Медицина

КЛЕТОЧНАЯ ТЕРАПИЯ: НОВЫЕ ПОДХОДЫ

В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в понимании биологии стволовых клеток. На этой основе получили импульс новые лечебные технологии, в частности, способы повышения регенерационного потенциала тканей при повреждении структур головного мозга. Работы в этом направлении активно ведут и сибирские ученые.

РЕЗЕРВЫ ОБНОВЛЕНИЯ ОРГАНИЗМА

Термин "стволовая клетка"* (СК) впервые был предложен еще в 1908 г. выдающимся русским ученым, одним из основоположников современной гистологии Александром Максимовым. Он предположил, что именно эти структуры костного мозга являются родоначальниками всех разнообразных клеток крови. Приоритет доказательства существования мезенхимальной (стромальной) стволовой клетки, способной давать начало элементам костной, хрящевой, фиброзной и жировой ткани, также принадлежит отечественной биологической науке. Так, сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи Александр Фриденштейн (впоследствии член-корреспондент РАМН) с коллегами в 1970-х годах впервые в мире показали наличие способности к самообновлению и потенциала дифференцировки (т.е. возможности развития изначально однородных в специализированные, зрелые, образующие ткани и органы) у клеток костного мозга.

Схема дифференцировки мезенхимальной (мультипотентной) стволовой клетки (МСК); КОЕ - колониеобразующие единицы (клеточные элементы, способные в культуре давать рост колоний клеток-предшественников).

Вместе с тем полученные ныне данные свидетельствуют о гораздо более высокой пластичности (регенераторном потенциале) организма высших животных, чем представлялось ранее. Эта способность определяется наличием глубокого резерва обновления соматических клеток за счет стволовых в постнатальном (с момента рождения) периоде. Они на протяжении всей жизни животного или человека участвуют в регенерации тканей в ответ на физиологическую убыль составляющих клеток или их гибель, вызванную повреждающим фактором. При этом следует отметить: СК могут делиться не только симметрично, образуя две однотипные стволовые, но и асимметрично, когда одна из вновь образованных (дочерних) выступает в роли копии своей предшественницы, полностью сохраняя ее мультипотентный потенциал, а другая оказывается прогениторной, т.е. уже имеет направление развития, чтобы впоследствии стать клеткой определенного органа - сердца, печени и др.

На сегодня экспериментально доказана возможность дифференцировки определенных резидентных (оседлых) стволовых клеток в специфические элементы тканей, отличных от тех, в которых они локализованы. Так, Брайном Петерсеном с соавторами (США) в 1999 г. было показано: гемопоэтическая (кроветворная) СК

способна дифференцироваться не только во все клеточные элементы крови, но и давать начало клеткам печени. А нейральная (ее производными в центральной нервной системе являются прежде всего нейроны) может служить источником кроветворных предшественников. Мезенхимальная же, дающая начало костной, хрящевой и жировой тканям, способна дифференцироваться в специализированные элементы нервной.

Поддержание популяции СК зависит от автономных регуляторов, контролирующих их деление под действием внешних сигналов, а также экспрессию (степень активации и проявления деятельности) тех или иных генов. Чрезвычайно важным представляется наличие у стволовых клеток уникальной способности под влиянием микроокружения** покидать тканевую нишу, где они находятся в "спокойном" состоянии, попадать в кровоток и в последующем оседать в необходимом для организма в данный момент месте, развиваясь затем в направлении, программируемом новым микроокружением. Именно эта способность, реализуемая в виде последовательной цепи процессов, в конечном итоге и позволяет нам рассчитывать на разработку универсального подхода регенеративной медицины. Суть его сводится к подражанию естественным регуляторным системам функционирования СК в организме, о чем речь пойдет далее.

КЛЕТОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

Высокий ростовой потенциал и пластичность развития эмбриональных, фетальных (относящихся к соответствующему периоду утробного развития) и взрослых стволовых клеток делают их весьма привлекательными для замещения тканей путем трансплантации либо создания искусственно воспроизведенных аналогов при нарушении регенерации. А выработанные сейчас подходы к их выделению и культивированию позволяют исследовать спонтанную или целенаправленную их дифференцировку, а также тонкие механизмы регуляции указанных процессов. Благодаря уже полученным данным открылась перспектива развивать новую стратегию лечения многих заболеваний с помощью клеточной терапии. Однако использование при этом экзогенных (взятых от другого организма) клеток и тканей в клинических условиях требует решения многих не только морально-этических, правовых, но, безусловно, и биологических проблем и может рассматриваться лишь как весьма отдаленное. Ибо трансплантация недифференцированных элементов, в том числе и СК, чревата рядом осложнений и побочных эффектов.

Согласно современным представлениям, организм животных обладает уникальным свойством лимитировать количество делений клеток с высоким пролиферативным потенциалом (способностью к размножению). В оптимальных условиях данное обстоятельство закономерно приводит к потере дочерними клетками возможности безграничной репопуляции и позволяет избежать их злокачественной либо доброкачественной трансформации. Но механизмы, ограничивающие число делений, зачастую оказываются несостоятельными в отношении экзогенных (взятых от другого организма) и даже аутологичных (собственных) мезенхимальных стволовых клеток, что при введении низкодифференцированных популяций извне может обусловливать их безудержную пролиферацию в организме реципиента и, как следствие, - туморогенность (опухолевое перерождение). Клетки, извлеченные из физиологического местопребывания и адекватно не подготовленные (у них не переключается экспрессия генов, ответственных за проявление различных функций), при выполнении задач, "требуемых" от них незамедлительно, безусловно, могут давать существенные сбои в своем развитии. Кроме того, при такого рода пересадках хорошо известны осложнения иммунного характера, в том числе связанные с развитием реакции "трансплантат против хозяина". Существен для осторожного и взвешенного отношения к проведению трансплантаций материала, содержащего СК, и факт отсутствия пока технологий, позволяющих быть абсолютно уверенным в "оседании" пересаженных структур непосредственно в органе, нуждающемся во вмешательстве. Тем более никто не может гарантировать развития и созревания клеток-предшественников в организме именно в те элементы, которые соответствуют поврежденным тканям.

АЛЬТЕРНАТИВА ТРАНСПЛАНТАЦИЯМ

Представленные выше подходы, безусловно, интересны и, вероятно, широко войдут в практику медицины, но только, повторим, не в ближайшем будущем. При этом следует учитывать, что их реализация исключает использование одной из важнейших способностей эндогенных (собственных) СК взрослого организма: мобилизации их из "тканей-депо", т.е. выхода в кровь. В отличие от клеток, вводимых извне, функциональный статус которых, по крайней мере на субклеточном и генетическом уровнях остается пока во многом неизвестен и существует относительно высокая вероятность включения механизмов, отличных от нормы, стимуляция эндогенных СК представляется наиболее безопасной.

В связи с этим важнейшим фактором активно развивается стратегия регенеративной медицины, заключающаяся в стимуляции восстановительных процессов в поврежденных органах и тканях с помощью собственных стволовых клеток. Данный подход стал возможным благодаря обнаружению и выделению субстанций, обладающих способностью активировать СК взрослого организма в их "тканях-депо" и вызывать выход в кровь. Таким образом, использование максимального набора уникальных свойств этих удивительных клеток (способность мигрировать, высокий потенциал пролиферации и дифференцировки) дает возможность реализовать методы фармакологической регуляции их жизнедеятельности с лечебной целью. При этом тот факт, что направление развития СК определяется специфичностью подаваемого им сигнала, т.е. микроокружением, позволяет избежать осложнений, вероятных при трансплантациях. Мобилизация (стимуляция выхода в циркулирующую кровь, либо из-под ингибирующего влияния микроокружения) и дальнейшее "оседание" в области повреждения будет в каждом конкретном случае способствовать дифференцировке именно в те специфические элементы, которые характерны для проблемной зоны.

Схема механизмов терапевтического действия гранулоцитарного колониестимулирующего фактора при энцефалопатии различного генеза.

Серые стрелки - эффект, связанный с мобилизацией, миграцией и хомингом МСК в головной мозг, а также с активацией эритропоэза; белая стрелка - снижение токсичности веществ, выделяемых организмом при энцефалопатии.

