Гемопоэтические стволовые клетки ( ЗСК ) — это стволовые клетки [1] , которые дают начало другим клеткам крови . Этот процесс называется кроветворением . [2] У позвоночных самые первые дефинитивные ЗКП возникают из вентральной эндотелиальной стенки эмбриональной аорты в (средней стадии беременности) области аорта-гонады-мезонефрос посредством процесса, известного как эндотелиально-кроветворный переход. [3] [4] У взрослых кроветворение происходит в красном костном мозге , в сердцевине большинства костей. Красный костный мозг происходит из слоя эмбриона , называемого мезодермой .
Гематопоэз – это процесс, в ходе которого образуются все зрелые клетки крови. Он должен сбалансировать огромные производственные потребности (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 участвуют в образовании дендритных клеток . Миелоидные клетки включают моноциты , макрофаги , нейтрофилы , базофилы , эозинофилы , эритроциты и мегакариоциты и тромбоциты . Лимфоидные клетки включают Т-клетки , В-клетки , естественные клетки-киллеры и врожденные лимфоидные клетки .
Определение гемопоэтических стволовых клеток было разработано с момента их первого открытия в 1961 году. [5] Гемопоэтическая ткань содержит клетки с долгосрочными и кратковременными способностями к регенерации и детерминированные мультипотентные , олигопотентные и унипотентные предшественники. Гемопоэтические стволовые клетки составляют 1:10 000 клеток миелоидной ткани .
Трансплантаты HSC используются при лечении рака и других нарушений иммунной системы [6] благодаря их специфическим и регенеративным свойствам. [7]
Они округлые, неадгезивные, 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, мезонефроса, а также в желточных и пупочных артериях. [8] [9] [10] Несколько позже ЗКП обнаруживаются также в плаценте, желточном мешке, головке эмбриона и печени плода. [3] [11]
Гемопоэтические стволовые клетки обнаруживаются в костном мозге взрослых, особенно в тазу , бедренной кости и грудине . Они также обнаруживаются в пуповинной крови и, в небольшом количестве, в периферической крови . [12]
Стволовые клетки и клетки-предшественники можно взять из таза, в гребне подвздошной кости, с помощью иглы и шприца. [13] Клетки можно удалить в жидком виде (чтобы взять мазок для изучения морфологии клеток) или с помощью пункционной биопсии (чтобы сохранить архитектуру или взаимоотношения клеток друг с другом и с костью). [ нужна цитата ]
Колониеобразующая единица является подтипом ГСК. (Этот смысл термина отличается от колониеобразующих единиц микробов, которые представляют собой единицу подсчета клеток .) Существуют различные виды колониеобразующих единиц ГСК:
Вышеуказанные КОЕ основаны на происхождении. Другая КОЕ – колониеобразующая единица – селезенка (КОЕ-С) – послужила основой формирования клональных колоний in vivo , которое зависит от способности инфузированных клеток костного мозга давать начало клонам созревающих гемопоэтических клеток в селезенке. облученных мышей через 8-12 дней. Он широко использовался в ранних исследованиях, но теперь считается, что он позволяет измерять более зрелые клетки-предшественники или транзитно -амплифицирующие клетки , а не стволовые клетки .
Поскольку гемопоэтические стволовые клетки невозможно выделить в виде чистой популяции, их невозможно идентифицировать под микроскопом. [ нужна цитация ] Гемопоэтические стволовые клетки могут быть идентифицированы или выделены с помощью проточной цитометрии , где комбинация нескольких различных маркеров клеточной поверхности (особенно CD34 ) используется для отделения редких гемопоэтических стволовых клеток от окружающих клеток крови. Гематопоэтические стволовые клетки лишены экспрессии маркеров зрелых клеток крови и поэтому называются Lin-. Отсутствие экспрессии маркеров клонирования используется в сочетании с обнаружением нескольких положительных маркеров клеточной поверхности для выделения гемопоэтических стволовых клеток. Кроме того, гемопоэтические стволовые клетки характеризуются небольшими размерами и слабой окраской витальными красителями, такими как родамин 123 (родамин lo ) или Hoechst 33342 (побочная популяция).
Гемопоэтические стволовые клетки необходимы для кроветворения, образования клеток в крови. Гемопоэтические стволовые клетки могут пополнять все типы клеток крови (т. е. являются мультипотентными ) и самообновляться. Небольшое количество гемопоэтических стволовых клеток может разрастаться, образуя очень большое количество дочерних гемопоэтических стволовых клеток. Это явление используется при трансплантации костного мозга [14] , когда небольшое количество гемопоэтических стволовых клеток восстанавливает кроветворную систему. Этот процесс указывает на то, что после трансплантации костного мозга должно произойти симметричное деление 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 самовосполнению 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 существуют в состоянии покоя или обратимой остановки роста. Измененный метаболизм покоящихся ЗКП помогает клеткам выживать в течение длительных периодов времени в гипоксической среде костного мозга. [15] Когда кроветворные стволовые клетки провоцируются гибелью или повреждением клеток, они 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 . [16] Нарушение регуляции этих переходов может привести к истощению стволовых клеток или постепенной потере активных гемопоэтических стволовых клеток в системе крови. [16]
Гемопоэтические стволовые клетки обладают более высоким потенциалом, чем другие незрелые клетки крови, для прохождения костномозгового барьера и, таким образом, могут перемещаться в крови из костного мозга из одной кости в другую. Если они оседают в тимусе , они могут развиться в Т-клетки . У плодов и других органов экстрамедуллярного кроветворения . Гемопоэтические стволовые клетки также могут оседать в печени или селезенке и развиваться.
