СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ (История и перспективы)

ÊËÅÒÎ×ÍÀß ÁÈÎÒÅÕÍÎËÎÃÈß, ÖÈÒÎËÎÃÈß, ÃÅÍÅÒÈÊÀ
к внутривидовой изменчивости и появлению гетерогенных штаммов, например,
бескинетопластных штаммов T. evansi и Т.
equiperdum (S. Haiduk, 1976; A. Fraschetal,
1980).
Сравнивая результаты методов, характеризующихся различной разрешающей
способностью — от применения клинических тестов до высокочувствительных способов генотипирования, выявляющих различия низкого ранга, мы получаем возможность утверждать о близости T. evansi
и Т. equiperdum. Очевидно, изменения биологических свойств популяции простейших регулируются множеством механизмов: специфическими индукторами организма хозяина и неспецифическими факторами среды, включая температуру, осмомолярную рН, кислород, регрессию, голо-
дание и тепловой шок.
В соответствии с адаптивной нормой
популяции наиболее приспособленные
«средние» фенотипы состоят из множества дискретных генотипов, отличающихся по степени приспособленности. В совокупности это обеспечивает, как указывалось выше, широкую норму реакции популяции как целостной системы (Ю.П. Алтухов, 1983).
Заключение. Завершая обсуждение литературных данных и результатов собственных исследований по Т. equiperdum и T.
evansi, следует предположить о существовании в природе 2-х вариантов (земодемов)
одного вида трипаносом, которые в определенных условиях могут вызвать случную
болезнь у однокопытных, а в других — суауру у однокопытных.
УДК 576.3:576.535:57.08
И.К. Абдрахманов (Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной ветеринарии им. Я.Р. Коваленко)
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ
(История и перспективы)
Стволовые клетки (СК) представляют
собой пул запасных недифференцированных клеток организма, способных к самовоспроизведению в течение всей жизни и
дифференцировке в специализированные
ткани в т. ч. клетки крови в определенных
условиях.
Термин стволовая клетка был предложен в 1908 г. А.А. Максимовым/ В середине
семидесятых советский ученый Александр
Фриденштейн, изучая стволовые клетки
костного мозга, доказал, что именно там,
главным образом, находится их депо [10].
В начале 70-х годов 20 века Л. Стивенс
обнаружил высокую частоту спонтанного возникновения тератокарцином в половых зачатках эмбрионов мышей линии 129.
Среди конгломератов клеток наблюдалась
неорганизованная масса дифференцированных клеток: фрагментов кожи, хряща,
волос, скопления миоцитов и кардиомиоцитов, кроветворной ткани [23]. Стивенс
первый высказал догадку, что дифференцированные клетки образуются не из раковых клеток, а из малой примеси пролиферирующих плюрипотентных половых
зародышевых клеток, которые он описал
как «эмбриональные стволовые клетки»
(ЭСК). В 1975 году было показано, что введение предымплантационных зародышей
мыши или крысы в любую ткань вне матВетеринарная патология. № 1. 2005
ки ведет к образованию опухоли из части
клеток зародыша (эмбриокарцином) [17].
В 1981 г. появились две независимые
публикации об открытии плюрипотентных клеток из эмбрионов мыши, которые
также назвали эмбриональными стволовыми клетками (М. Кауфман, М. Эванс [7]
и Г. Мартин [15]). С этого момента началась эра ЭСК.
В 1998 году Джеймс Томсон изолировал несколько линий бессмертных ЭСК
человека, полученных из внутренней клеточной массы (ВКМ) бластоцисты [25].
Источником ЭСК послужили предымплантационные зародыши, остающиеся неиспользованными для экстракорпорального
оплодотворения, после процедуры суперовуляции.
В 1999 году журнал Science признал открытие ЭСК третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Осознание важнейшей роли ЭСК
в биологии и медицине состоялось в опережающем режиме, поскольку в открытой
печати в 1999 году об ЭСК человека появилось не более 4-5 фундаментальных публикаций, хотя биологические компании в
конце ХХ века уже получили более 2500
патентов на новые технологии и манипуляции с ЭСК [2].
