Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем - Льюис Уолперт

Все наши кровяные клетки берут начало из стволовых кровяных клеток, находящихся в костном мозге вместе с теми стволовыми клетками, которые сформировались у нас в печени, когда мы были эмбрионами. Эти стволовые клетки делятся, и их дочерние клетки способны породить любой из нескольких типов кровяных клеток, имеющихся в нашем организме, — прежде всего красные кровяные клетки.

Стволовые клетки также порождают клетки иммунной системы и другие виды клеток, содержащиеся в крови, — такие, как макрофаги, которые обволакивают и уничтожают чужеродные элементы, попадающие в кровь, например бактерии и вирусы, и тромбоциты, которые обеспечивают свертываемость крови в тех местах, где возникают раны или порезы. Стволовые клетки крови, кроме того, производят клетки, которые играют важную роль в формировании костей, когда в ходе развития зародыша создается костная система или когда выявлено повреждение в кости.

Основным типом клетки, порождаемым стволовыми кровяными клетками, является красная кровяная клетка, которая содержит в себе белок гемоглобин, позволяющий переносить кислород из легких в ткани. Красные кровяные клетки имеют ограниченный срок жизни — около 120 дней, и поразительным является то, что каждую секунду наш костный мозг производит два миллиона новых красных кровяных клеток. Красные кровяные клетки не способны делиться, так как они лишены ядра, митохондрий и некоторых других элементов и в них остался в основном лишь гемоглобин. Продукты жизнедеятельности красных кровяных клеток утилизируются макрофагами.

Откуда стволовые клетки узнают, какой именно тип кровяных клеток необходимо произвести и как развиваются эти кровяные клетки? Стволовая клетка имеет в своем составе гены, позволяющие приступить к формированию новых кровяных клеток; производство какого-то определенного типа кровяных клеток требует провести активацию тех генов, которые нужны для их синтеза, и деактивацию других генов — необходимых для производства иных типов кровяных клеток. Эти процессы контролируются двумя сотнями транскрипционных факторов, управляющих активностью гена. Находящиеся вне стволовых клеток белки контролируют, насколько быстро и часто будут делиться стволовые клетки и какой именно тип клеток разовьется из них. Стволовые клетки получают также сигналы издалека: когда организм чувствуют нехватку кислорода, производство красных кровяных клеток стимулируется гормоном, который вырабатывается в почках.

Внешний слой нашей кожи меняется за время жизни человека около тысячи раз. Это происходит благодаря стволовым клеткам, которые порождают клетки кожи и способны неоднократно повторять этот процесс. Стволовые клетки находятся в глубинных слоях кожи и в основании волосяных луковиц. Они порождают кератиноциты, клетки кожи внешнего кожного покрова, которые перемещаются к поверхности кожи. Белок кератин скрепляет их воедино, благодаря чему они образуют внешний защитный слой. Эти клетки все время отмирают и спадают с нашего тела — они один из источников пыли в доме.

Стволовые клетки, находящиеся в основании волосяных луковиц, могут порождать и клетки волос, и клетки кожи. Слой клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кишечника, также обновляется каждую неделю, и это тоже заслуга стволовых клеток. Еще одним примером являются клетки в носу, способные распознавать запахи. Стволовые клетки, существующие в определенных частях головного мозга, способны порождать нервные клетки. Стволовые клетки располагаются также вблизи наших мускулов, и если мускул повреждается, то они превращаются в новые мускульные клетки.

Механизм, который определяет, что одна из двух дочерних клеток станет стволовой клеткой, до сих пор до конца не ясен. Существует теория, согласно которой то, какие типы клеток будут образовываться при делении стволовых клеток, и то, как будут затем развиваться дочерние стволовые клетки, определяют клетки, окружающие нишу со стволовыми клетками. От самих же стволовых клеток зависит, какая из двух дочерних клеток останется стволовой.

Впрочем, все, может быть, организовано совсем иначе и механизм, который определяет будущее нарождающейся клетки, базируется на том, что во время разделения материнской стволовой клетки набор специальных белков не разделяется между двумя дочерними клетками, а отходит только к одной из них. И, как уже отмечалось ранее, возможно такое деление материнской стволовой клетки, когда образуются две дочерние стволовые клетки-близнецы. Это происходит при необходимости увеличить количество стволовых клеток в определенных местах организма.

