Открытие регенеративного потенциала стволовых клеток человека признано одним из величайших событий в биологии. Группа российских ученых предложила способ практического использования их свойств в лечении поврежденных органов — при помощи вирусов и методов генной инженерии.
Справка
Вирус (лат. "virus" — "яд") — неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток. Вирусы поражают все типы организмов: от растений и животных до бактерий и архей (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, способные реплицироваться только в присутствии других вирусов (вирусы-сателлиты). Вирусы обнаружены почти в каждой экосистеме на Земле, они являются самой многочисленной биологической формой. Изучением вирусов занимается наука вирусология, раздел микробиологии.
Вирусы являются облигатными паразитами, так как не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы не проявляют признаки живого и ведут себя как частицы биополимеров. От живых паразитарных организмов вирусы отличаются полным отсутствием основного и энергетического обмена и отсутствием сложнейшего элемента живых систем — аппарата трансляции (синтеза белка), степень сложности которого превышает таковую самих вирусов.
Виварий (vivarium, от лат. "vivus" — "живой") — здание или отдельное помещение при медико-биологическом учреждении (научно-исследовательском институте, лаборатории), предназначенное для содержания лабораторных животных, которые используются в экспериментальной работе или в учебном процессе.
В лабораторной практике разделяют два понятия: виварий — помещение для содержания в надлежащих условиях животных, находящихся в состоянии опыта, и питомник — помещение для размножения и содержания животных до их использования. Бесперебойное снабжение лабораторий животными возможно только при организации крупных питомников, руководимых квалифицированными зоотехниками и находящихся под ветеринарно-санитарным контролем.
Устройство вивария определяется в первую очередь видовым составом животных, в связи с чем различают специализированные виварии (собачники, обезьянники и т. д.) и виварии общего, или комплексного, типа, обеспечивающие содержание различных животных: собак, кошек, кроликов, морских свинок, белых крыс и мышей. Виварии могут также включать аквариумы для пресноводных и морских животных, террариумы для амфибий и рептилий, вольеры и клетки для птиц, приспособленные помещения для разных видов млекопитающих.
Онкогенез (бластомогенез, канцерогенез) — процесс возникновения и развития опухоли. Как правило, обусловлен действием различных факторов: онкогенных веществ и вирусов, ионизирующего и ультрафиолетового излучения и др. Превращение нормальных клеток и тканей в опухолевые включает ряд предопухолевых стадий.
Фото: авторы – Р.Е. Еремичев, О.А. Макаревич
Исследование стволовых клеток — одно из наиболее перспективных направлений биомедицины. Стволовые клетки — это своего рода исходные клетки организма, которые, с одной стороны, могут самообновляться, давая начало новым стволовым клеткам, а с другой — превращаться в зрелые клетки тканей и органов.
В биологию термин "стволовая клетка" ввел русский ученый Александр Максимов в 1908 году. Следующей значительной вехой в исследовании этого вида клеток стало открытие российскими специалистами Александром Фриденштейном и Иосифом Чертковым в 60-70-е годы прошлого века стволовых клеток крови. Им и принадлежит авторство в создании учения о стволовых клетках. Однако интенсивное развитие этого научного направления началось в 1998 году, когда американские ученые Джеймс Томпсон и Джон Герхард выделили эмбриональные стволовые клетки. Этот тип клеток, который содержится в оплодотворенной яйцеклетке (зиготе), обладает уникальной способностью. После того как зигота начнет делиться, формируя эмбрион, эмбриональные стволовые клетки некоторое время сохраняют способность развиваться в ткань любого типа.
Во взрослом организме стволовые клетки находятся в основном в костном мозге. Это кроветворные стволовые клетки, которые превращаются в различные клетки крови и стромальные стволовые клетки, из которых вырастают костная, жировая и мышечная. Кроме того, в очень небольших количествах во всех органах присутствуют "региональные" стволовые клетки.
Главная задача стволовых клеток во взрослом организме — обеспечить восстановление его поврежденных участков. В случае повреждения какого-нибудь органа стволовые клетки направляются к очагу бедствия и там превращаются в клетки, аналогичные клеткам больного органа, способствуя его восстановлению. Именно на этом свойстве стволовых клеток основаны методы их применения в терапевтических целях.
В конце 1980-х годов регенеративный потенциал этих клеток решили целенаправленно использовать для лечения заболеваний. Так появилась регенеративная медицина, цель которой восстановить пораженную болезнью или поврежденную ткань, активировав стволовые клетки или трансплантировав их (клеточная терапия). Сначала доставка клеток в поврежденные ткани осуществлялась посредством инъекций. Но оказалось, что клетки, введенные в организм таким путем, быстро гибнут, не успевая эффективно выполнить возложенную на них функцию.
На решение этой проблемы направлены разработки ученых Института регенеративной медицины МГУ им. М. В. Ломоносова и Российского кардиологического научно-производственного комплекса (Кардиоцентра). В МГУ группа ученых во главе с Павлом Макаревичем, заведующим лабораторией генно-клеточной терапии института, попробовала вводить в поврежденный орган вместо разрозненной группы стволовых клеток целый пласт клеток, скрепленных особым образом. Если трансплантировать на поврежденный участок организма этот слой, то число клеток, которые погибнут, снижается в пять раз — с 60% до 10%. А время, необходимое для заживления травмированного участка, сокращается с 38 до 20 дней.
Этот проект является продолжением работы, которую Павел Макаревич начинал в Кардиоцентре. Тогда он участвовал в международном научном проекте по созданию конструкций, которые могли бы использоваться для стимуляции роста сосудов в тканях, пораженных ишемией. Как известно, ишемия — это опасное состояние, которое развивается вследствие резкого ослабления или полного прекращения кровотока в определенном органе. При ишемических поражениях лечебное введение стволовых клеток с помощью инъекции не всегда оказывалось эффективным, так как не удавалось создать в нужных местах подходящие условия для постоянной концентрации и выживания введенных клеток. Ведь это изначально ишемизированные, то есть обедненные кислородом, ткани, а значит, клеткам там выжить непросто. В итоге Павел Макаревич и его коллеги предложили, как улучшить результаты лечения ишемии с помощью стволовых клеток.
Во-первых, чтобы увеличить регенеративные возможности стволовых клеток, они использовали вирусы. Вирус по своей природе может легко проникать в клетки организма, и можно сконструировать его таким образом, чтобы он мог доставить в клетки специальную программу. Например, нужно, чтобы клетка вырабатывала больше белка определенного типа, и с помощью вируса его объем можно увеличить в десятки раз. Когда вирус попадает в клетку, он переносит в ядро дополнительный ген. Этот ген отвечает за производство белка определенного типа, и его синтез многократно увеличивается. Для такой работы используют непатогенные вирусы.
Далее ученые разработали способ доставки этих усовершенствованных стволовых клеток в пораженный участок организма. Они начали выращивать стволовые клетки пластами. Чтобы получить такой пласт из клеток, их помещают в питательную среду, где они начинают формировать контакты между собой и вырабатывать белки матрикса. В результате клетки прикрепляются друг к другу и через 72 часа могут образовать единую конструкцию из нескольких слоев. Ее переносят на поврежденный участок, и там новые клетки прикрепляются к поверхности и начинают выделять вещества, благодаря которым растут кровеносные сосуды, что обеспечивает поступление кислорода в ткань.
С помощью визуализации цитоскелета ученые МГУ контролируют свойства стволовых клеток человека в культуре
Павел Макаревич: мы разработали новый способ концентрации и доставки стволовых клеток в пораженный участок организма
BUSINESS GUIDE: Каким может быть практическое применение вашего изобретения?