Общая информация о стволовых клетках

Глава 1. Обзор литературы

Общая информация о стволовых клетках

В организме взрослого человека и животных существует пул клеток, которые способны превращаться в клетки различных органов и тканей. Эти клетки носят название «стволовые». В отличие от обычных клеток, выполняющих строго определенные функции в организме, стволовые клетки обладают возможностью приобретения в ходе развития специализации. Необратимое преобразование изначально однородных эмбриональных клеток в специализированные, образующие ткани и органы, называется дифференцировкой [].

Термин «стволовая клетка» был введен в биологию Александром Максимовым в 1908 году. Под стволовой клеткой понимают группу клеток-предшественников, каждая из которых способна самообновляться, чтобы поддерживать свое количество, и дифференцироваться в зрелые специализированные клетки. Деление стволовых клеток может происходить двумя путями:

- симметричное деление

- ассиметричное деление [4].

В процессе симметричного деления клетки делятся митозом, образуя две новые стволовые клетки, являющиеся аналогами материнской. При помощи такого вида деления поддерживается количественный пул стволовых клеток. Во время ассиметричного деления стволовых клеток образуется одна дочерняя клетка, аналогичная материнской, и одна клетка, с частично детерминированной функцией (частично дифференцированная) [6].

По способности к дифференцировке стволовые клетки классифицируют следующим образом. Выделяют:

-Тотипотентные стволовые клетки. Эта единственная клетка воспроизводит все органы эмбриона и необходимые для его развития структуры — плаценту и пуповину.

-Плюрипотентные стволовые клетки. Термин «плюрипотентный» используют для описания клетки, которая дифференциируется в различные клеточные линии, кроме клеток внезародышевых органов.

-Мультипотентные стволовые клетки способны образовывать специализированные клетки нескольких типов (например, клетки крови, клетки печени, головного мозга).

-Унипотентные стволовые клетки — это клетки, дифференцирующиеся в обычных условиях только в специализированные клетки определенного типа [42. Вермель, А. Е. Стволовые клетки: общая характеристика и перспективы применения в клинической практике / А. Е. Вермель // Клиническая медицина. 2004. № 1. С. 5–11].

По происхождению стволовые клетки можно разделить на три типа: эмбриональные, неэмбриональные и индуцированные.

1)Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК):

- эмбриональные стволовые клетки, которые образуются в первые 2-3 деления после оплодотворения яйцеклетки называются – тотипотентными, т.е. каждая из этих клеток может дать начало всем типам клеток развивающегося эмбриона и неэмбриональным клеткам (клетки плаценты);

- эмбриональные стволовые клетки, которые содержатся во внутренней клеточной массе бластоцисты на ранней стадии развития зародыша (5 дней после оплодотворения яйцеклетки). Они называются плюрипотентными и могут дать начало всем клеткам развивающегося эмбриона (клеткам всех трех зародышевых листков: эктодерма, мезодерма, эндодерма), но не могут специализироваться в клетки плаценты.

Эмбриональные стволовые клетки плюрипотентны, а значит, могут дифференцироваться во все три зародышевых листка: наружный – эктодерму, внутренний – эндодерму и средний – мезодерму [8].

2) Неэмбриональные стволовые клеткиделятся на два типа: гемопоэтические и регионарные. Гемопоэтические стволовые клетки находятся в кроветворных органах и крови. Они способны давать начало различным росткам кроветворения. Регионарные стволовые клетки находятся в тканях кожи, сосудов, кишечника и т. д. и дифференцируются в клетки этих тканей. В нашем организме присутствуют также мезенхимальные стромальные клетки (МСК), содержащиеся в жировой ткани. Эти клетки способны дифференцироваться в клетки четырёх тканей организма: адипоциты, хондроциты, миобласты и остеобласты. Очень важной особенностью МСК является их низкая иммуногенность, а также способность подавлять иммунный ответ организма, что крайне важно при осуществлении различного рода аллогенных трансплантаций [6].

3) Индуцированные стволовые клетки (ИСК) – специализированные соматические клетки, перепрограммированные в стволовые. В 2007 году, Яманака и его коллеги были первыми, кто произвел человеческие индуцированные плюрипотентные клетки [4].