Это позволяет получать 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. [17] [18] [19] Он может быть аутологичным (используются собственные стволовые клетки пациента), аллогенным (стволовые клетки получают от донора) или сингенным (от однояйцевого близнеца). [17] [18]
Чаще всего ее проводят пациентам с некоторыми видами рака крови или костного мозга , такими как множественная миелома или лейкемия . [18] В этих случаях иммунная система реципиента обычно разрушается лучевой или химиотерапией перед трансплантацией. Инфекция и реакция «трансплантат против хозяина» являются основными осложнениями аллогенной ТГСК. [18]
Чтобы получить стволовые клетки из циркулирующей периферической крови, донорам крови вводят цитокин , такой как гранулоцитарно-колониестимулирующий фактор (G-CSF), который заставляет клетки покидать костный мозг и циркулировать в кровеносных сосудах. [20] В эмбриологии млекопитающих первые окончательные гемопоэтические стволовые клетки обнаруживаются в AGM ( аорта-гонад-мезонефрос ), а затем массово размножаются в печени плода до колонизации костного мозга еще до рождения. [21]
Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток остается опасной процедурой со многими возможными осложнениями; он предназначен для пациентов с опасными для жизни заболеваниями. Поскольку выживаемость после процедуры увеличилась, ее использование распространилось не только на рак, но и на аутоиммунные заболевания [22] [23] и наследственные скелетные дисплазии ; особенно злокачественный детский остеопетроз [24] [25] и мукополисахаридоз . [26]
Разрывы нитей ДНК накапливаются в долгосрочных гемопоэтических стволовых клетках во время старения. [27] Это накопление связано с широким ослаблением путей репарации ДНК и ответа, что зависит от покоя HSC. [27] Негомологическое соединение концов (NHEJ) — это путь, который восстанавливает двухцепочечные разрывы в ДНК. NHEJ называют «негомологичным», поскольку концы разрыва лигируются напрямую без необходимости использования гомологичного шаблона. Путь NHEJ зависит от нескольких белков, включая лигазу 4 , ДНК-полимеразу mu и фактор 1 NHEJ (NHEJ1, также известный как Cernunnos или XLF).
ДНК-лигаза 4 (Lig4) играет весьма специфическую роль в восстановлении двухцепочечных разрывов с помощью NHEJ. Дефицит Lig4 у мышей вызывает прогрессирующую потерю гемопоэтических стволовых клеток с возрастом. [28] Дефицит lig4 в плюрипотентных стволовых клетках приводит к накоплению двухцепочечных разрывов ДНК и усилению апоптоза. [29]
У мышей с мутантной полимеразой развитие гемопоэтических клеток является дефектным в нескольких популяциях периферических клеток и клеток костного мозга с уменьшением примерно на 40% количества клеток костного мозга, которое включает несколько гемопоэтических линий. [30] Потенциал расширения гемопоэтических клеток-предшественников также снижается. Эти характеристики коррелируют со сниженной способностью восстанавливать двухцепочечные разрывы кроветворной ткани.
Дефицит фактора 1 NHEJ у мышей приводит к преждевременному старению гемопоэтических стволовых клеток, о чем свидетельствуют несколько доказательств, включая доказательства того, что долговременная репопуляция является дефектной и ухудшается с течением времени. [31] Используя модель дефицита NHEJ1, индуцированного плюрипотентными стволовыми клетками человека, было показано, что NHEJ1 играет важную роль в обеспечении выживания примитивных гемопоэтических предшественников. [32] Эти клетки с дефицитом NHEJ1 обладают слабой способностью к восстановлению, опосредованной NHEJ1, которая, по-видимому, неспособна справиться с повреждениями ДНК, вызванными физиологическим стрессом, нормальным метаболизмом и ионизирующей радиацией. [32]
Чувствительность гемопоэтических стволовых клеток к дефициту Lig4, ДНК-полимеразы mu и NHEJ1 позволяет предположить, что NHEJ является ключевым фактором, определяющим способность стволовых клеток противостоять физиологическому стрессу с течением времени. [28] Росси и др. [33] 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 в возрасте 70 лет до нескольких быстрее растущих , что подтверждает новую теорию старения , которая может обеспечить здоровое старение . [34] [35] Следует отметить, что об изменении клонального разнообразия во время старения ранее сообщалось в 2008 году [36] для мышиной системы лабораторией Кристы Мюллер-Зибург в Сан-Диего, Калифорния.
