«ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ...»
Нормативные документы
Противодействие коррупции
Поступающим
Студентам
Выпускникам
Проект 5-100
Аккредитация специалистов
Возможности и проблемы использования человеческих плюрипотентных стволовых клеток 19.10.2009

Возможности и проблемы использования человеческих плюрипотентных стволовых клеток

Возможности и проблемы использования человеческих плюрипотентных стволовых клеток в биологии развития кроветворения и регенеративной медицине

Перевод обзора Thorsten M. Schlaeger*, PhD, and Xiao Guan**, PhD, опубликованного в журнале The Hematologist в октябре 2009 г.
*Руководитель Программы по стволовым клеткам в детском госпитале Бостона (Children’s Hospital Boston), специалист Института Стволовых Клеток в Гарварде (Harvard Stem Cell Institute)
** Исполнитель Программы по стволовым клеткам в детском госпитале Бостона


Плюрипотентные стволовые клетки мыши

Характерными свойствами плюрипотентных стволовых клеток (ПСК) являются их неограниченная способность к делению и к дифференцировке во все типы клеток организма. Эмбриональные стволовые клетки мыши (ЭСК) получают из раннего эпибласта (наружный слой клеток у зародыша на самых первых этапах развития). Впервые эти клетки были выделены в 1981 г. [1] и с тех пор успешно используются in vitro в качестве моделей развития млекопитающих. Ключевым моментом кроветворения является дифференциация ПСК в гемангиобласты [2], эритроциты [3], лимфо-гематопоэтические прогениторные клетки [4] и гемопоэтические стволовые клетки (ГСК или КСК – кроветворные стволовые клетки) [5].

Мышиные ЭСК также служат объектом многочисленных исследований функций генов и для проверки терапевтической эффективности препаратов для лечения дегенеративных расстройств, таких как иммунодефициты [6] и серповидноклеточная анемия [7]. Следует, однако, заметить, что некоторые специфические гематологические аспекты биологии и патологии человека на мышах воспроизводятся неадекватно. Примерами этого могут послужить различные патологии, такие как анемия Фанкони, трисомия по 21 хромосоме, ассоциированная с острой миелогенной лейкемией, а также трудно диагностируемые генетические синдромы (например, тромбоцитопения и аплазия лучевой кости). Кроме того, модели на мышах зачастую неадекватно реагируют на действие ряда фармацевтических препаратов, таких как TNF-alpha (ФНО-альфа – фактор некроза опухоли альфа), IFN-gamma (интерферон гамма), EPO (эритропоэтин) и камптотецины.

Плюрипотентные стволовые клетки человека

Человеческие плюрипотентные ЭСК, выделенные из позднего эпибласта, были впервые получены в 1998 г., что стало величайшим открытием биологии за последнее десятилетие [8]. Недавно был совершен другой прорыв в науке: прямое перепрограммирование дифференцированных человеческих соматических клеток в так называемые индуцированные ПСК (иПСК) посредством усиленной экспрессии генов плюрипотентности [9-11]. Применение иПСК вместо ЭСК снимает этические ограничения на использование эмбрионального материала. Перепрограммирование является захватывающим процессом, изучение которого, несомненно, будет продолжаться для развития понимания биологии стволовых клеток, регулирования клеточной программы, борьбы с онкологическими заболеваниями и старением.


Рисунок.
ЭСК (ESC, embryonic stem cells) человека могут быть выделены из эмбрионов, полученных путем экстракорпорального оплодотворения (1), в то время как иПСК (iPSC, induced pluripotent stem cells), могут быть получены путем прямого перепрограммирования соматических клеток, например, фибробластов кожи (2). Независимо от происхождения, эти ПСК обладают способностью давать начало всем типам соматических клеток, в том числе клеткам гемопоэтического ряда (HSC, hematopoietic stem cells) (3), благодаря чему появляется возможность изучать развитие тканей человеческого организма in vitro. Соматические клетки, полученные из ПСК, могут быть использованы как модельные объекты для изучения таких заболеваний, как лейкемия (4), для скрининга лекарственных препаратов (5) или в качестве агента клеточной терапии (6).