Отвечающие за регенерацию тканей у взрослых стволовые клетки, которые воспроизводят клетки крови, внутренней поверхности кишечника, кожи, нервов, могут породить лишь весьма ограниченное число разновидностей новых клеток. Они способны действовать только в весьма специфической среде — им требуется для функционирования особая ниша; хотя стволовые клетки крови присутствуют в крови, там они действовать не могут. Но можно ли заставить эти стволовые клетки производить те разновидности клеток, которые они обычно не производят? Могут ли стволовые клетки крови порождать, например, нервные клетки? Некоторые исследователи утверждают, что при изменении условий стволовые клетки на это способны. Промелькнуло сообщение о том, что нервные стволовые клетки, пересаженные мыши, породили в ее костном мозгу стволовые кровяные клетки, которые стали в свою очередь делиться и создавать клетки крови. Однако достоверно подтвердить эти данные не удалось.

Другие исследователи заявляли, что когда они культивировали клетки костного мозга в искусственной питательной среде, то те вели себя так, словно они могли породить иные разновидности клеток, не относящиеся к клеткам крови. Однако эти данные также не поддаются убедительному подтверждению. Заявления о том, что стволовые клетки крови могут регенерировать поврежденные ткани печени, возникшие вследствие наличия дефектного гена, были вызваны в действительности тем, что введенные в организм стволовые клетки смешивались с клетками печени и обеспечивали их здоровыми генами.

Стволовые клетки эмбриона не сталкиваются с подобными проблемами. Они значительно отличаются от тех клеток, которые позволяют обновлять ткани взрослого человека. Их способность превращаться в практически любые типы клеток почти неограниченна: они могут произвести любой тип клеток нашего тела. Каждая наша клетка произошла от этих стволовых клеток, когда мы были эмбрионами. Стволовые клетки эмбриона, взятые из тканей эмбриона на ранней стадии его развития, способны создать любые типы тканей нашего тела, и поэтому их относят к числу клеток, обладающих мультипотенцией.

Если эти клетки поместить в искусственную питательную среду и снабдить нормальным питанием, то он начнут безгранично разрастаться, делясь каждые двенадцать часов. Более того — и это самое важное, — они сохранят при этом мультипотенцию. Видоизменяя условия искусственной среды, в которых растут и размножаются эмбриональные стволовые клетки, можно заставить их развиться в специализированные типы клеток — нервные, мышечные и клетки крови. Стволовые клетки эмбриона мыши могут даже породить яйцеклетки.

Ученым лишь частично понятно, каким образом поддерживается мультипотенция этих клеток. Чтобы не позволить стволовым клеткам развиться в различные типы клеток и сохранить их способность к самовоспроизводству, необходимы соответствующие гены, которые уже удалось идентифицировать, и питательная среда.

В большинстве экспериментов забор стволовых клеток из эмбриона, находящегося на ранней стадии развития, приводил к его гибели. Однако при наличии правильно подобранной искусственной среды можно забрать от эмбриона, не нанеся ему никакого вреда, всего одну стволовую клетку и впоследствии превратить ее в целую культуру клеток.

В принципе стволовые клетки, взятые от эмбриона, могут использоваться для целей восстановительной медицины и восстанавливать функции ткани, когда определенные типы клеток отсутствуют или повреждены. Возможно, наиболее важное потенциальное применение человеческих стволовых клеток — воспроизводство на их основе клеток и тканей для использования в клеточной терапии. Сейчас для того, чтобы заменить состарившиеся или пришедшие в негодность органы, применяются донорские органы и ткани, однако потребность в них значительно превышает предложение. Стволовые клетки же способны дать возобновляемые источники клеток и тканей и послужить победе над болезнями Паркинсона и Альцгеймера, поражениями спинного мозга, инсультами, заболеваниями сердца, диабетом, остеоартритом и ревматоидным артритом.

Болезнь Паркинсона обусловлена постепенной утратой особого набора клеток, которые используют химическое вещество допамин, чтобы передавать сигналы другим нервам. Она приводит к тремору и потере равновесия. Пересадка эмбриональных стволовых клеток, которые вырабатывают допамин, вызывает значительное улучшение состояния пациентов. Однако пока все еще не получается с помощью стволовых клеток выращивать у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, утраченные нервные клетки.