размножатся до необходимого количества. Также поступают, если планируют сделать несколько введений стволовых клеток на курс лечения. Культивация позволяет получить необходимое количество стволовых клеток без повторных пункций костного мозга.

Кроме того, достаточно часто применяют стволовые клетки из костного мозга донора, в качестве которого обычно выступают кровные родственники. В таком случае для устранения риска отторжения перед введением клеток их культивируют на питательной среде минимум 21 день. Такая длительная культивация приводит к потере индивидуальных антигенов, и клетки уже не будут вызывать реакции отторжения.

Реже используют стволовые клетки печени, поскольку их необходимо покупать. Чаще всего данный вид клеток используют для омоложения.

Готовые стволовые клетки вводят в организм различными способами. Причем введение стволовых клеток называется трансплантацией, которая производится различными путями в зависимости от заболевания. Так, при болезни Альцгеймера стволовые клетки трансплантируют в спинномозговую жидкость при помощи люмбальной пункции. При заболеваниях внутренних органов клетки трансплантируются следующими основными способами:

Внутривенное введение стволовых клеток, разболтанных в стерильном физиологическом растворе;
Введение стволовых клеток в сосуды пораженного органа при помощи специального оборудования;
Введение стволовых клеток непосредственно в пораженный орган в ходе оперативного вмешательства;
Введение стволовых клеток внутримышечно в непосредственной близости от пораженного органа;
Введение стволовых клеток подкожно или внутрикожно.

Чаще всего клетки вводят внутривенно. Но в каждом конкретном случае метод выбирается врачом, исходя из общего состояния человека и желаемого эффекта.

Клеточная терапия (лечение стволовыми клетками) во всех случаях приводит к улучшению состояния человека, частично восстанавливает утраченные функции, повышает качество жизни, уменьшает скорость прогрессирования заболевания и развития осложнений.

Однако следует помнить, что лечение стволовыми клетками не является панацеей, оно не сможет исцелить полностью или отменить традиционной терапии. На современном этапе развития науки стволовые клетки могут использоваться только в качестве дополнения к традиционной терапии. Когда-нибудь, возможно, будут разработаны способы лечения только при помощи стволовых клеток, но сегодня это мечта. Поэтому принимая решение об использовании стволовых клеток, помните, что отменять всю остальную терапию тяжелого хронического заболевания нельзя. Трансплантация клеток только улучшит состояние и повысит эффективность традиционной терапии.

Лечение стволовыми клетками: основные проблемы - видео

Стволовые клетки: история открытия, виды, роль в организме, получение и особенности лечения - видео

Банк стволовых клеток

Банк стволовых клеток – это специализированная лаборатория, оснащенная оборудованием для их получения и длительного хранения в жидком азоте. В банках стволовых клеток можно хранить пуповинную кровь или собственные клетки, оставшиеся от какой-либо манипуляции. Каждый банк стволовых клеток имеет свои расценки на услуги, которые могут существенно отличаться. Однако рекомендуется выбирать такую организацию не по прайс-листу, а по профессионализму сотрудников и степени оснащенности оборудованием.

В настоящее время практически во всех крупных городах России имеются подобные банки, которые предлагают свои услуги физическим и юридическим лицам.

Перед применением необходимо проконсультироваться со специалистом.

Искусственные человеческие органы скоро станут выращивать в строящейся при Военно-медицинской академии имени Кирова клинике в Санкт-Петербурге. Решение о строительстве клиники принял министр обороны. Многопрофильный центр планируют оснастить самым современным оборудованием, которое позволит самым подробным образом изучать стволовые клетки. Научно-технический отдел, который займётся клеточными технологиями, уже сформирован.

«Основным направлением работы отдела станет создание биологического банка и создание возможностей для выращивания искусственных органов, - говорит начальник отдела организации научной работы и подготовки научно-педагогических кадров академии Евгений Ивченко. - Российские учёные давно работают над искусственными органами».

