Гемопоэтические стволовые клетки ( ГСК ) — это стволовые клетки [1] , которые дают начало другим клеткам крови . Этот процесс называется гемопоэзом . [2] У позвоночных первые окончательные ГСК возникают из вентральной эндотелиальной стенки эмбриональной аорты в области аорты-гонады-мезонефроса (в середине беременности) посредством процесса, известного как эндотелиально-гематопоэтический переход. [3] [4] У взрослых гемопоэз происходит в красном костном мозге , в ядре большинства костей. Красный костный мозг происходит из слоя эмбриона , называемого мезодермой .
Гематопоэз — это процесс, посредством которого производятся все зрелые клетки крови. Он должен уравновешивать огромные потребности в производстве (средний человек производит более 500 миллиардов клеток крови каждый день) с необходимостью регулировать количество каждого типа клеток крови в кровообращении. У позвоночных подавляющее большинство гемопоэза происходит в костном мозге и происходит из ограниченного числа гемопоэтических стволовых клеток, которые являются мультипотентными и способны к обширному самообновлению .
Гемопоэтические стволовые клетки дают начало различным типам клеток крови, в линиях, называемых миелоидными и лимфоидными . Миелоидные и лимфоидные линии обе участвуют в образовании дендритных клеток . Миелоидные клетки включают моноциты , макрофаги , нейтрофилы , базофилы , эозинофилы , эритроциты и мегакариоциты до тромбоцитов . Лимфоидные клетки включают Т-клетки , В-клетки , естественные клетки-киллеры и врожденные лимфоидные клетки .
Определение гемопоэтических стволовых клеток развивалось с тех пор, как они были впервые обнаружены в 1961 году. [5] Кроветворная ткань содержит клетки с долгосрочными и краткосрочными регенерационными способностями и преданные мультипотентные , олигопотентные и унипотентные предшественники. Гематопоэтические стволовые клетки составляют 1:10 000 клеток в миелоидной ткани .
Трансплантации ГСК используются при лечении рака и других расстройств иммунной системы [6] из-за их регенеративных свойств. [7]
Они круглые, не прилипающие, с округлым ядром и низким соотношением цитоплазмы к ядру. По форме гемопоэтические стволовые клетки напоминают лимфоциты .
Самые первые гемопоэтические стволовые клетки во время эмбрионального развития (мыши и человека) обнаруживаются в области аорты, гонад и мезонефроса , а также в желточных и пупочных артериях. [8] [9] [10] Чуть позже ГСК также обнаруживаются в плаценте, желточном мешке, голове эмбриона и печени плода. [3] [11]
Стволовые и прогениторные клетки можно взять из таза, из подвздошного гребня, с помощью иглы и шприца. [12] Клетки можно извлечь в виде жидкости (чтобы сделать мазок и изучить морфологию клеток) или их можно извлечь с помощью пункционной биопсии (чтобы сохранить архитектуру или взаимосвязь клеток друг с другом и с костью). [ необходима цитата ]
Колониеобразующая единица является подтипом HSC. (Это значение термина отличается от колониеобразующих единиц микробов, которые являются единицей подсчета клеток .) Существуют различные виды колониеобразующих единиц HSC:
Вышеуказанные КОЕ основаны на родословной. Другой КОЕ, колониеобразующая единица-селезенка (КОЕ-С), был основой клонального образования колоний in vivo , которое зависит от способности инфузионных клеток костного мозга давать начало клонам созревающих гемопоэтических клеток в селезенках облученных мышей через 8–12 дней. Он широко использовался в ранних исследованиях, но теперь считается, что он измеряет более зрелые прогениторные или транзитно-амплифицирующие клетки, а не стволовые клетки [ требуется ссылка ] .
Поскольку гемопоэтические стволовые клетки не могут быть выделены как чистая популяция, их невозможно идентифицировать в микроскопе. [ необходима цитата ] Гематопоэтические стволовые клетки могут быть идентифицированы или выделены с помощью проточной цитометрии , где комбинация нескольких различных маркеров клеточной поверхности (в частности, CD34 ) используется для отделения редких гемопоэтических стволовых клеток от окружающих клеток крови. Гематопоэтические стволовые клетки не экспрессируют маркеры зрелых клеток крови и поэтому называются Lin-. Отсутствие экспрессии маркеров линии используется в сочетании с обнаружением нескольких положительных маркеров клеточной поверхности для выделения гемопоэтических стволовых клеток. Кроме того, гемопоэтические стволовые клетки характеризуются небольшим размером и слабой окраской витальными красителями, такими как родамин 123 (родамин lo ) или Hoechst 33342 (боковая популяция).