55
ÊËÅÒÎ×ÍÀß ÁÈÎÒÅÕÍÎËÎÃÈß, ÖÈÒÎËÎÃÈß, ÃÅÍÅÒÈÊÀ
Свойства стволовых клеток
Поскольку СК не выполняют определенную специализированную функцию,
им не свойственен какой либо характерный вид. Однако, не будучи внешне дифференцированными, они, тем не менее, детерминированы. Клетку считают детерминированной, если в ней произошло стойкое
внутреннее изменение, которое делает ее и
ее потомков отличными от других клеток
и предопределяет развитие по специализированному пути.
Таким образом, для СК определяющими будут следующие свойства:
Способность к самообновлению
Из каждой СК в организме при митозе образуется две дочерние клетки, одна из
которых является полной копией материнской и способна самообновляться, а вторая
изначально детерминирована и обладает
определенной потенцией к дифференцировке.
Мультипотентность (широкий потенциал к дифференцировке)
Согласно принятому определению СК,
порождающие только один вид дифференцированных клеток, называются унипотентными (или монопотентными), два
– бипотентными. Те клетки, которые дают
начало нескольким видам разных специализированных клеток называются плюрипотентными или мультипотентными. Тотипотентность – способность клетки дифференцироваться во все типы клеток и тканей организма (в любую из 350 специализированных линий - производных эктодермы, мезодермы и энтодермы).
Пластичность
При введении обратно в организм после культивирования СК способны принимать фенотип той ткани, в которую они попали. Например, СК становятся кардиомиоцитами при введении в сердечную мышцу,
нейронами или клетками глии при введении в головной мозг, адипоцитами при попадании в жировую ткань.
Номенклатура стволовых клеток.
Согласно общепринятой номенклатуре, стволовые клетки делятся на две основные группы:
Эмбриональные стволовые клетки
(ЭСК).
Описано три типа ЭСК млекопитающих:
- эмбриональные клетки карцином;
- эмбриональные клетки, полученные
на ранней стадии развития эмбриона из
внутренней клеточной массы (ВКМ) бластоцисты, называемые «истинными» стволовыми клетками;
- примордиальные зародышевые клетки (ПЗК), выделенные из полового бугор56
ка эмбрионов.
Эмбриональные стволовые клетки, получаемые на ранних стадиях развития эмбриона, являются источником развития тканей, берущих начало из всех трех зародышевых листков: эктодермы, эндодермы,
мезодермы.
В самые последние годы постоянные
линии ЭСК изолированы из эмбрионов хомячков [20], кроликов [12], овец [13], свиней [18, 9], крупного рогатого скота [9, 24],
приматов [26]. Все ЭСК имеют близкую
морфологию, фенотип и почти идентичный набор молекулярных механизмов для
запуска развития.
Региональные стволовые клетки (РСК)
Стволовые клетки взрослого организма или региональные стволовые клетки
(РСК) являются недифференцированными клетками, обнаруженными в специализированных тканях. Они обладают способностью самовоспроизводиться во все
типы клеток той ткани, из которой происходят.
РСК малочисленны и распределены в
тканях дисперсно. О происхождении СК
различных тканей взрослого организма известно мало. При дифференцировке взрослые СК сначала образуют клетки промежуточного типа, называемые клетками –
предшественниками. Это частично дифференцированные клетки, которые делятся и
дают начало дифференцированным. Для
взрослых СК характерна основная способность всех стволовых клеток – плюрипотентность, т.е. практически все РСК, за
редким исключением (монопотентные
стволовые клетки роговицы глаза) способны давать начало клеткам различных
типов. Например, стволовые клетки крови
способны дифференцироваться в различные клеточные элементы крови [2].
Олтман и Дас (1965г.) показали наличие СК в двух отделах головного мозга
крысы – гипокампе и обонятельной луковице, которые могут дифференцироваться в три основных клеточных типа — астроциты, олигодендроциты и нейроны [7]. В
последствии аналогичные клетки были получены из субвентрикулярной и вентрикулярной зон головного мозга [5, 11, 22].
В результате многолетних исследований РСК были получены эндотелиальные, скелетно-мышечные, печеночные, нервные, кожи, поджелудочной железы и др.
систем организма, и изучена их потенция к
дифференцировке [6, 11, 14, 22, 27].
