ОСОБЕННОСТИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК: ИХ СВОЙСТВА, МЕХАНИЗМЫ, СТАРЕНИЕ И ОМОЛОЖЕНИЕ

АННОТАЦИЯ

В данной научной статье исследуются свойства стволовых клеток и их влияние на клеточную регенерацию и старение организма; исследуется старение стволовых клеток различных тканей и органов. Показано, что для поддержания оптимального количества стволовых клеток в организме существуют два пути: асимметричное и случайное деление. При асимметричном делении образуются две разные клетки - одна стволовая и одна уже специализированная. При случайном делении некоторые стволовые клетки могут делиться на две более специализированные. Также рассматривается понятие дифференцирующего потенциала стволовых клеток, который определяет их способность формировать различные типы клеток в результате деления и специализации. В статье описываются различные категории стволовых клеток: тотипотентные, плюрипотентные, мультипотентные, олигопотентные и унипотентные клетки, а также приводятся примеры каждого типа. Особое внимание уделяется старению стволовых клеток и изменению их функциональности с возрастом; Показано, что старение различных типов стволовых клеток происходит по-разному. Например, гемопоэтические стволовые клетки (ГСК), являющиеся источником всех типов клеток крови, с возрастом теряют свою функциональность и способность дифференцироваться. Однако интересной особенностью старения ГСК является их предрасположенность к дифференцировке в клетки миелоидной линии кроветворения, что может объяснять большую частоту развития острого миелоидного лейкоза у пожилых людей. Эти результаты позволяют предположить, что внутренние механизмы старения имеют большее значение для функциональных изменений стволовых клеток, чем внешние факторы; Показано, что пул стволовых клеток кишечного эпителия увеличивается со временем за счет дифференцированных клонов, что повышает чувствительность кишечника к экзогенным факторам. Также, что старение стволовых клеток нервной ткани проявляется в уменьшении их числа, но не в изменении их функциональной активности. Кроме того, количество меланоцитарных стволовых клеток уменьшается со временем, что приводит к появлению седины; Показано, что экспрессия факторов транскрипции может преобразовывать соматические клетки в плюрипотентные стволовые клетки и проводить частичную репрограммацию с омолаживающим эффектом даже in vivo. Более того, эксперименты на мышах показывают, что репрограммирование стволовых клеток in vitro может обратить старение клеток и омолодить регенеративный потенциал. В будущем это может привести к развитию технологии "омоложения" стволовых клеток, что позволит кардинально омолодить органы и ткани.

Ключевые слова: стволовые клетки, клеточная регенерация, старение, дифференцирующий потенциал, стволовые клетки нервной ткани, репрограммирование, омоложение.

Введение

Стволовые клетки – недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза (бесполым размножением) и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей. [1, с. 238]. Однако с возрастом эта способность может ухудшаться.

Существует множество факторов, которые влияют на старение стволовых клеток. Использование стволовых клеток в течение жизни организма накапливает повреждения и мутации в их геноме, что может снизить их функциональность. Кроме того, окружающая среда, в том числе микроокружение стволовых клеток, также может играть роль в их старении.

Поэтому необходимо разработать эффективные методы омолаживания стволовых клеток, подробно изучать их свойства и механизмы для более полного понимания функционирования.

Свойства стволовых клеток

Самообновление

Для сохранения численности стволовых клеток в организме существуют два способа:

Асимметричное деление, при котором продуцируется одна и та же пара клеток (одна стволовая клетка и одна дифференцированная клетка).

Стохастическое деление: одна стволовая клетка делится на две более специализированных. [1, с. 239]

Дифференцирующий потенциал

Потентность (дифференцировочный потенциал), способность стволовых клеток производить в процессе деления и дифференцировки другие виды клеток. Выделяют следующие виды потентности: [2, с. 238-240]

Тотипотентные стволовые клетки (ТСК) могут делиться и специализироваться в любые клетки организма. У них самый большой дифференцировочный потенциал и они могут формировать как эмбриональные, так и экстраэмбриональные структуры. Пример тотипотентных клеток — зигота, которая появляется после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. Эти клетки потом могут стать либо любым из трех зародышевых слоев, либо плацентой. Через примерно 4 дня внутренняя клеточная масса бластоцисты приобретает плюрипотентность. Отсюда берутся плюрипотентные клетки.