Исходя из вышесказанного следует, что для того, чтобы признать клетку стволовой, она должна соответствовать четырем критериям: во‑ первых, быть способной к осуществлению множественных последовательных делений, являющихся необходимым условием для сохранения популяции, оставаясь при этом морфологически и функционально неспециализированной (незрелой); во‑ вторых, немногочисленные дочерние клетки, происходящие из стволовой клетки, должны обладать способностью к дифференцировке более чем в один клеточный тип; в‑ третьих, при трансплантации поврежденному реципиенту стволовые клетки должны воспроизводить ту ткань, из которой они произошли, и обеспечивать ее функцию; и, наконец, в‑ четвертых, in vivo стволовые клетки должны содействовать развитию своего дифференцированного потомства даже при отсутствии повреждения ткани, которую это потомство пополняет [Anderson D. S., Gage F.H., Weissman I.L. Can stem cells cross lineage boundaries? // Nat. Med. — 2001. — Vol. 7. — P. 393–395.].

Морфогенетический белок кости 2

BMP-2 (костный морфогенетический белок) – это белок, стимулирующий стволовые клетки к размножению и дифференцировке в зрелые клетки, ткани и органы. Этот белок вырабатывается из стволовых клеток в период эмбриогенеза, послеродовой период роста и взрослой жизни.

Среди BMP-2 выделяют две формы – BMP-2α и BMP-2β (ранее идентифицированный как BMP-4), гены которых расположены в 20 и 14 хромосомах человека соответственно [Reddi A.H. New biomaterials, stem cells and morphogens for tissue engineering // Bioceramics. - 2001. - Vol. 13. - P. 459-461.].

BMP-2 синтезируются в виде пре-про-пептидов длиной 400-525 аминокислотных остатков, которые состоят из N-концевого сигнального пептида, про-домена и С- концевого зрелого белка. До образования активной формы белка BMP-2 пре-про-пептид претерпевает несколько посттрансляционных модификаций. Ген BMP-2 расположен в 20 хромосоме и содержит 3 экзона [25].

Сначала происходит отщепление сигнальной последовательности с образованием молекулы про-BMP-2. Далее два мономера подвергаются димеризации в эндоплазматическом ретикулуме клетки, после чего димер транспортируется в аппарат Гольджи. В транс-отделе комплекса Гольджи под действием ферментов, например, фурина, происходит отщепление про- доменов, что приводит к образованию зрелого димера BMP-2. По окончании биосинтеза молекула белка в биологически активной димерной форме секретируется во внеклеточное пространство [7].

Каждый димер состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями. В первичной структуре зрелого димера содержится по 7 цистеиновых остатков, причем 6 из них формируют 3 дисульфидные связи, образующие консервативный структурный мотив – «цистеиновый узел», а седьмой остаток цистеина участвует в формировании SS связи между мономерами в структуре димера BMP-2 [25].

Факторы роста

Факторы роста – полипептиды с молекулярной массой 5-50 кДа, объединенные в группу трофических регуляторных субстанций. Подобно гормонам, эти факторы обладают широким спектром биологического действия на многие клетки – стимулируют или ингибируют митогенез, хемотаксис, дифференцировку. Факторы роста, как правило, продуцируются неспециализированными клетками, находящимися во всех тканях, и обладают эндокринным, паракринным и аутокринным действием.

Эндокринные факторы вырабатываются и транспортируются к удаленным клеткам-мишеням через кровоток. Достигая своей «цели», они взаимодействуют со специализированными высокоаффинными рецепторами клеток-мишеней. Паракринные факторы отличаются тем, что распространяются путем диффузии. Рецепторы клеток-мишеней обычно расположены вблизи клеток-продуцентов. Аутокринные факторы оказывают воздействие на клетки, являющиеся непосредственным источником этих факторов. Большинство полипептидных факторов роста действует по паракринному или аутокринному типу [Ворона Ю. С. Применение мембран аутоплазмы, обо- гащенной тромбоцитами, с целью направленной ре- генерации тканей в области глоточных швов после операций на гортани, глотке и полости рта: дис. канд. мед. наук. / Ю. С. Ворона. — Курск, 2014. – 143 с.].

