---

Мезенхимальные стволовые клетки

Мезенхимальные стволовые клетки (МСК) представляют собой клетки соединительной ткани, присутствующие в костном мозге, жировой ткани, пуповинной крови, околоплодных водах и зубочелюстной системе. Они обладают способностью трансформироваться в разные типы клеточных структур, огромным резервом самообновления. Также их называют стромальными, мультипотентными и сигнальными. 

В медицине данный вид стволовых клеток используют при лечении нейродегенеративных нарушений, включая рассеянный склероз, сердечно-сосудистых, гепатобилиарных заболеваний, а также последствий травм опорно-двигательного аппарата. Проведено свыше 1 тыс. исследований, изучающих особенности МСК и возможности их применения в регенеративных целях. 

Особые свойства

Описывая мезенхимальные стволовые клетки, ученые используют различные термины, ни один из которых в полной мере не отражает их суть:

• мультипотентность – потенциал клеточных структур к широкой специализации, то есть из одних и тех же частиц могут под воздействием совокупности внешних и внутренних факторов создаваться разные виды клеток, в том числе они могут относиться к неродственным типам;
• мезенхима – соединительная ткань эмбриона, которая образуется из мезодермы и в дальнейшем необходима, чтобы формировать соединительные ткани и клетки системы кроветворения. МСК не могут дифференцироваться в эритроциты, тромбоциты, лейкоциты и т.д.;
• стромальными называют клетки соединительной ткани, поддерживающие её функциональные частицы. Несмотря на то, что МСК выполняют функцию сохранения работоспособности тканей, это недостаточно точный термин, поскольку он не отражает специфику их применения в регенеративной медицине (с их помощью невозможно обеспечить полное восстановление органа). 

Главное свойство, характерное для МСК, это способность формировать клетки разных типов и локализации, в частности, из них создаются миоциты, адипоциты, остеобласты и хондроциты.

Присутствуя в жировой, хрящевой, мышечной и костной ткани, они могут многократно обновляться, не теряя при этом способность к вариативной дифференциации. Согласно последним исследованиям, мезенхимальные (стромальные) стволовые клетки сохраняют особенности СК благодаря бета-катеину, участвующему в регулировании гена EZH2. 

Известно, что МСК могут быть предшественниками структурных элементов нейроноподобных тканей, но отсутствуют доказательства работоспособности синтезированных из них нервных клеток. Большое влияние на возможности дифференциации оказывает способ активации процесса специализации, который может быть механическим либо химическим. При этом установлено, что по мере старения дифференциационная способность снижается, как и в случае индукции через длительное время после получения в лабораторных условиях. Есть также предположение, что на процесс может влиять изменение структуры присутствующих в организме МСК. 

Другие свойства, которые характерны мезенхимальным СК:

1. Иммунная модуляция. Под их влиянием синтезируются молекулы, отвечающие за природные защитные реакции, а именно – IDO, простагландин E2, оксид азота и интерлейкин 6, а также маркеры ПД-Л2, ПД-Л1 и FasL. Они могут воздействовать и на врожденные, и на специфические клетки, включая нейрофилы, макрофаги, дендритные и тучные клетки, а также NK-клетки. Кроме того, они участвуют в механизмах подавления опухолевого роста и могут через PGE2 фенотипа М2 ускорять нейтрализацию воспалительных агентов. Основные механизмы влияния на естественную защиту организма:
1. блокировка дегрануляции и синтеза TNF-α;
2. снижение пролиферации и цитотоксической активности NK-клеток;
3. выработка IL-6 и IL-8;
4. торможение экспрессии поверхностных дендритных клеток путем воздействия на PGE2 и IL-6;
5. усиление преобразования адгезивных молекул, отвечающих за закрепление Т-лимфоцитов;
6. замедление пролиферации B-лимфоцитов.
2. Нейропротекция. Мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки помогают замедлить прогрессию хронической инвалидности путем предупреждения формирования глиального рубца и в целом профилактики глиоза, а также за счет ингибирования гибели нейронов. Доказано также, что МСК усиливают синтез локальных клеток-предшественников, благодаря чему происходит регенерация миелиновой оболочки.
3. Регенерация нейронов. Нейродегенеративные процессы запускаются по различным причинам, в частности, их могут спровоцировать травмы или тяжелые заболевания наподобие рассеянного склероза. МСК дают возможность восполнить дефицит специализированных клеток за счет дифференцирования в нейроны в ответ на воспаление. МСК создают оптимальную среду для естественного восстановления ЦНС путем активации биологических агентов, способных останавливать апоптоз.
4. Антибактериальное действие. МСК участвуют в синтезе гепсидина, β-дефензинов, LL-37 и липокалина, которые в сочетании с IDO обеспечивают эффективную защиту от микробов.
5. Перемещение к месту локализации воспаления. МСК при внутривенном введении самостоятельно достигают места поражения и дифференцируются в те частицы, которые необходимы в каждом конкретном случае. 

