Гемопоэтические стволовые клетки

Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) — это мультипотентные стволовые клетки, которые являются предшественниками всех клеток крови и иммунной системы. Они обладают способностью к самообновлению (поддержанию собственной популяции на протяжении всей жизни организма) и дифференцировке в различные типы зрелых кровяных клеток: эритроциты, лейкоциты (включая лимфоциты, гранулоциты, моноциты) и тромбоциты. ГСК локализуются преимущественно в костном мозге, а также в небольших количествах циркулируют в периферической крови и присутствуют в пуповинной крови. Процесс образования и созревания клеток крови из ГСК называется гемопоэзом.

История открытия и изучения

Концепция существования единой клетки-предшественницы для всех форменных элементов крови начала формироваться в середине XX века. В 1909 году русский гистолог Александр Максимов впервые выдвинул гипотезу о существовании «стволовой клетки крови», однако экспериментальные доказательства были получены значительно позже.

Ключевым прорывом стали исследования канадских учёных Джеймса Тилла и Эрнеста Маккаллоха в 1960-х годах. Они разработали метод колониеобразования в селезёнке: облучив мышей летальной дозой радиации и введя им клетки костного мозга, они обнаружили, что в селезёнке образуются видимые колонии, каждая из которых происходит из одной клетки-предшественницы. Это экспериментально подтвердило существование гемопоэтических стволовых клеток.

В 1980-х годах были разработаны методы очистки и идентификации ГСК с помощью моноклональных антител и проточной цитометрии. Ключевым маркером для выделения ГСК у человека стал белок CD34. В 1990-х годах началось клиническое применение трансплантации ГСК, полученных из периферической крови после мобилизации, что значительно расширило возможности лечения онкогематологических заболеваний.

Характеристики и свойства

Самообновление

ГСК способны к асимметричному делению: при делении одна дочерняя клетка остаётся стволовой (сохраняя пул ГСК), а другая вступает на путь дифференцировки. Это обеспечивает пожизненное поддержание гемопоэза. Скорость деления ГСК в покоящемся состоянии (в костном мозге) невысока, но резко возрастает при стрессовых ситуациях, таких как кровопотеря или инфекция.

Дифференцировка

ГСК дают начало всем клеткам крови через два основных направления (линии):

• Миелоидная линия: эритроциты, тромбоциты, гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы, базофилы), моноциты/макрофаги, дендритные клетки, тучные клетки.
• Лимфоидная линия: T-лимфоциты, B-лимфоциты, NK-клетки.

Процесс дифференцировки включает несколько стадий: от мультипотентных ГСК к олигопотентным (ограниченным по потенциалу) и коммитированным (уже неспособным к самообновлению) предшественникам, а затем к зрелым клеткам. Регуляция этого процесса осуществляется цитокинами, факторами роста (например, эритропоэтин, колониестимулирующие факторы) и микроокружением костного мозга (нишей).

Фенотипические маркеры

Для идентификации и выделения ГСК используют комбинацию поверхностных антигенов. У человека основным маркером является CD34. Клетки с высоким потенциалом к самообновлению часто характеризуются фенотипом CD34+CD38−. Дополнительные маркеры включают CD90, CD133, а также отсутствие маркеров зрелых клеток (Lin−). У мышей для идентификации ГСК чаще используют маркер Sca-1 и комбинацию c-Kit+.

Источники получения

Костный мозг

Традиционный и наиболее изученный источник. Забор осуществляется путём пункции из подвздошных костей под общей или местной анестезией. Количество ГСК в костном мозге относительно высоко, но процедура инвазивна.

Периферическая кровь

В норме в периферической крови циркулирует очень мало ГСК. Для увеличения их количества (мобилизации) донору вводят препараты гранулоцитарного колониестимулирующего фактора (Г-КСФ, например, филграстим). После мобилизации ГСК собирают методом афереза — это менее инвазивная процедура, чем пункция костного мозга. В настоящее время периферическая кровь является основным источником ГСК для аллогенной и аутологичной трансплантации.