Два года назад завотделом Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова Мурат Шагидулин сообщил о создании искусственного аналога печени, пригодного для пересадки. Учёные смогли получить искусственную печень и протестировать её в доклинических условиях. Орган вырастили на основе бесклеточного каркаса печени, из которой заранее по специальной технологии удалили все ткани. Остались только белковые структуры кровеносных сосудов и других компонентов органа. Каркас засеяли аутологичными клетками костного мозга и печени. Эксперименты на животных показали: если выращенный элемент имплантировали в печень или брызжейку тонкой кишки, он способствовал регенерации тканей и давал полное восстановление функции повреждённого органа. Животные представляли собой модели острой и хронической печёночной недостаточности. И выращенный элемент позволял увеличить выживаемость в два раза. Спустя год после имплантации все животные были ещё живы. Между тем в контрольной группе умерло около 50% особей. Через семь дней после имплантации в основной группе биохимические показатели функции печени уже были на уровне нормы. По прошествии 90 дней после пересадки в брызжейку тонкой кишки учёные нашли там жизнеспособные гепатоциты и новые сосуды, которые проросли через каркас элемента.

«Исследования в области создания таких сложных биоинженерных органов, как печень, почки, лёгкие и сердце, в последние годы ведутся в ведущих научных лабораториях США и Японии, но дальше стадии изучения на животной модели они пока не продвинулись, - комментирует заведующий отделом экспериментальной трансплантологии и искусственных органов Центра Мурат Шагидулин. - Наши опыты на животных прошли хорошо. Спустя три месяца после трансплантации в телах животных обнаружили здоровые клетки печени и новые кровеносные сосуды. Это говорило о протекавшем процессе регенерации пересаженной печени и том, что она прижилась».

Японские учёные из Университета Йокогамы сумели вырастить печень размером в несколько миллиметров. Они смогли сделать это благодаря индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (iPSCs). Выращенная печень работает как полноценный орган. По словам руководителя исследовательской группы профессора Хидэки Танигути, минипечень справляется с переработкой вредных веществ столь же эффективно, что и реальный человеческий орган. Учёные надеются начать клинические испытания искусственной печени в 2019 г. Новые, созданные в лаборатории органы, будут пересаживать пациентам с тяжёлыми заболеваниями печени для поддержания её нормальных функций.

Несколько ранее японские учёные лабораторным путём почти приблизились к новейшему открытию - созданию полностью функционирующих почек, способных заменить настоящие. До этого прототипы искусственной почки создавались. Но им не удавалось нормально выводить мочу (раздувались от давления). Однако японцы исправили ситуацию. Специалисты уже вполне успешно пересаживают искусственные почки свиньям и крысам.
Доктор Такаси Йооко и его коллеги из Медицинской школы Университета Дзинкей использовали стволовые клетки, но не просто вырастили ткани почки, а вырастили и дренажную трубку, и мочевой пузырь. В свою очередь, крысы, а потом и свиньи, были инкубаторами, в которых уже развивалась и росла эмбриональная ткань. Когда новую почку соединили с существовавшим в теле животных мочевым пузырем, система заработала в целом. Моча шла из пересаженной почки в пересаженный мочевой пузырь, и лишь после этого она попадала в мочевой пузырь животного. Как показали наблюдения, система работала и через восемь недель после трансплантации.

По словам учёных, в перспективе, возможно, удастся создать и полноценные имплантаты голосовых связок для людей. Исследователи собрали фрагменты ткани четырёх людей, страдающих проблемами с голосовыми связками. Этим пациентам связки были удалены. Была также забрана ткань у одного умершего донора. Специалисты изолировали, очистили и вырастили клетки слизистой оболочки в особой трёхмерной структуре, имитирующей среду тела человека. Примерно за две недели клетки срослись и сформировали ткань, напоминающую по эластичности и клейкости реальные голосовые связки. Потом специалисты присоединили полученные голосовые связки к искусственной трахее и пропустили через них увлажнённый воздух. Когда воздух доходил до связок, ткани вибрировали и продуцировали звук, как бы это происходило при нормальных условиях в организме. В ближайшее время врачи ждут закрепления полученного результата на нуждающихся в нём людях.