Существенным преимуществом мезенхимальных СК является незначительный риск отторжения после трансплантации.

Это обусловлено применением во время процедуры собственного биоматериала пациента. Идентичность на генном уровне позволяет избежать ситуаций, которые могут возникать при введении чужеродного трансплантата, вызывая шелушение кожи, повышенную чувствительность и сухость эпидермиса. От эмбриональных СК их выгодно отличает возможность получения без необходимости решения этических проблем.

Структура и строение

К морфологическим особенностям МСК, которые визуализируются при изучении живых клеток без использования меток, относятся:

• вытянутая по длине форма;
• небольшая толщина;
• присутствие большого ядра круглой формы с выступающим ядрышком;
• четкость краев, обусловленная окружением ядра мелкодисперсным хроматином;
• незначительное количество аппарата Гольджи;
• широкое рассредоточение;
• наличие в составе полирибосом и митохондрий;
• шероховатая эндоплазматическая сеть;
• только один тип коллагеновых фибрилл – в прилегающем к МСК матриксе присутствуют только ретикулярные фибриллы. 

Расположение и источники получения

Практически во всех тканях присутствуют мезенхимальные стволовые клетки. Основные источники:

1. Костный мозг. Из костномозговой жидкости были впервые получены МСК, и в настоящее время это наиболее распространенный источник их экспансии. Именно такие частицы называют стромальными, при этом они не задействованы в процессах кроветворения, соответственно, не могут активировать CD34. Однако извлечение биоматериала является болезненным, из-за чего активно исследуются другие методы получения МСК для трансплантации. 
2. Пуповина, где присутствуют наиболее простые по структуре МСК, основная часть которых содержится в Уортоновом желе, а в пуповинной крови их концентрация минимальная (его чаще применяют для забора гемопоэтических СК). Преимущественно соединяющую трубку после родов утилизируют, но есть технологии, которые позволяют выделять из неё стволовые клетки, обладающие способностью быстро расти. 
3. Жировая ткань, из которой принципиально проще и безопаснее получать биоматериал для исследований и медицинских целей. AdMSC изолируются в больших количествах и характеризуются интенсивным ростом до 4-5 пассажей в лабораторных условиях, после чего наступает замедление процессов дифференцирования. Преимущественно для забора используется игла αMEM. Мезенхимальные стволовые клетки жировой ткани обладают уникальным свойством – незначительной чувствительностью к дефициту белка. Благодаря этому упрощается процесс синтеза и снижается риск аллергической реакции во время проведения трансплантации. Наибольший интерес у ученых вызывает потенциал трансформации таких МСК в адипоциты, остеобласты и хондроциты.
4. Пульпа и зачатки зубов мудрости. Извлеченные из третьих моляров МСК потенциально могут быть плюрипотентными. Из них образуются сосуды, дентин, эмаль, пульпа и нервные клетки. Свойства мезенхимной клетки в материале, полученном в постнатальном периоде, сохраняются, в частности, они продолжают быть клоногенными (делятся на частицы с идентичными свойствами и генным набором). В лабораторных условиях было установлено, что из молярных МСК могут формироваться гепатоциты, меланоциты, кардиомиоциты, хондроциты.
5. Околоплодные воды – в процессе амниоцентеза из 100 полученных клеток одна является мезенхимальной и характеризуется плюрипотентностью. 