Пуповинная кровь

Кровь, остающаяся в плаценте и пуповине после рождения ребёнка, содержит значительное количество ГСК. Пуповинная кровь замораживается и хранится в банках стволовых клеток. Её преимущество — меньшая иммуногенность и более низкие требования к совместимости донора и реципиента, однако количество клеток в одном образце часто недостаточно для взрослого пациента.

Применение в медицине

Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток

ТГСК является основным методом лечения многих злокачественных и незлокачественных заболеваний крови и иммунной системы. Различают два основных типа:

• Аллогенная трансплантация: ГСК от здорового донора (родственного или неродственного) вводятся реципиенту после проведения кондиционирования (химио- или лучевой терапии для уничтожения собственного костного мозга и опухолевых клеток). Применяется при лейкозах, лимфомах, апластической анемии, наследственных иммунодефицитах.
• Аутологичная трансплантация: ГСК забираются у самого пациента (обычно в период ремиссии), замораживаются, а затем вводятся обратно после высокодозной химиотерапии. Используется при множественной миеломе, некоторых лимфомах, солидных опухолях (например, нейробластома).

Генная терапия

ГСК являются привлекательной мишенью для генной терапии наследственных заболеваний крови, таких как тяжёлый комбинированный иммунодефицит (SCID), бета-талассемия, серповидноклеточная анемия. В этом случае в ГСК пациента in vitro вводят исправленную копию гена с помощью вирусных векторов (например, лентивирусов), после чего клетки возвращают пациенту. В 2019 году в России и мире началось клиническое применение препарата для генной терапии бета-талассемии.

Восстановление кроветворения после химиотерапии

Введение ГСК (аутологичных) позволяет восстановить кроветворение после высокодозной химиотерапии, которая уничтожает собственный костный мозг. Это сокращает период аплазии (отсутствия клеток крови) и снижает риск инфекционных осложнений.

Критика и ограничения

Трансплантация ГСК сопряжена с рядом серьёзных рисков и ограничений:

• Реакция «трансплантат против хозяина» (РТПХ): при аллогенной трансплантации иммунные клетки донора могут атаковать ткани реципиента (кожу, печень, кишечник). Это основная причина смертности и осложнений после ТГСК.
• Инфекционные осложнения: в период восстановления иммунитета пациенты крайне уязвимы к бактериальным, вирусным и грибковым инфекциям.
• Недостаток доноров: для аллогенной трансплантации требуется совместимость по системе HLA (человеческий лейкоцитарный антиген). Подходящего донора находят лишь для 30–50% пациентов из неродственных регистров.
• Ограниченное количество клеток: особенно актуально для пуповинной крови, где одного образца часто не хватает для взрослого пациента.
• Риск злокачественной трансформации: хотя ГСК обладают механизмами защиты от онкогенеза, теоретически существует риск развития вторичных опухолей после трансплантации.

Интересные факты

• ГСК являются одними из немногих типов стволовых клеток, которые широко и успешно применяются в клинической практике на протяжении более 50 лет. Первая успешная трансплантация костного мозга была проведена в 1968 году.
• В организме взрослого человека общее количество ГСК оценивается примерно в 10–20 тысяч клеток, но они способны восстанавливать всю кроветворную систему.
• В 2012 году японский учёный Синъя Яманака получил Нобелевскую премию за открытие индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS), которые также могут быть дифференцированы в ГСК, что открывает перспективы для создания «универсальных» донорских клеток.
• Пуповинная кровь может храниться в криобанках десятки лет без потери активности ГСК.

Источники

1. Till, J. E., & McCulloch, E. A. (1961). A direct measurement of the radiation sensitivity of normal mouse bone marrow cells. Radiation Research.
2. Weissman, I. L. (2000). Translating stem and progenitor cell biology to the clinic: barriers and opportunities. Science.
3. Copelan, E. A. (2006). Hematopoietic stem-cell transplantation. New England Journal of Medicine.
4. Orkin, S. H., & Zon, L. I. (2008). Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology. Cell.
5. Гематология: национальное руководство / под ред. В. Г. Савченко, А. И. Воробьёва. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.
6. Румянцев, А. Г., Масчан, А. А. (ред.). Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток у детей. — М.: МИА, 2015.