Тонкие стрелки - изменения практически отсутствуют; жирные - активация.

Подобная активация прогениторных клеток в эксперименте наблюдается под влиянием ряда биологически активных веществ, продуцируемых в различных тканях, назначение которых ранее воспринималось гораздо уже: тромбопоэтина, стимулирующего выработку тромбоцитов, фактора роста фибробластов, способствующего продукции стромальных элементов, гранулоцитарного колониестимулирующего фактора, активизирующего кроветворные клетки-предшественники, и др.

МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ РЕГЕНЕРАЦИИ ТКАНЕЙ

В НИИ фармакологии Томского научного центра СО РАМН уже два десятилетия изучают роль стволовых клеток различных классов в регенерации тканей и тонкие механизмы их регуляции как в норме, так и при моделировании заболеваний.

Экспериментальными моделями за это время служили цитостатические (блокирующие деление клеток), лучевые воздействия, иммобилизационный стресс (вызывается резким ограничением двигательной активности), невротические состояния, гипоксия, энцефалопатии (патологии головного мозга) различного происхождения, инфаркт миокарда, хронический токсический гепатит, сахарный диабет и др. При этом использование оригинальных культуральных методов выявления СК позволило впервые в мире получить ряд уникальных данных и расшифровать многие закономерности управления функциями рассматриваемых структур.

Так, удалось определить роль механизмов "глубокого резерва", связанного с прогениторными клетками, в регенерации тканей органов-мишеней (поврежденных патогенным фактором) при моделировании различных заболеваний. В частности, показано: в большинстве случаев происходит активация преимущественно регионарных (находящихся в самом органе) клеток-предшественников, причем уже коммутированных (развивающихся в сторону специализации). При этом если орган-мишень - ткани, обладающие высокой способностью к пролиферации, такие, как костный мозг или печень, либо при относительно невысокой степени повреждения тканей (например, незначительные нарушения кожных покровов), то активации вышеуказанных механизмов оказывается вполне достаточно для успешной адаптации. В тех же случаях, когда поражение более тяжелое или оно затрагивает органы, имеющие чрезвычайно низкий собственный регенеративный потенциал, в первую очередь, конечно, головной мозг, то действия описанных механизмов не хватает. Тогда адекватная регенерация становится невозможной - наступает декомпенсация, в конечном итоге приводящая к полной или частичной утрате функции органа. В частности, при развитии энцефалопатии различного происхождения, острой коронарной недостаточности, хронического токсического гепатита, сахарного диабета активация стволовых клеток "тканей-депо" слабо выражена и практически не сопровождается их выходом в кровь.

Выше мы упоминали ряд биологически активных веществ, выступающих в роли межклеточных белковых сигнальных молекул - цитокинов, способных приводить к стимуляции процессов регенерации. Однако использование большинства из них в лечебной практике по эффективным схемам и в оптимальных дозах представляется маловероятным. Практически все цитокины являются полифункциональными факторами роста, иными словами - регуляторными субстанциями. Они вызывают изменения состояния большого числа клеточных элементов различных органов и систем. Поэтому их применение в качестве лекарств чревато не только возможными осложнениями, характерными в целом для белковых препаратов, но и рядом тяжелых побочных эффектов.

На таком фоне в качестве модулятора функций стволовых клеток достаточно перспективным выглядит гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (Г-КСФ), в естественных условиях вырабатываемый, в первую очередь, в гемопоэтической ткани. Препараты на его основе, полученные рекомбинантным (генно-инженерным) путем, применяют в онкологической практике, поскольку они стимулируют образование клеток крови.