Плюрипотентные стволовые клетки (ПСК) создают клетки всех зародышевых слоев, но не экстраэмбриональных структур, например, плаценты. Примером являются эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). ЭСК извлекают из внутренней клеточной массы преимплантационных эмбрионов. Еще один пример — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), полученные из эпибласта имплантированных эмбрионов. Их плюрипотентность — это спектр, начинающийся от полностью плюрипотентных клеток, таких как ЭСК и ИПСК, и заканчивающийся клетками с меньшей потенцией — мульти-, олиго- или унипотентными. Одним из способов оценить их активность и диапазон является анализ тератомы. ИПСК создаются искусственно из соматических клеток и работают похоже на ПСК. Их выращивание и применение очень перспективны для современной и будущей медицины регенеративной.

Мультипотентные стволовые клетки (МСК) имеют более ограниченный диапазон дифференцировки, чем ПСК, но они могут становиться конкретными клетками определенных клеточных линий. Пример — гемопоэтическая стволовая клетка (ГСК), которая может превратиться в несколько видов клеток крови. После специализации ГСК становится олигопотентной клеткой. Ее дифференцировочные возможности ограничены клетками ее родословной. Но некоторые мультипотентные клетки могут меняться в непохожие типы клеток, что позволяет считать их плюрипотентными клетками.

Олигопотентные стволовые клетки могут дифференцироваться в несколько типов клеток. Миелоидная стволовая клетка является примером, который может делиться на белые кровяные тельца, но не на эритроциты. [3]

Унипотентные стволовые клетки (УСК) имеют самые узкие возможности дифференцировки и особое свойство многочисленного деления. Это последнее свойство делает их хорошим кандидатом для терапии в регенеративной медицине. Эти клетки могут создавать только один тип клеток, например: дерматоциты.

Процесс старения стволовых клеток

С возрастом у всех живых существ происходят изменения, которые приводят к ухудшению функций клеток и тканей. Это, вероятно, связано с тем, что количество или активность стволовых клеток снижается. Стволовые клетки разных типов, таких как клетки крови, клетки кишки, клетки мозга, клетки кожи, имеют разные особенности старения. ГСК — это единственные источники всех клеток крови, но их функция и способность дифференцироваться уменьшаются с возрастом. Чтобы компенсировать это, при каждом делении увеличивается число дифференцированных клеток крови по сравнению с функционально активными старыми стволовыми клетками. Особенностью старения ГСК является то, что они лучше дифференцируются в клетки миелоидной линии кроветворения, чем в клетки лимфоидной линии. Это связано с тем, что с возрастом реже развивается острый лимфобластный лейкоз, а чаще — острый миелоидный лейкоз. Когда старые ГСК пересаживают молодым мышам, их структура и функциональная активность не меняются, что говорит о преобладании внутренних механизмов старения ГСК над внешними.

Пул стволовых клеток кишечного эпителия также увеличивается со временем за счет дифференцированных клонов в ответ на воздействие экзогенных факторов, в результате чего кишечник становится более чувствительным к ним, что свидетельствует о незначительной роли внутренней среды в старении стволовых клеток кишечника.

Старение стволовых клеток нервной ткани проявляется в уменьшении их числа, но не в изменении их функциональной активности. Со временем снижается уровень некоторых белков крови (IGF-1, GH, Wnt3, TGF-β или GDF11), которые подавляют нейрогенез, что, возможно, приводит к ухудшению памяти и обучаемости в старости. Популяция стволовых клеток волосяных фолликулов кожи не меняется с возрастом, но их функциональная активность падает, что может приводить к телогеновой алопеции. Меланоцитарные стволовые клетки, наоборот, сохраняют свою активность, но их количество уменьшается со временем, что влечет за собой появление седины.