Гемопоэтические стволовые клетки необходимы для кроветворения, образования клеток в крови. Гемопоэтические стволовые клетки могут восполнять все типы клеток крови (т. е. являются мультипотентными ) и самообновляться. Небольшое количество гемопоэтических стволовых клеток может расширяться, чтобы генерировать очень большое количество дочерних гемопоэтических стволовых клеток. Это явление используется при трансплантации костного мозга [13] , когда небольшое количество гемопоэтических стволовых клеток восстанавливает кроветворную систему. Этот процесс указывает на то, что после трансплантации костного мозга должны происходить симметричные деления клеток на две дочерние гемопоэтические стволовые клетки.
Считается, что самообновление стволовых клеток происходит в нише стволовых клеток в костном мозге, и разумно предположить, что ключевые сигналы, присутствующие в этой нише, будут важны для самообновления. [2] Существует большой интерес к экологическим и молекулярным требованиям для самообновления HSC, поскольку понимание способности HSC к самовосстановлению в конечном итоге позволит генерировать расширенные популяции HSC in vitro , которые можно будет использовать в терапевтических целях.
Гемопоэтические стволовые клетки, как и все взрослые стволовые клетки , в основном находятся в состоянии покоя или обратимой остановки роста. Измененный метаболизм покоящихся ГСК помогает клеткам выживать в течение длительных периодов времени в гипоксической среде костного мозга. [14] При провоцировании клеточной смерти или повреждения гемопоэтические стволовые клетки выходят из состояния покоя и снова начинают активно делиться. Переход от покоя к размножению и обратно регулируется путем MEK/ERK и путем PI3K/AKT/mTOR . [15] Нарушение регуляции этих переходов может привести к истощению стволовых клеток или постепенной потере активных гемопоэтических стволовых клеток в кровеносной системе. [15]
Гемопоэтические стволовые клетки имеют более высокий потенциал, чем другие незрелые клетки крови, чтобы пройти костномозговой барьер , и, таким образом, могут перемещаться в крови из костного мозга в одной кости в другую кость. Если они оседают в тимусе , они могут развиться в Т-клетки . В случае плодов и другого экстрамедуллярного кроветворения . Гемопоэтические стволовые клетки могут также оседать в печени или селезенке и развиваться.
Это позволяет собирать гемопоэтические стволовые клетки непосредственно из крови.
Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток (ТГСК) — это трансплантация мультипотентных гемопоэтических стволовых клеток , обычно полученных из костного мозга, периферической крови или пуповинной крови. [16] [17] [13] Она может быть аутологичной (используются собственные стволовые клетки пациента), аллогенной (стволовые клетки берутся от донора) или сингенной (от однояйцевого близнеца). [16] [17]
Чаще всего она применяется у пациентов с определенными видами рака крови или костного мозга , такими как множественная миелома или лейкемия . [17] В этих случаях иммунная система реципиента обычно разрушается радиацией или химиотерапией перед трансплантацией. Инфекция и реакция «трансплантат против хозяина» являются основными осложнениями аллогенной ТГСК. [17]
Для того чтобы собрать стволовые клетки из циркулирующей периферической крови, донорам крови вводят цитокин , такой как гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (G-CSF), который побуждает клетки покидать костный мозг и циркулировать в кровеносных сосудах. [18] В эмбриологии млекопитающих первые окончательные гемопоэтические стволовые клетки обнаруживаются в AGM ( аорта-гонады-мезонефрос ), а затем они массово размножаются в печени плода перед колонизацией костного мозга до рождения. [11]
Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток остается опасной процедурой со множеством возможных осложнений; она предназначена для пациентов с опасными для жизни заболеваниями. Поскольку выживаемость после процедуры увеличилась, ее применение распространилось за пределы рака на аутоиммунные заболевания [19] [20] и наследственные скелетные дисплазии ; в частности, злокачественный инфантильный остеопетроз [21] [22] и мукополисахаридоз . [23]
Стволовые клетки могут быть использованы для регенерации различных типов тканей. HCT является общепризнанной терапией хронического миелоидного лейкоза, острого лимфолейкоза, апластической анемии и гемоглобинопатий, в дополнение к острому миелоидному лейкозу и первичным иммунодефицитам. Регенерация кроветворной системы обычно достигается в течение 2–4 недель после химио- или лучевой терапии и HCT. HSC проходят клинические испытания для их использования в регенерации негематопоэтических тканей. [24]
Разрывы нитей ДНК накапливаются в долгосрочных гемопоэтических стволовых клетках во время старения. [25] Это накопление связано с широким ослаблением путей восстановления и ответа ДНК, которые зависят от покоя HSC. [25] Негомологичное соединение концов (NHEJ) — это путь, который восстанавливает двухцепочечные разрывы в ДНК. NHEJ называют «негомологичным», потому что концы разрывов напрямую лигируются без необходимости в гомологичной матрице. Путь NHEJ зависит от нескольких белков, включая лигазу 4 , ДНК-полимеразу мю и фактор NHEJ 1 (NHEJ1, также известный как Cernunnos или XLF).