В настоящее время определение фактора роста подвергается многочисленным корректировкам и уточнениям, связанными с открытием новых свойств и характеристик этих факторов. Согласно современным представлениям факторы роста — это естественные вещества полипептидного строения, с молекулярной массой 5–50 кДа, вырабатываемые организмом, являющиеся полифункциональными регуляторами и принадлежащие к классу цитокинов. [Tischler M. Platelet Rich Plasma: The use of autologus growth factors to enhance bone and soft tissue grafts/ M. Tischler // N. Y. State Dent. J. – 2002. – N. 68. – P. 22.].

Цитокины – различные белки, осуществляющие передачу сигналов между различными клетками организма. Цитокины являются наиболее универсальным классом внутри- и межтканевых регуляторных веществ.

Для того, чтобы классифицировать факторы роста, предложено их разделение на две большие группы:

1) с широким диапазоном клеточной и тканевой специфичности;

2) специфичные для определенной группы клеток.

Однако на данный момент научные данные, получаемые о результатах выделения, идентификации, взаимодействия и практического применения различных факторов роста лавинообразно нарастают, и количество идентифицированных соединений определяемых как ростовые факторы увеличивается с каждым годом.

С одной стороны факторы роста обладают свойствами, сходными с гормонами: белковая структура, участие в регуляции органов и тканей. Подобно гормонам эти факторы обладают широким спектром биологического воздействия на многие клетки — стимулируют или ингибируют митогенез, хемотаксис, дифференцировку. С другой стороны, они во многом отличаются от них по важным аспектам. Их первичный эффект заключается в стимуляции роста клеток, но они не влияют на функционирование последних. Последнее, но не менее важное отличие между гормонами и факторами роста – это временной фактор. Гормоны проявляют свое действие в сравнительно отдаленном периоде, нежеле факторы роста [Levi-Montalcini R., Hamburger V. Selective growth stimulating effect of mouse sarcoma on the sensory and sympathetic nervous system of the chick embryo / R. Levi-Montalcini, V. Hamburger // J. Exp. Zool. – 1951. – Vol. 116. – P. 321–362.].

Факторы роста играют важнейшую роль в механизмах регуляции роста клеток. Факторы роста активируют процессы деления, миграции, дифференциации клеток, экспрессии белка и продуцирования ферментов. Помимо этого факторы роста влияют на воспалительные, пролиферативные процессы и течение раневого процесса [Cytocompatibility of regenerated silk fibroin film: a medical biomaterial applicable to wound healing / T. L. Liu, J. C. Maio, W. H. Sheng [et al.] // J. Zhejiang Univ. Sci. B. – 2010. – N. 116 (1). – P. 10–16.].

Биокомпозитные материалы

Восстановление утраченной костной ткани является одной из важнейших проблем в реконструктивной хирургии различных опорно-двигательных систем организма. Врожденные дефекты костной ткани или ее возрастная утрата, патологические состояния не могут быть устранены путем физиологической регенерации или простого хирургического вмешательства. В таких случаях, как правило, применяют различные материалы, чтобы не только восполнить утраченный дефект, но и обеспечить полноценную функцию органа [12].

Круг материалов, используемых в медицине, весьма широк и включает материалы природного и искусственного происхождения, среди которых – металлы, керамики, синтетические и естественные полимеры, различные композиты и др. Материалы, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств, получили название «биоматериалы» [3].

Биоматериалы должны обеспечивать относительную простоту проведения хирургического вмешательства, расширение возможностей моделирования, стабильность химической структуры, отсутствие инфекционных возбудителей и т. д [1].

Металлические материалы, как правило, это сочетания металлических элементов (железа, титана, золота, алюминия), используются в силу высокой механической прочности. Выбор металлических материалов или сплавов для медицины проводят, исходя из следующих характеристик: 1) биосовместимость, 2) физические и механические свойства, 3) старе- ние материала. Наибольшее распространение получили нержавеющие стали, титан и его сплавы, сплавы кобальта. Благородные металлы (золото и платина) применяют в ограниченных масштабах для изготовления химически инертных протезов [].

Негативным для медицины свойством многих металлов является коррозия. Металлы склонны к коррозии (за исключением благородных металлов). Коррозия имплантированного металлического изделия под воздействием агрессивных биологических жидкостей может привести к выходу его из строя, а также накоплению в организме токсичных продуктов. [].

