§23. Стволовые клетки: понятие и свойства (самообновление, дифференциация). Виды стволовых клеток: эмбриональные и соматические
Цель изучения этой темы: объяснить процесс специализации стволовых клеток.
Что такое зигота, бластула, эктодерма, энтодерма? Из каких клеток и в каких органах образуются эритроциты, лейкоциты, тромбоциты?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 31 и 49 – учебник для 8 класса.
Стволовые клетки: понятие и свойства. Стволовыми клетками называют клетки-предшественницы, из которых при необходимости образуются все другие типы клеток, составляющие различные органы и ткани человека (рис. 20). Термин «стволовая клетка» впервые ввел в 1908 г. русский гематолог из Санкт-Петербурга А. Максимов, имея в виду, что они находятся в «стволе» – основе «кроветворного древа». Это клетки красного костного мозга, которые впоследствии дают начало клеткам-предшественницам, из которых образуются все клетки крови: эритроциты, тромбоциты и лейкоциты.
Рис. 20. Стволовая клетка
Значительный объем исследований стволовых клеток проведен биологами А. Фриденштейном и И. Чертковым в России в 60-х годах прошлого века. В нашем организме пожизненно сохраняются недифференцированные клетки, которые могут превращаться в специализированные клетки крови и соединительной ткани. Пока человеческому организму хорошо, стволовые клетки свободно и независимо «блуждают» по его просторам, бесконечно дуплицируясь под действием определенного гена. Они «безработные». Но как только стволовые клетки получают генетический сигнал на «бирже труда» (неполадка, повреждение ткани или органа), они по кровяному руслу устремляются к пораженному участку тела. Их способность найти практически любое повреждение, превращаясь на месте в необходимые организму клетки (костные, гладкомышечные, железистые, нервные и т. д.). Превращение потомков стволовых клеток в иные специализированные клетки организма называется дифференциацией стволовых клеток.
Неправильно думать, что у взрослого организма все стволовые клетки находятся только в костном мозге. Исторически сложилось, что первые из них были обнаружены именно там. Поэтому долгое время считалось, что именно красный костный мозг содержит едва ли не все стволовые клетки организма. Позже их обнаружили в жировой ткани, коже, мышцах, печени, легких, сетчатке глаза, практически во всех органах и тканях организма.
Различают эмбриональные и соматические столовые клетки.
Эмбриональные стволовые клетки получают из внутренней клеточной массы бластулы, которая формируется к 4–7-му дню развития после оплодотворения. Эмбриональные стволовые клетки по сравнению со стволовыми клетками взрослых людей более универсальны и способны дифференцироваться абсолютно во все типы клеток организма.
Одним из плюсов использования эмбриональных стволовых клеток можно считать тот факт, что при введении их даже в другой организм не возникает реакция отторжения, поскольку на их поверхности еще нет антигенов гистосовместимости. Эмбриональная стволовая клетка мягкая и податливая, как пластилин, и, в отличие от стволовых клеток взрослого человека, способна превращаться в любой другой тип клетки без каких-либо ограничений. Кроме того, у эмбриональной стволовой клетки есть уникальная система самоконтроля: она активно размножается, но как только произошла ошибка при делении, в клетке возникает команда самоуничтожиться. Так что угроза появления онкологии при использовании эмбриональных стволовых клеток маловероятна.
Соматические стволовые клетки – стволовые клетки взрослого организма, которые обладают ограниченным потенциалом к образованию различных типов клеток.
Не так давно стало известно, что некоторые клетки взрослого организма, по-видимому, хотя бы отчасти обладают способностью порождать стволовые клетки, характерные для эмбриона. Если такое действительно возможно, то удастся устранить одно из этических препятствий на пути к использованию эмбриональных стволовых клеток – не придется разрушать эмбрион человека, чтобы получить эти клетки.
Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в красном костном мозге. У человека он составляет около 1,5% массы тела. В состав костного мозга (около 0,1% всех его клеток) входят особые, так называемые стволовые, кроветворные клетки. Благодаря их способности к дифференциации – многократному делению и развитию в направлении всех форм кроветворения они обеспечивают замещение постоянно стареющих эритроцитов и гибнущих в борьбе с инфекциями лейкоцитов.
Самообновление стволовых клеток. В сформировавшемся организме человека имеется примерно 230 типов клеток. Они требуют постоянного замещения по мере их старения и отмирания. Эту восстановительную функцию частично выполняют стволовые клетки, заполняющие определенные ниши во всех тканях и органах. Стволовые клетки взрослых обладают двумя качественными особенностями. Во-первых, на протяжении всей жизни они постоянно производят подобные себе клетки. За длительную их способность к самовоспроизводству они получили название «бессмертных». Это свойство сейчас широко используется для размножения таких клеток в питательной среде. Во-вторых, они генерируют зрелые клетки с характерными морфологическими и функциональными свойствами. Основная способность к пролиферации (размножению клеток, компенсирующему их потерю в результате гибели) обеспечивает их постоянное самообновление и самоподдержание. Роль стволовых клеток во взрослых живых организмах состоит в поддержании и восстановлении тех тканей, в которых они находятся.
Доля стволовых клеток в тканях организма по мере взросления постоянно снижается, достигая показателя примерно в 100 раз. При рождении у ребенка одна стволовая клетка приходится на 10 тыс. обычных клеток. А у людей в возрасте 60 лет и старше одна стволовая клетка приходится на один миллион обычных клеток.
Дифференциацией стволовых клеток называется необратимое преобразование изначально однородных, неспециализированных эмбриональных клеток в специализированные, образующие ткани и органы.
Стволовые клетки взрослого организма способны образовывать клетки только определенных тканей (крови, нервной системы и т. п.). Однако в последнее время в научной печати стали появляться сообщения о так называемой направленной дифференциации стволовых клеток взрослого организма. В результате генетического перепрограммирования из стволовых клеток костного мозга взрослого организма удалось получить нервные, мышечные и другие клетки.
Стволовые клетки, дифференциация стволовых клеток, эмбриональные стволовые клетки, соматические стволовые клетки, самообновление стволовых клеток.
Знание и понимание
1. Что такое дифференциация?
2. Определите связь между возрастом организма и количеством стволовых клеток.
Применение
1. Для чего необходимо изучать стволовые клетки?
2. Сравните соматические и эмбриональные стволовые клетки по расположению в организме, времени активности и способности к дифференциации.
Анализ
1. Изобразите в виде схемы процесс постепенного превращения зиготы в разные типы стволовых и специализированных клеток.
2. Проанализируйте особенности эмбриональных и соматических стволовых клеток, обратив внимание на их способность к самообновлению и дифференциации, учитывая новые сведения, полученные учеными по этому вопросу.
Синтез
1. Порассуждайте, как можно было бы применять донорские эмбриональные стволовые клетки. Будет ли их применение отличаться от применения донорских соматических стволовых клеток и почему? Какую рольв ограничении этих процессов играют молекулы антигенов?
2. Установите соответствие между характеристикой стволовой клетки и ее типом, отметив в столбце буквой Э – эмбриональные стволовые клетки, а буквой С – соматические.
Оценка
1. Напишите реферат о применении стволовых клеток.
2. Обсудите две полярные точки зрения: 1) применение эмбриональных стволовых клеток более предпочтительно и 2) применение эмбриональных стволовых клеток менее предпочтительно. Приведите максимальное количество аргументов в пользу обеих точек зрения.