Роль стволовых клеток становится понятной при рассмотрении развития организма человека, представленного на рисунке 3. Это развитие начинается с оплодотворения яйцеклетки и образования зиготы, которая дает начало целому организму. Оплодотворенная яйцеклетка тотипотентна – она обладает неограниченным потенциалом в том смысле, что ее одной достаточно для формирования и развития нормального плода при соответствующих условиях. В первые часы после оплодотворения она делится с образованием идентичных тотипотентных клеток, и любая из них, будучи имплантирована в матку женщины, способна дать начало развитию плода. Примерно через четверо суток после оплодотворения, когда проходит несколько циклов клеточного деления, тотипотентные клетки начинают специализироваться с образованием сферической структуры, называемой бластоцистой. У бластоцисты есть наружный слой и внутренняя полость, где образуется внутренняя клеточная масса. Из наружного слоя развивается плацента и другие поддерживающие структуры, необходимые для формирования плода, а из внутренней клеточной массы – практически все органы и ткани самого плода. Клетки внутренней клеточной массы плюрипотентны – их наличие является необходимым, но не достаточным условием формирования плода. Если их имплантировать в матку женщины, то беременность не наступит.

Плюрипотентные клетки подвергаются дальнейшей специализации с образованием стволовых клеток, которые дают начало еще более специализированным клеткам, обладающими специфическими функциями. Так, из кроветворных (гемопоэтических) стволовых клеток развиваются эритроциты, лейкоциты и тромбоциты, а из стволовых клеток кожи – различные типы клеток этой ткани. О стволовых клетках говорят, что они полипотентны. Полипотентные стволовые клетки присутствуют не только у эмбриона, но и в организме новорожденного и взрослого человека. Так, гемопоэтические стволовые клетки, находящиеся в основном в костном мозге, а также в небольшом количестве циркулирующие в крови, ответственны за постоянное образование новых клеток крови взамен разрушенных, и этот процесс продолжается всю жизнь [2].

3. Эмбриональные стволовые клетки

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуются из внутренней клеточной массы на ранней стадии развития зародыша – бластоциста. Зародыш человека достигает стадии бластоциста на стадии 4–5 дней после оплодотворения, бластоцист человека состоит из 50–150 клеток.

Эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными. Это означает, что они могут дифференцироваться во все три первичных зародышевых листка: эктодерму, энтодерму и мезодерму. Таким образом образуются более 220 видов клеток. Свойство плюрипотентности отличает эмбриональные стволовые клетки от полипотентных клеток, которые могут дать начало лишь ограниченному количеству видов клеток. В отсутствие стимулов к дифференциации in vitro, эмбриональные стволовые клетки могут поддерживать плюрипотентность в течение многих клеточных делений. Наличие плюрипотентных клеток у взрослого организма остается объектом научных дискуссий, хотя исследования показали, что существует возможность образования плюрипотентных клеток из фибробластов взрослого человека.

Ввиду пластичности и потенциально неограниченного потенциала самообновления, эмбриональные стволовые клетки имеют перспективы применения в регенеративной медицине и замещении поврежденных тканей. Однако в настоящий момент не существует никакого медицинского применения эмбриональных стволовых клеток. Стволовые клетки взрослых организмов и стволовые клетки спинного мозга используются для терапии различных заболеваний. Некоторые заболевания крови и иммунной системы (в том числе генетические) могут быть вылечены такими неэмбриональными стволовыми клетками. Разрабатываются методы лечения с помощью стволовых клеток таких патологий, как онкологические заболевания, юношеский диабет, синдром Паркинсона, слепота и нарушения работы спинного мозга

Существуют как этические, так и технические затруднения, связанные с трансплантацией гематопоэтических стволовых клеток. Эти проблемы связаны, в том числе, с гистосовместимостью. Такие проблемы могут быть разрешены при использовании собственных стволовых клеток или путем терапевтического клонирования.

Тотипотентность – способность образовывать любую из примерно 350 типов клеток организма (у млекопитающих).

Хоуминг – способность стволовых клеток, при введении их в организм, находить зону повреждения и фиксироваться там, исполняя утраченную функцию.

Факторы, которые определяют уникальность стволовых клеток, находятся не в ядре, а в цитоплазме. Это избыток мРНК всех 3 тысяч генов, которые отвечают за раннее развитие зародыша.

В настоящее время линии плюрипотентных клеток человека получают из двух источников с помощью методов, отработанных на животных моделях:

а) Плюрипотентные клетки выделяют непосредственно из внутренней клеточной массы эмбриона человека на стадии бластоцисты. Сам эмбриональный материал получали в больших количествах в клинических, а не исследовательских целях для осуществления экстракорпорального оплодотворения, всякий раз испрашивая разрешение на его использование у обоих доноров. Клетки внутренней клеточной массы культивировали и получали линию плюрипотентных клеток.

б) Другая группа исследователей выделяла плюрипотентные клетки из ткани плода. Разрешение на это давалось обоими супругами уже после того, как они сами приняли решение прервать беременность. Клетки отбирались из той области плода, которая должна была развиться в яичники или семенники.

Несмотря на то что плюрипотентные клетки в двух указанных случаях происходили из разных источников, полученные клеточные линии были идентичными.

Еще одним способом получения плюрипотентных клеток может стать метод, основанный на переносе в энуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку ядра соматической клетки. Соответствующие опыты уже проведены на животных. Сама яйцеклетка с новым ядром и ее непосредственные «потомки» способны при соответствующих условиях развиться в полноценный организм, то есть являются титопотентными. Из них формируется бластоциста, которая и служит источником плюрипотентных клеток.

Изолированные плюрипотентные клетки человека – очень ценный материал для исследователей и клиницистов. Эксперименты с их использованием могут помочь разобраться в сложнейших процессах развития человеческого организма, и прежде всего в том, что именно влияет на принятие клеткой решения о переходе от стадии роста и деления к стадии дифференцировки. Известно, что ключевым моментом здесь является «включение» и «выключение» специфических генов, но мы мало что знаем и о самих этих генах, и о том, какие события предшествуют их переключению. Разобравшись в функционировании клетки в норме, мы сумеем понять, какие сбои в ее работе приводят к фатальным для организма последствиям.

Выделение плюрипотентных клеток человека открывает новые возможности перед исследователями, занимающимися поисками новых лекарственных веществ и их тестированием. Разнообразные клеточные линии (например, линии раковых клеток) используются в этих целях уже сейчас, а культура плюрипотентных клеток позволяет проводить тестирование сразу на нескольких типах клеток. Это не заменяет тестирование на уровне целого организма, но значительно облегчает поиск новых лекарственных веществ.