Применение стволовых клеток
Пути применения СК в ветеринарии достаточно многочисленны: в фундаментальной биологии, так и в прикладной ветеринарии. Так ЭСК различных видов животВетеринарная патология. № 1. 2005
ÊËÅÒÎ×ÍÀß ÁÈÎÒÅÕÍÎËÎÃÈß, ÖÈÒÎËÎÃÈß, ÃÅÍÅÒÈÊÀ
ных являются незаменимой моделью для
изучения эмбриогенеза млекопитающих.
Поскольку ЭСК являются тотипотентными клетками, они могут быть использованы в качестве удобной модели in vitro для
изучения процессов цитодифференцировки в развитии млекопитающих [4].
Достижения мировой и отечественной клеточной инженерии показали, что
открывается возможность массового получения генетически идентичных особей
сельскохозяйственных животных с выдающимися продуктивными качествами путем клонирования. Это даст возможность
на порядок увеличить темпы генетического совершенствования племенных и товарных стад, создать товарные стада, в которых животные характеризуются меньшей
изменчивостью продуктивных признаков.
В связи с этим, альтернативным и перспективным подходом является использование
СК млекопитающих в качестве неиссякаемого источника тотипотентных ядер при
создании новых клеточных типов в процессе клонирования.
Стволовые клетки млекопитающих
также могут использоваться как вектор
для переноса рекомбинантной ДНК в организм животных. После введения ЭСК
в гонады зародыша они способны принимать участие в формировании всех органов и тканей химерного организма, и поэтому являются удобным материалом для
проведения геномных манипуляций у млекопитающих [3, 4].
В практической ветеринарии СК могут быть использованы в заместительной
терапии при различных патологиях. Уже
отработаны и применяются методики создания трехмерных клеточных конструкций, применяемых для замещения обширных дефектов костей, кожи, хрящей [6].
Используется трансплантация СК костного мозга при онкологических заболеваниях животных. Апробируются методы клеточной терапии с использованием СК в лечении аутоиммунных и эндокринных заболеваниях домашних животных.
Еще одним из важнейших аспектов
применения СК является сохранение генетических ресурсов редких и исчезающих
видов животных. В последнее время мировые сообщества и организации, занимающиеся сохранением генетических ресурсов исчезающих животных, обратили свои
усилия на создание криологических банков ДНК, в которые закладываются образцы клеток и тканей животных, занесенных
в международную Красную Книгу. В Европе этот проект получил название «Frozen
Ark» (Замороженный Ковчег). Подобный
проект сейчас создается и в нашей стране.
При этом СК этих животных представляет
собой универсальную строительную «библейскую глину», из которой были «вылеплены» все виды многоклеточной жизни и
ядра этих клеток несут в себе всю генетическую информацию.
Таким образом, СК млекопитающих
представляют собой новый инструмент для
решения задач биотехнологии, их изучение
является актуальным и многообещающим
для клеточной и генетической инженерии,
на которых базируется биология развития
млекопитающих, а также сельскохозяйственная биотехнология.
Литература
1. Материалы научного совещания, посвященного 125-летию со дня рождения А.А. Максимова.
– С.-Петербург, 1999.
2. Репин В.С. Эмбриональная стволовая клетка: от
фундаментальных исследований в клинику. // Патол., физиол. и эксп. тер. 2001, № 2, с. 3-8.
3. Приданцева Т.А., Савченкова И.П., Абдрахманов
И.К. Выделение и культивирование примордиальных половых зародышевых клеток свиньи. //
Ветеринарная патология, № 1(5), 2003. – С. 37-39.
4. Савченкова И.П. Эмбриональные стволовые
клетки в биологии: настоящее и будущее. – Дубровицы, 1999. – 95 с.
5. Сухих Г.Т., Малайцев В.В. Нейральная стволовая
клетка: биология и перспективы нейротрансплантации. // Бюллетень экспериментальной
биологии и медицины, 2001, 131, № 3, с. 244-255.
6. Шумаков В.И., Онищенко Н.А., Крашенинников
М.Е., Зайденов В.А., Потапов И.В., Башкина
Л.В., Берсенев А.В. Костный мозг как источник
получения мезенхимальных клеток для восстановительной терапии поврежденных органов.
Вестник трансплантологии и искусственных
органов 2002; 4: 7-11
7. Altman J, Das GD (1965) Autoradiographic and
histologic evidence of postnatal neurogenesis in rats.
J Comp Neurol 124:319–335.
Ветеринарная патология. № 1. 2005
8. Evans, M.J. & Kaufman, M. Establishment in culture
of pluripotential stem cells from mouse embryos.