ДНК-лигаза 4 (Lig4) играет высокоспецифичную роль в восстановлении двухцепочечных разрывов с помощью NHEJ. Дефицит Lig4 у мышей вызывает прогрессирующую потерю гемопоэтических стволовых клеток при старении. [26] Дефицит lig4 в плюрипотентных стволовых клетках приводит к накоплению двухцепочечных разрывов ДНК и усилению апоптоза. [27]
У мышей с мутацией полимеразы мю развитие кроветворных клеток нарушено в нескольких популяциях периферических и костномозговых клеток, при этом количество клеток костного мозга, включающее несколько кроветворных линий, уменьшается примерно на 40%. [28] Потенциал расширения кроветворных клеток-предшественников также снижен. Эти характеристики коррелируют со сниженной способностью восстанавливать двухцепочечные разрывы в кроветворной ткани.
Дефицит фактора NHEJ 1 у мышей приводит к преждевременному старению гемопоэтических стволовых клеток, на что указывают несколько линий доказательств, включая доказательства того, что долгосрочная репопуляция является дефектной и ухудшается с течением времени. [29] Используя модель дефицита NHEJ1 с индуцированными человеком плюрипотентными стволовыми клетками, было показано, что NHEJ1 играет важную роль в содействии выживанию примитивных гемопоэтических предшественников. [30] Эти клетки с дефицитом NHEJ1 обладают слабой опосредованной NHEJ1 способностью к восстановлению, которая, по-видимому, неспособна справляться с повреждениями ДНК, вызванными физиологическим стрессом, нормальным метаболизмом и ионизирующим излучением. [30]
Чувствительность гемопоэтических стволовых клеток к дефициту Lig4, ДНК-полимеразы мю и NHEJ1 позволяет предположить, что NHEJ является ключевым фактором, определяющим способность стволовых клеток поддерживать себя в условиях физиологического стресса с течением времени. [26] Росси и др. [31] обнаружили, что эндогенные повреждения ДНК накапливаются с возрастом даже в гемопоэтических стволовых клетках дикого типа, и предположили, что накопление повреждений ДНК может быть важным физиологическим механизмом старения стволовых клеток.
Исследование показывает, что клональное разнообразие гемопоэтических стволовых клеток резко сокращается примерно к 70 годам до нескольких быстрорастущих клеток , что подтверждает новую теорию старения , которая может обеспечить здоровое старение . [32] [33] Следует отметить, что изменение клонального разнообразия во время старения было ранее описано в 2008 году [34] для мышиной системы в лаборатории Кристы Мюллер-Зибург в Сан-Диего, Калифорния.
Анализ клеток , формирующих область булыжника (CAFC), представляет собой эмпирический анализ на основе клеточной культуры. При посеве на конфлюэнтную культуру стромального питающего слоя [35] часть гемопоэтических стволовых клеток проникает между зазорами (даже если стромальные клетки соприкасаются друг с другом) и в конечном итоге оседает между стромальными клетками и субстратом (в данном случае поверхностью чашки) или попадает в клеточные процессы между стромальными клетками. Эмпериполез — это явление in vivo , при котором одна клетка полностью поглощается другой (например, тимоциты в питающие клетки тимуса ); с другой стороны, когда in vitro лимфоидные клетки линии проникают под питающие клетки, этот процесс называется псевдоэмпериполезом. Это похожее явление более известно в области HSC по терминологии клеточной культуры, как булыжниковые клетки, формирующие область (CAFC) , что означает, что области или кластеры клеток выглядят тусклыми, как булыжник , под фазово-контрастной микроскопией по сравнению с другими гемопоэтическими стволовыми клетками, которые являются рефрактерными. Это происходит потому, что клетки, которые свободно плавают поверх стромальных клеток, являются сферическими и, таким образом, рефрактерными. Однако клетки, которые ползают под стромальными клетками, сплющены и, таким образом, не рефрактерны. Механизм псевдоэмпериполеза только недавно стал известен. Он может быть опосредован взаимодействием через CXCR4 (CD184) рецептор для CXC хемокинов (например, SDF1 ) и α4β1 интегринов . [36]
Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) нельзя легко наблюдать напрямую, и, следовательно, их поведение необходимо выводить косвенно. Клональные исследования, вероятно, являются наиболее близким методом для исследований ГСК in vivo на отдельных клетках. Здесь сложные экспериментальные и статистические методы используются для того, чтобы убедиться, что с высокой вероятностью в трансплантате, введенном смертельно облученному хозяину, содержится один ГСК. Клональное расширение этой стволовой клетки затем можно наблюдать с течением времени, отслеживая процент клеток донорского типа в крови по мере восстановления хозяина. Полученный временной ряд определяется как кинетика репопуляции ГСК.