Использование человеческих ПСК для исследования онтогенеза гемопоэтических клеток (ГСК)

Вооружившись результатами исследований моделей на мышах, ученые получили возможность осуществить направленную дифференциацию человеческих ПСК в гемангиобласты [12], мультипотентные прогениторные клетки [13], лимфоидные клетки [14] и даже в гемопоэтические (кроветворные) стволовые клетки (ГСК) [15]. Однако все же имеется ряд проблем. Например, при дифференциации in vitro все стволовые клетки имеют тенденцию дифференцироваться, в результате чего их количество стремительно сокращается. В частности, образование зрелых эритроидных клеток или истинных ГСК пока увенчалось незначительным успехом. Более того, во многих исследованиях имеет место произвольное использование реагентов с неопределенным составом, таких как сыворотка животных или питающие (фидерные) клетки, которые могут мешать адекватной оценке процесса развития стволовых клеток и затруднять клиническое применение результатов таких наблюдений. Только сейчас мы начинаем понимать, почему отдельные линии стволовых клеток могут значительно различаться по способности образовывать специфические клоны. Этот факт ограничивает наши возможности в обобщении результатов, полученных на любом ограниченном множестве линий.

Использование человеческих ПСК для изучения заболеваний системы кроветворения и онкогенеза

Ученым удалось получить нормальные гемопоэтические прогениторные клетки с исправленным генетическим дефектом от пациентов, страдающих анемией Фанкони, используя технологию индукции плюрипотентности [16]. Кроме того, были получены и в настоящее время активно изучаются человеческие ЭСК и иПСК, выделенные из эмбрионов с врожденными генетическими дефектами и изолированные из организма пациентов с трисомией по 21 хромосоме, SCID (тяжелые комбинированные иммунодефициты), SBDS (Shwachman-Bodian-Diamond syndrome) и талассемией [17, 18]. Технологии, основанные на использовании человеческих ПСК, имеют особое значение, поскольку позволяют проводить моделирование заболеваний с неизвестной генетической этиологией, а также заболеваний, являющихся результатом соматических мутаций в отдельных тканях организма (например, лейкемия) [19]. Было бы интересно узнать, может ли многоступенчатое развитие пролиферативных нарушений быть воспроизведено in vitro и сможет ли скрининг на таких моделях способствовать усовершенствованию методов лечения. Кроме того, технология иПСК может быть использована для получения генетически разнообразных клонов человеческих клеток для тестирования токсичности лекарственных препаратов.

Терапевтическое применение человеческих ПСК

Считается, что аутологичные клетки пациента могут быть получены, подвержены в случае необходимости генетической репарации, индуцированы к дифференциации в терапевтически значимые типы клеток и затем трансплантированы для замены или улучшения качества поврежденных клеток или тканей. Полученные из ПСК гемопоэтические стволовые клетки могут быть полезны тем, кто нуждается в трансплантации костного мозга, поскольку поиск подходящего донора остается главным препятствием таких операций.

В отличие от традиционных трансплантаций костного мозга, КСК, дифференцированные из иПСК от одного здорового донора, могут быть введены нескольким реципиентам. При этом они не будут содержать лимфоцитов и, следовательно, не будут провоцировать развитие реакции трансплантат против хозяина (РТПХ). Дополнительными клиническими преимуществами таких КСК является индукция толерантности к солидным тканевым трансплантатам и препятствие развитию аутоиммунных реакций [20]. На сегодняшний день полученные из плюрипотентных клеток ГСК еще не вошли в клиническую практику, и в настоящее время можно говорить лишь о прогентирных глиальных клетках (предшественниках олигодендроцитов), полученных из ЭСК и проходящих клинические испытания в терапии повреждений костного мозга. Эти испытания проводит американская биотехнологическая корпорация Geron, лидер в экспериментальной терапии травм спинного мозга.

Основная задача этого пилотного испытания – оценить безопасность применения таких клеток, поскольку остаточные недифференцированные ПСК могут присутствовать в любом лекарственном препарате, произведенном на основе ПСК, и спровоцировать у реципиента появление тератом – доброкачественных опухолей, состоящих из различных дифференцированных соматических клеток [8]. По этой причине первостепенное внимание уделяется тщательной очистке дифференцированных клеток. С целью повышения безопасности клетки можно инкапсулировать или подвергать облучению накануне трансплантации, но это приведет к существенному снижению эффективности и увеличению продолжительности лечения. В то же время, эритроциты, полученные из человеческих ПСК, не теряют своей функциональной активности при облучении, уничтожающем оставшиеся в культуре недифференцированные стволовые клетки.

Терапевтические эффекты облученных эритроидных клеток неизбежно будут транзиторными, как и в случае с традиционным переливанием крови. Однако сочетание запросов клинической практики, отсутствия ограничений по HLA-совместимости и возможности достичь безопасности самой процедуры посредством облучения, вполне вероятно, будут способствовать тому, что эритроциты, полученные из ПСК, станут одним из первых успешных событий в клинической практике. В действительности их крупномасштабное производство вполне осуществимо [21], и консорциум во главе с Шотландской Государственной Службой Переливания Крови (Scottish National Blood Transfusion Service) нацелен на производство клинически значимых универсальных донорских эритроцитов [22].