Nature 292, 151-156 (1981).
9. Evans, M.J., Notarianni, E., Laurie, S., and Moor, R.M.
(1990). Derivation and preliminary characterization
of pluripotent cell lines from porcine and bovine
blastocysts. Theriogenology 33, 125–128.
10. Friedenstein AJ, Chailakhjan RK, Lalykina KS.
1970. The development of fibroblast colonies in
monolayer cultures of guinea-pig bone marrow and
spleen cells. Cell Tissue Kinet 3:393–403.
11. Gage, F. H. Mammalian neural stem cells. Science
287, 1433–1438 (2000).
12. Giles, J.R., Yang, X., Mark, W., and Foote, R.H. (1993).
Pluripotency of cultured rabbit inner cell mass cells
detected by isozyme analysis and eye pigmentation
of fetuses following injection into blastocyst or
morulae. Mol. Reprod. Dev. 36, 130–138.
13. Handyside, A., Hooper, M.L., Kaufman, M.H., and
Wilmut, I. (1987). Towards the isolation of embryonal
stem cell lines from the sheep. Roux’s Arch. Dev.
Biol. 196, 185–190.
14. Jackson, K.A., Mi,T. & Goodell, M.A. Hematopoietic
potential of stem cells isolated from murine skeletal
muscle. Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 14482–14486
(1999).
15. Martin G. Isolation of pluripotent cell line from early
57
ÊËÅÒÎ×ÍÀß ÁÈÎÒÅÕÍÎËÎÃÈß, ÖÈÒÎËÎÃÈß, ÃÅÍÅÒÈÊÀ
mouse embryos cultured in medium conditioned by
teratocarcinoma stem cell. – Proc. Natl. Acad. Sci.
USA, 1981, V.78, p.7634.
16. Maximow A. (1909). Der Lymphozyt als gemeinsame Stammzelle der verschiedenen Blutelemente in der embryonalen Entwicklung und im postfetalen Leben der Säugetiere. Folia Haematologica
8:1–9.
17. Mintz B, Illmensee K. Normal genetically mosaic
mice produced from malignant teratocarcinoma
cells. Proc Natl Acad Sci USA 1975;72:3585-3589.
18. Notarianni, E., Laurie, S., Moor, R.M., and Evans,
M.J. (1990). Maintenance and differentiation in
culture of pluripotential embryonic cell lines from
pig blastocysts.J. Reprod. Fertil. Suppl. 41, 51–56.
19. Petersen B.E., Bowen W.C., Patrene K.D. et.al. //
Bone Marrow as a Potential Source of Hepatic Oval
Cells // Science. 1999, V.284, 14 May, P. 1168-1170.
20. Piedrahita, J.A., Guillespie, L., and Maeda, N.
(1990a). Establishment an embryonic stem (ES) cell
system utilizing hamster embryos. Biol. Reprod. 42,
175 (abstr.).
21. Pridantseva T., Savchenkova I., Abdrakhmanov I.
Isolation of primordial germ cells from pig fetuses
58
// Proceedings of the VIIth International Congress
of Andrology «Andrology in the 21st Century». Montreal, Quebec, Canada. - 2001. – P. 143-148.
22. Reynolds, B. A. & Weiss, S. Generation of neurons
and astrocytes from isolated cells of the adult
mammalian central nervous system. Science 255,
1707–1710 (1992).
23. Stevens LC. 1970.The development of transplantable
teratocarcinomas from intratesticular grafts of preand postimplantation mouse embryos. Dev. Biol.
21:364–82
24. Stice, S.L., Strelchenko, N.S., Keefer, C.L., and
Mathews, L. (1996). Pluripotent bovine embryonic
cell lines direct embryonic development following
nuclear transfer. Biol. Reprod. 54, 100–110.
25. Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz
MA, Swiergiel JJ, Marshall VS, et al. Embryonic stem
cell lines derived from human blastocysts. Science
1998;282:1145-7.
26. Thomson, J.A. et al. Isolation of a primate embryonic
stem cell line. Proc.Natl. Acad. Sci. USA 92, 78447844 (1995).
27. Tropepe, V. et al. Retinal stem cells in the adult
mammalian eye. Science 287, 2032–2036 (2000).
Ветеринарная патология. № 1. 2005