Значительно расширились потенциальные возможности использования этого вещества после того, как в нашем институте в 2005 г. была выявлена его способность вызывать мобилизацию мезенхимальных стволовых клеток. Последовавшая активная работа ученых из многих стран в данном направлении за короткий срок привела к впечатляющим результатам. Скажем, наши сотрудники показали высокую эффективность данного цитокина при экспериментальных энцефалопатиях, инфаркте миокарда, хроническом токсическом гепатите и сахарном диабете. В литературе приведены сведения еще о целом ряде заболеваний, поддающихся терапии с участием этого биологически активного вещества. Реализация его эффекта во всех случаях связана с активацией мультипотентных СК "тканей-депо" (в первую очередь - костного мозга), стимуляцией их выхода в кровоток с последующим "оседанием" в поврежденных зонах. В дальнейшем наблюдается созревание клеток-предшественников либо в специализированные тканевые элементы, либо в клетки микроокружения. Так, при повреждении структур головного мозга развертывание цепи процессов (в принципе, заложенных организмом, но по каким-то обстоятельствам не срабатывающим), в конечном итоге, приводит к замене погибших нервных клеток новыми и тем самым сохранению нейрональных ансамблей, ответственных за выполнение тех или иных функций.

Правда, риск возникновения побочных эффектов, о чем шла речь выше, лимитирует использование указанного довольно токсичного препарата в клинике при лечении дегенеративных заболеваний. И пока нет абсолютной гарантии, что возможность достижения успеха превосходит степень риска.

В связи с этим в мире активно ведется поиск других потенциально менее опасных модификаторов функций стволовых клеток. В перспективе несомненный интерес представляют растворы малых доз антител к определенным факторам, в некоторых случаях способных вызывать эффекты, аналогичные стимулируемым самими биологическими веществами. Исключение не составляют и препараты малых доз антител к факторам роста, способных модифицировать функции СК. Препараты данного класса стимулируют выработку соответствующих эндогенных биологически активных веществ. Впрочем, для реализации эффекта требуется некоторое время, а это не всегда позволительно в практической медицине (особенно при острых патологических состояниях).

Вместе с тем существует более перспективный подход, разработку которого наш Институт ведет совместно с "Сибирским центром фармакологии и биотехнологий" (Новосибирск), что, очевидно, в будущем позволит не только повысить безопасность применения Г-КСФ, но и увеличить эффективность его действия, а также расширить сферу использования за счет уменьшения группы риска среди пациентов. Данная стратегия стала возможной благодаря развитию нанотехнологий и их внедрению в область создания лекарственных средств. В результате удается модифицировать как структуру, так и функции молекул биологически активных белковых веществ, в том числе и Г-КСФ. В частности, у новой конструкции, уже проходящей доклинические испытания, показано снижение токсических эффектов, уменьшение иммуногенности, а также существенное повышение устойчивости к протеолитическим ферментам, осуществляющим переваривание белков пищи. Последняя особенность означает, что подобные препараты смогут без разрушения преодолевать кишечную стенку.

Следующий подход к решению задач регенеративной медицины в результате активации собственных ресурсов организма - модификация функций прогениторных клеток путем изменения свойств межклеточного матрикса с помощью различных ферментов. Реализация данного направления связана с тем, что отдельные компоненты внеклеточного вещества вызывают различные по своему характеру изменения пролиферации и дифференцировки стволовых клеток, в том числе способны приводить к существенному повышению их резерва в организме. При комбинации определенных факторов роста и модификаторов межклеточного матрикса удается до безопасного уровня снизить токсичность (за счет уменьшения дозы) препаратов на основе цитокинов на фоне максимального роста эффективности проводимой терапии.

В целом, можно констатировать: накопленные материалы свидетельствуют не только о принципиальной возможности изменения функций клеток-предшественников с помощью различных фармакологических агентов, созданных на основе эндогенных регуляторов и приводящих к ускорению регенерации тканей, но и о перспективности данного подхода в клинике.

* См.: В. Ярыгин и др. Всемогущие клетки. - Наука в России, 2004. N 1; А. Коноплянников и др. Реалии и перспективы клеточной терапии. - Наука в России, 2008, N 2.

** Микроокружение - сложная система, обеспечивающая выживание, рост и дифференцировку стволовых клеток посредством межклеточных взаимодействий и сигнальных факторов - биологически активных молекул.

Академик РАМН Александр ДЫГАЙ, директор Научно-исследовательского института фармакологии Томского научного центра СО РАМН, доктор медицинских наук Глеб ЗЮЗЬКОВ, ведущий научный сотрудник лаборатории патофизиологии и экспериментальной терапии того же Института