Возможность вырастить человеческий орган в пробирке и пересадить его человеку, нуждающемуся в пересадке — мечта трансплантологов. Ученые по всему миру работают над этим и уже научились делать ткани, небольшие работающие копии органов, и до полноценных запасных глаз, легких и почек нам на самом деле осталось совсем немного. Пока что органеллы используются в основном в научных целях, их выращивают, чтобы понять, как работают органы, как развиваются болезни. Но от этого до трансплантации всего несколько шагов. МедНовости собрали сведения о самых перспективных проектах.

Легкие . Ученые из Техасского университета вырастили легкие человека в биореакторе. Правда, без кровеносных сосудов такие легкие не функциональны. Однако команда ученых из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center, New York) недавно впервые в мире получили функциональное легкое с перфузируемой и здоровой сосудистой системой у грызунов ex vivo.

Ткани сердечной мышцы . Биоинженерам из университета Мичигана удалось вырастить в пробирке кусок мышечной ткани. Правда, полноценно сердце из такой ткани пока работать не сможет, она вдвое слабее оригинала. Тем не менее пока это самый сильный образец сердечной ткани.

Кости . Израильская биотехнологическая компания Bonus BioGroup использовалат трехмерные сканы для создания гелеобразного каркаса кости перед посевом стволовыми клетками, взятыми из жира. Кости, получившиеся в результате, они успешно пересадили грызунам. Уже планируются эксперименты по выращиванию человеческих костей по этой же технологии.

Ткани желудка . Ученым под руководством Джеймса Уэллса из Детского медицинского клинического центра в Цинциннати (Огайо) удалось вырастить «в пробирке» трехмерные структуры человеческого желудка при помощи эмбриональных стволовых клеток и из плюрипотентных клеток взрослого человека, перепрограммированных в стволовые. Эти структуры оказались способны вырабатывать все необходимые человеку кислоты и пищеварительные ферменты.

Японские ученые вырастили глаз в чашке Петри . Искусственно выращенный глаз содержал основные слои сетчатки: пигментный эпителий, фоторецепторы, ганглионарные клетки и другие. Трансплантировать его целиком пока возможности нет, а вот пересадка тканей — весьма перспективное направление . В качестве исходного материала были использованы эмбриональные стволовые клетки.

Ученые из корпорации Genentech вырастили простату из одной клетки . Молекулярным биологам из Калифорнии удалось вырастить целый орган из единственной клетки.
Ученым удалось найти единственную мощную стволовую клетку в простатической ткани, которая способна вырасти в целый орган. Таких клеток оказалось чуть меньше 1% от общего числа. В исследовании 97 мышам трансплантировали такую клетку под почку и у 14 из них выросла полноценная простата, способная нормально функционировать. Точно такую же популяцию клеток биологи нашли и в простате человека, правда, в концентрации всего 0,2%.

Сердечные клапаны . Швейцарские ученые доктор Саймон Хоерстрап (Simon Hoerstrup) и Дорта Шмидт (Dorthe Schmidt) из университета Цюриха (University of Zurich) смогли вырастить человеческие сердечные клапаны , воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Теперь медики смогут выращивать клапаны сердца специально для неродившегося еще ребенка, если у него еще в зародышевом состоянии обнаружатся дефекты сердца.

Ушная раковина . Используя стволовые клетки, ученые вырастили . Эксперимент был проведен исследователями из Университета Токио (University of Tokyo) И Университета Киото (Kyoto University) под руководством Томаса Сервантеса (Thomas Cervantes).

Кожа. Ученые из Цюрихского университета (Швейцария) и университетской детской больницы этого города впервые сумели вырастить в лаборатории человеческую кожу, пронизанную кровеносными и лимфатическими сосудами . Полученный кожный лоскут способен почти полностью выполнять функцию здоровой кожи при ожогах, хирургических дефектах или кожных болезнях.

Поджелудочная железа . Ученые впервые создали , способные вырабатывать инсулин. Еще одна попытка вылечить диабет I типа.

Почки . Ученые из австралийского университета Квинсленда научились выращивать искусственные почки из стволовых клеток кожи. Пока это лишь маленькие органоиды размером 1 см, но по устройству и функционированию они практически идентичны почкам взрослого человека.

Разделы