Старение стволовых клеток — это сложный процесс, но механизмы, лежащие в его основе, согласно теории антагонистической плейотропии, приносят пользу для здоровья и выживаемости особи в молодом возрасте. Таким образом, изучив их и получив возможность изменять эти механизмы в сторону увеличения продолжительности жизни и уменьшения старения, не ухудшим ли мы тем самым уровень здоровья и выживаемости будущих поколений? На этот вопрос и предстоит ответить миру науки будущего.

Омоложение стволовых клеток

Экспрессия четырех факторов транскрипции из коктейля Яманака (OCT4, SOX2, KLF4 и c-MYC; OSKM) превращает соматические клетки в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (IPSCs). Перепрограммирование происходит посредством глобального ремоделирования хроматина, который в конечном итоге возвращает клетку в плюрипотентное состояние, соответствующее эмбриональной стволовой клетке, в том числе по паттерну метилирования ДНК. С одной стороны, это открывает большие перспективы для клеточной терапии: получив аутологичные IPSCs, их можно дифференцировать в нужный клеточный тип и таким образом провести «омоложение» клеток, тканей и органов. [5, с. 85]

В литературе описаны эксперименты с мышами, в которых удалось получить IPSCs in vivo, что теоретически позволяет проводить частичную репрограммацию с омолаживающим эффектом in vivo. Исследования показали, что циклическая экспрессия факторов Яманаки может увеличить продолжительность жизни прогероидных мышей (progeria mice) и улучшить клеточную функцию у мышей дикого типа. Также был продемонстрирован альтернативный подход к репрограммированию in vivo, который позволил обратить связанные со старением изменения в ганглиозных клетках сетчатки и восстановить зрение у мышей с глаукомой.

Недавние исследования также показали, что транзиторная экспрессия транскрипционных факторов in vitro может обратить старение фибробластов и хондроцитов человека, включая эпигенетические изменения, снижение экспрессии провоспалительных генов и "омоложение" регенеративного потенциала.

Все эти исследования предполагают, что в будущем будет возможна технология "омоложения" стволовых клеток ex vivo с последующей трансплантацией в резидентные стволовые ниши организма. В результате возможно кардинальное омоложение органов и тканей.

Вывод

Как мы видим, уже сейчас человечество обладает достаточно большой базой данных о свойствах и механизмах стволовых клеток, а также существуют способы омоложения стволовых клеток с их последующим использованием в медицинских целях.

Список литературы:

1. Парфёнов М.О. Актуальные проблемы применения стволовых клеток в современной медицине // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2016. №12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/aktualnye-problemy-primeneniya-stvolovyh-kletok-v-sovremennoy-meditsine (дата обращения: 17.12.2023).
2. Потентность // Большая российская энциклопедия: научно-образовательный портал URL: https://bigenc.ru/c/potentnost-1390db/?v=3991503 (дата обращения: 17.12.2023).
3. Zakrzewski W, Dobrzyński M, Szymonowicz M, Rybak Z. Stem cells: past, present, and future. Stem Cell Res Ther. 2019;10(1):68. Published 2019 Feb 26. doi:10.1186/s13287-019-1165-5 (дата обращения: 17.12.2023 г.)
4. Кондрашов В.А., Щапкова М.М., Пугачева М.Г. ОСОБЕННОСТИ СТАРЕНИЯ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК // Вестник науки №9 (30) том 1. С. 50 - 52. 2020 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/3584 (дата обращения: 17.12.2023 г.)
5. Баклаушев В.П., Самойлова Е.М., Кальсин В.А., Юсубалиева Г.М. Старение и омоложение резидентных стволовых клеток — новый путь к активному долголетию? // Клиническая практика. - 2022. - Т. 13. - №1. - C. 79-91. doi: 10.17816/clinpract104999 (дата обращения: 17.12.2023 г.)