Помимо металла, в медицине так же применяются и материалы из керамики. Керамики состоят из неорганических и органических соединений. Керамические материалы, используемые в медицине, называются биокерамикой. Среди биокерамик, нашедших клиническое применение – оксид алюминия, двуокись циркония, окись титана, трикальцийфосфат, гидроксиапатит, алюминаты кальция, биоактивное стекло и стеклокерамика. В зависимости от «поведения» в организме биокерамику подразделяют на биоинертную, биоактивную и растворяющуюся in vivo [].

Главными характеристиками керамики являются биосовместимость, высокая твердость, изолирующие свойства теплоты и электричества, термо- и коррозиостойкость Общим свойством керамических материалов является стойкость к воздействию высоких температур. Среди недостатков, ограничивающих применение керамики в медицинских целях, ее хрупкость и ломкость [].

Исходя из того, что металлические и керамические материалы имеют свои недостатки, в настоящее время широко применяются композиты, представляющие собой сочетание самых ценных свойств тех или иных материалов.

Композиты - это, как правило, полимерная матрица с керамическими или стеклянными волокнами или частицами, усиливающими матрицу. Композитные материалы выполняют опорную функцию: постоянную или временную. Если в области технического материаловедения приветствуется как можно более длительное сохранение первоначальных свойств композита, составляющего элемент конструкции, то для решения задач биологического характера наоборот, композитные материалы обеспечивают каркасные свойства какой-то промежуток времени, пока организм не восстановит исходную поврежденную или утраченную ранее биологическую ткань. При этом превращение материала в собственную ткань должно быть как можно меньше [3].

Композиционные материалы состоят, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т. д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, но в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик [9].

Биокомпозитные материалы, применяемые для восстановления целостности костной ткани человека или животного называют остеопластическими.

Важнейшие качества остеопластических материалов, влияющие на регенерацию костной ткани это: структура материала, остеогенность, остеокондуктивность, остеоиндуктивность, остеоинтеграция [12].

Физическая структура и характеристики материалов (объем, форма, размер частиц, пористость, пластичность, компрессионная и торсионная устойчивость и т.д.) во многом определяют их остеогенную активность и должны соответствовать конкретному случаю их применения в клинической практике. Благодаря наличию остеокондуктивных качеств материалы обеспечивают образующуюся костную ткань матрицей для адгезии остеогенных клеток и проникновения их вглубь пор и каналов пористых материалов [1].

Остеоиндуктивность, по определению – это способность стимулировать остеогенез при введении в организм. Благодаря этому свойству происходит активация клеток-предшественников, индукция их пролиферации и дифференцировки в остеогенные клетки.

Остеоинтеграция обеспечивает устойчивое закрепление имплантированного материала за счет его непосредственного взаимодействия с поверхностью материнской кости, что порой играет решающую роль в хирургических операциях [12].

В современной имплантологии используются комбинации «имплантат + биосовместимое покрытие», которое позволяет объединить высокие механические свойства материала и биологические качества покрытия, которые придают поверхности имплантата свойства, максимально приближенные к свойствам костной ткани, что улучшает способность имплантата интегрироваться с организмом.

В настоящей работе были использованы следующие материалы: пластинки из титана (Ti), пластинки из титана с кальцийфосфатным покрытием (TiCaP), пластинки из титана с кальцийфосфатным покрытием (TiCaP) + напылением цинка Zn (TiCaP +Zn). Титан представляет собой инертный металл, который не вызывает реакции отторжения тканей и не имеет магнитных свойств. Поэтому имплантаты из титана практически во всех случаях приживаются и позволяют после операции выполнять магниторезонансную томографию. Благодаря пористой структуре кальцийфосфатных покрытий кость врастает в поверхность имплантата и фиксирует его. Формирование на поверхности имплантатов кальцийфосфатного покрытия придает последним биоактивные свойства, что способствует долговечному соединению протеза с костью. Для предотвращения самопроизвольного разрушения титана в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой использовалось напыление цинка [9].

Глава 1. Обзор литературы

Общая информация о стволовых клетках

- симметричное деление

- ассиметричное деление [4].

По способности к дифференцировке стволовые клетки классифицируют следующим образом. Выделяют:

1)Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК):

12 3 Следующая ⇒