Кинетика восстановления очень неоднородна. Однако, используя символическую динамику , можно показать, что они попадают в ограниченное число классов. [37] Чтобы доказать это, несколько сотен экспериментальных кинетик репопуляции из клональных Thy-1 lo SCA-1 + lin − (B220, CD4, CD8, Gr-1, Mac-1 и Ter-119) [38] c-kit + HSC были переведены в символические последовательности путем назначения символов "+", "-", "~" всякий раз, когда два последовательных измерения процента клеток донорского типа имеют положительный, отрицательный или неизменный наклон соответственно. Используя расстояние Хэмминга , паттерны репопуляции были подвергнуты кластерному анализу, что дало 16 различных групп кинетик. Чтобы завершить эмпирическое доказательство, был использован подход с добавлением одного Лапласа для определения того, что вероятность обнаружения кинетик, не содержащихся в этих 16 группах, очень мала. Как следствие, этот результат показывает, что компартмент гемопоэтических стволовых клеток также неоднороден по динамическим критериям.
Первоначально считалось, что все гемопоэтические стволовые клетки одинаковы по своим способностям к самообновлению и дифференцировке. Впервые эта точка зрения была оспорена открытием 2002 года группы Мюллера-Зибурга в Сан-Диего, которая проиллюстрировала, что разные стволовые клетки могут демонстрировать различные паттерны репопуляции, которые являются эпигенетически предопределенными внутренними свойствами клонированных Thy-1 lo Sca-1 + lin − c-kit + HSC. [39] [40] [41] Результаты этих клональных исследований привели к понятию смещения линии . Используя соотношение лимфоидных (L) и миелоидных (M) клеток в крови в качестве количественного маркера, компартмент стволовых клеток можно разделить на три категории HSC. Сбалансированные (Bala) гемопоэтические стволовые клетки повторно заселяют периферические белые кровяные клетки в том же соотношении миелоидных и лимфоидных клеток, что и у неманипулированных мышей (в среднем около 15% миелоидных и 85% лимфоидных клеток, или 3 ≤ ρ ≤ 10). Миелоидно-смещенные (My-bi) гемопоэтические стволовые клетки дают начало очень небольшому количеству лимфоцитов, что приводит к соотношениям 0 < ρ < 3, в то время как лимфоидно-смещенные (Ly-bi) гемопоэтические стволовые клетки генерируют очень мало миелоидных клеток, что приводит к соотношениям лимфоидных и миелоидных клеток ρ > 10. Все три типа являются нормальными типами HSC, и они не представляют собой стадии дифференциации. Скорее, это три класса HSC, каждый с эпигенетически фиксированной программой дифференциации. Эти исследования также показали, что смещение линии не регулируется стохастически и не зависит от различий во влиянии окружающей среды. My-bi HSC самообновляются дольше, чем сбалансированные или Ly-bi HSC. Миелоидный уклон возникает из-за сниженной чувствительности к лимфопоэтину интерлейкину 7 (IL-7). [40]
Впоследствии другие группы подтвердили и подчеркнули первоначальные результаты. [42] Например, группа Ивса подтвердила в 2007 году, что кинетика репопуляции, долгосрочная способность к самообновлению, а также My-bi и Ly-bi являются стабильно наследуемыми внутренними свойствами HSC. [43] В 2010 году группа Гуделла предоставила дополнительные сведения о молекулярной основе смещения линии в боковой популяции (SP) SCA-1 + lin − c-kit + HSC. [44] Как ранее было показано для сигнализации IL-7, было обнаружено, что член семейства трансформирующих факторов роста (TGF-beta) индуцирует и ингибирует пролиферацию My-bi и Ly-bi HSC соответственно.
От греческого haimato- , объединяющей формы haima «кровь», и от латинизированной формы греческого poietikos «способный делать, творческий, производительный», от poiein «делать, создавать». [45]