Перспективы

Продвижение методов лечения, основанных на ПСК человека, сталкивается с рядом трудностей, такими как финансовые ограничения на получение и использование генетически модифицированных клеток, неопределенность перспектив по вопросу интеллектуальной собственности, неразвитость регуляторной базы в сфере таких методов лечения. Ученые пытаются найти безопасные и эффективные методы производства специфических для пациентов ЭСК или иПСК, а также их эффективной последующей дифференцировки в пригодные для трансплантации клетки.

В других публикациях авторы ставят вопрос о том, равноценны ли человеческие иПСК обыкновенным ЭСК (имеются доказательства, что такие различия существуют и это требует дальнейшего изучения), а также обращают внимание на недостаток данных долгосрочных клинических испытаний. Однако, несмотря на то, что эти трудности, вместе взятые, могут быть препятствием на пути продвижения новой технологии, каждая из них по отдельности может быть преодолена. Следует вспомнить, что от первого этапа разработки моноклональных антител до их успешного широкомасштабного применения в клинической практике прошло несколько десятилетий. При достаточном количестве времени и финансовых вложений технология, основанная на использовании ПСК человека, может совершить революционный переворот в регенеративной медицине.

Список литературы:
1. Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 1981;292:154-6.
2. Choi K, Kennedy M, Kazarov A, et al. A common precursor for hematopoietic and endothelial cells. Development. 1998;125:725-32.
3. Nakano T, Kodama H, Honjo T. In vitro development of primitive and definitive erythrocytes from different precursors. Science. 1996;272:722-4.
4. Nakano T, Kodama H, Honjo T. Generation of lymphohematopoietic cells from embryonic stem cells in culture. Science. 1994;265:1098-101.
5. Kyba M, Perlingeiro RC, Daley GQ. HoxB4 confers definitive lymphoid-myeloid engraftment potential on embryonic stem cell and yolk sac hematopoietic progenitors. Cell. 2002;109:29-37.
6. Rideout WM, Hochedlinger K, Kyba M, et al. Correction of a genetic defect by nuclear transplantation and combined cell and gene therapy. Cell. 2002;109:17-27.
7. Wu LC, Sun CW, Ryan TM, et al. Correction of sickle cell disease by homologous recombination in embryonic stem cells. Blood. 2006;108:1183-88.
8. Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 1998;282:1145-7.
9. Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, et al. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science. 2007;318:1917-20.
10. Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 2007;131:861-72.
11. Park IH, Zhao R, West JA, et al. Reprogramming of human somatic cells to pluripotency with defined factors. Nature. 2008;451:141-6.
12. Kennedy M, D’Souza SL, Lynch-Kattman M, et al. Development of the hemangioblast defines the onset of hematopoiesis in human ES cell differentiation cultures. Blood. 2007;109:2679-87.
13. Kaufman DS, Hanson ET, Lewis RL, et al. Hematopoietic colony forming cells derived from human embryonic stem cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2001;98:10716-21.
14. Galic Z, Kitchen SG, Kacena A, et al. T lineage differentiation from human embryonic stem cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2006;103:11742-7.
15. Wang L, Menendez P, Shojaei F, et al. Generation of hematopoietic repopulating cells from human embryonic stem cells independent of ectopic HOXB4 expression. J Exp Med. 2005;201:1603-14.
16. Raya A, Rodriguez-Piza I, Guenechea G, et al. Disease-corrected haematopoietic progenitors from Fanconi anaemia induced pluripotent stem cells. Nature. 2009;460:53-9.
17. Verlinsky Y, Strelchenko N, Kukharenko V, et al. Human embryonic stem cell lines with genetic disorders. Reprod Biomed Online. 2005;10:105-10.
18. Park IH, Arora N, Huo H, et al. Disease-specific induced pluripotent stem cells. Cell. 2008;134:877-86.
19. Loh YH, Agarwal S, Park IH, et al. Generation of induced pluripotent stem cells from human blood. Blood. 2009;113:5476-79.
20. Verda L, Kim DA, Ikehara S, et al. Hematopoietic mixed chimerism derived from allogeneic embryonic stem cells prevents autoimmune diabetes mellitus in NOD mice. Stem Cells. 2008;26:381-6.
21. Lu SJ, Feng Q, Park JS, et al. Biological properties and enucleation of red blood cells from human embryonic stem cells. Blood. 2008;112:4475-84.
22. Wellcome Trust: www.wellcome.ac.uk/news/mediaoffice/Press-releases/2009/WTX054309.htm.


Исходная статья: Cbio