Анализ клеток, образующих область булыжника (CAFC), представляет собой эмпирический анализ, основанный на культуре клеток. При посеве на конфлюэнтную культуру питающего слоя стромы [37] часть гемопоэтических стволовых клеток ползет между промежутками (даже несмотря на то, что стромальные клетки соприкасаются друг с другом) и в конечном итоге оседает между стромальными клетками и субстратом (здесь поверхность чашки ) или попадает в клеточные отростки между стромальными клетками. Эмпериполез – это явление in vivo , при котором одна клетка полностью поглощается другой (например, тимоциты превращаются в кормящие клетки тимуса ); с другой стороны, когда in vitro клетки лимфоидного происхождения заползают под клетки-няньки, этот процесс называется псевдоэмпериполезом. Это подобное явление более широко известно в области HSC под терминологией клеточной культуры « клетки, образующие область булыжника» (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 преломляющими. Это происходит потому, что клетки, свободно плавающие поверх стромальных клеток, имеют сферическую форму и, следовательно, преломляются. Однако клетки, которые ползут под стромальные клетки, уплощены и, следовательно, не преломляются. Механизм псевдоэмпериполеза стал известен лишь недавно. Это может быть опосредовано взаимодействием через CXCR4 (CD184) рецептор для хемокинов CXC (например, SDF1 ) и интегринов α4β1 . [38]
Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) нелегко наблюдать напрямую, и, следовательно, об их поведении необходимо судить косвенно. Клональные исследования, вероятно, являются наиболее близким методом исследования HSC на отдельных клетках in vivo. Здесь с помощью сложных экспериментальных и статистических методов установлено, что с высокой вероятностью в трансплантате, введенном летально облученному хозяину, содержится одиночный ЗКП. Клональную экспансию этих стволовых клеток можно затем наблюдать с течением времени, отслеживая процент клеток донорского типа в крови по мере восстановления хозяина. Полученный временной ряд определяют как кинетику репопуляции HSC.
Кинетика восстановления очень неоднородна. Однако, используя символическую динамику , можно показать, что они попадают в ограниченное число классов. [39] 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) [40] c-kit + HSC были переведены в символические последовательности путем присвоения символов «+», «-», «~» всякий раз, когда два последовательных измерения процента клеток донорского типа имели положительный, отрицательный или неизмененный наклон соответственно. Используя расстояние Хэмминга , модели репопуляции были подвергнуты кластерному анализу, в результате чего были выделены 16 различных групп кинетики. Чтобы завершить эмпирическое доказательство, был использован подход Лапласа с добавлением единицы, чтобы определить, что вероятность обнаружения кинетики, не содержащейся в этих 16 группах, очень мала. Как следствие, этот результат показывает, что компартмент гемопоэтических стволовых клеток также гетерогенен 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 в 2002 году группы Мюллера-Зибурга в Сан-Диего, которое проиллюстрировало, что разные стволовые клетки могут демонстрировать различные модели репопуляции, которые являются эпигенетически предопределенными внутренними свойствами клональных Thy-1 lo Sca-1 + lin - c- комплект + ГСК. [41] [42] [43] Результаты этих клональных исследований привели к понятию предвзятости в происхождении . Используя соотношение лимфоидных (L) и миелоидных (М) клеток в крови в качестве количественного маркера, компартмент стволовых клеток можно разделить на три категории ЗКП. Сбалансированные (Bala) гемопоэтические стволовые клетки повторно заселяют периферические лейкоциты 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-ориентированные (My-bi) гемопоэтические стволовые клетки дают очень мало лимфоцитов, что приводит к соотношениям 0 < ρ < 3, в то время как лимфоидно-ориентированные (Ly-bi) гемопоэтические стволовые клетки генерируют очень мало миелоидных клеток, что приводит к -миелоидные отношения ρ > 10. Все три типа являются нормальными типами ЗКП и не представляют собой стадии дифференцировки. Скорее, это три класса HSC, каждый из которых имеет эпигенетически закрепленную программу дифференцировки. Эти исследования также показали, что предвзятость в отношении происхождения не регулируется стохастически и не зависит от различий во влиянии окружающей среды. My-bi HSC самообновляется дольше, чем сбалансированный или Ly-bi HSC. Миелоидная ошибка возникает в результате снижения чувствительности к лимфопоэтину -интерлейкину 7 (IL-7). [42]
Впоследствии другие группы подтвердили и подчеркнули первоначальные выводы. [44] Например, группа Ивса подтвердила в 2007 году, что кинетика репопуляции, долгосрочная способность к самообновлению, а также My-bi и Ly-bi стабильно наследуются внутренние свойства HSC. [45] В 2010 году группа Гуделла предоставила дополнительную информацию о молекулярной основе систематической ошибки в боковой популяции (SP) SCA-1 + lin - c-kit + HSC. [46] Как ранее было показано для передачи сигналов 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- , комбинированной формы haima «кровь», и от латинизированной формы греческого poietikos «способный творить, творить, продуктивно», от poiein «творить, творить». [47]