Способ выделения МСК определяется локализацией получаемого материала. Из пуповинной крови есть возможность их извлечения неинвазивным способом, в других случаях необходимо хирургическое вмешательство. Ключевой сложностью для ученых является невозможность получения достаточно большого количества исходного природного материала, что обуславливает потребность в продолжительном культивировании. Однако после каждого деления и специализации происходит старение мезенхимальных СК и возрастает риск злокачественных внутриклеточных процессов. 

Для трансплантации в основном используют МСК, выделенные из костного мозга путем аспирации. При помощи особой иглы врач в стерильных условиях делает забор жидкости из бедренной кости, затем из неё выделяют МСК. Культивация продолжается от 2 до 3 недель, при этом для стимуляции размножения применяются три способа:

• изменение окружающей среды;
• корректировка плотности клеточной структуры;
• воздействие гормонами роста либо белками. 

Созревшие МСК вводят в организм больного путем системной инфузии либо локальной доставки в пораженную область. У выращенных in vitro МСК сохраняется способность активации при инфекционном поражении или травмах. На своей поверхности они запускают процессы преобразования CD105, CD90 и CD73, но вместе с этим у них отсутствуют CD19, CD14, CD11b, CD45, CD34, а также HLA-DR и CD79a.

История изучения

После внедрения термина «стволовые клетки» в начале 20 столетия ученые из разных стран мира начали заниматься исследованием их видов и возможностей. Огромный вклад в обнаружение и изучение свойств МСК сделали клеточные биологи Джеймс Э. Тилль и Эрнест А. Маккалок. Им удалось доказать способность СК костного мозга к клонированию без изменения генного кода и ослабления свойств к размножению и дифференциации. 

Первое исследование было проведено в 1964 году с использованием жировой ткани крыс, полученных из придатка яичка. Путем обработки биоматериала протеолитическими ферментами и разделения неоднородных систем в центрифуге удалось получить стромальную васкулярную фракцию, или сокращенно СВФ. Ученые обнаружили в её составе:

• перициты;
• моноцит и эндотелиоциты;
• предшественники адипоцитов;
• клетки гладких мышц;
• фибробласты;
• макрофаги. 

В дальнейшем удалось получить человеческую СВФ. Использовать полученные клетки сразу после экстракции не представляется возможным, в связи с чем начали применять методику экстракции дифференцированных и СК путем культивации. Адгезивные частицы получают на жесткой подложке, при этом у МСК жировой ткани есть определенные преимущества в сравнении с теми, которые получены из костномозговой жидкости (основными являются нечувствительность к белку и активный рост). 

В начале 70-х годов Арнольдом Капланом были установлены конкретные условия специализации мезодермальных клеток в костную, хрящевую и мышечную ткань. Чуть позже после проведения исследований ex vivo Фриденштайн вместе с командой ученых подтвердил значительный клоногенный потенциал костномозговых мультипотентных СК. На тот момент стромальные частицы называли колониеобразующими единицами-фибробластами (КОЕ-ф).

Постепенно удалось выявить и другие особенности СК костного мозга, а именно:

• пластичность;
• способность реагировать на воздействие факторов окружающей среды;
• ускоренное деление и дифференциация в остеобласты под влиянием аскорбиновой кислоты, дексаметазона, S-P;
• индукция хондрогенных маркеров под влиянием TGF-b.

Термин «мезенхимальные стволовые клетки» ввел Арнольд И. Каплан в 1991 году. Ученый Case Western Reserve University обозначил МСК как частицы, обладающие маленьким клеточным телом, а также тонкими и длинными отростками. Спустя четыре года завершились первые клинические испытания, которые проводила компания Osiris Therapeutics с целью установления степени безопасности терапии МСК. В них принимали участие 15 человек, каждый из которых получил дозу синтезированных в лаборатории СК. 

В 2012 году в Новой Зеландии и Канаде впервые одобрили препарат Prochymal на основе МСК – разрешение от регулирующих органов получили разработки, направленные на ослабление симптоматики у пациентов с РТПХ. Еще спустя некоторое время японское министерство здравоохранения позволило вводить мезенхимальные МСК людям, страдающим болезнью Крона. В Южной Корее разрешены Cupistem и Cartistem, помогающие при анальных свищах и дегенеративном артрите соответственно. В европейских странах назначают Alofisel для лечения перианальных осложнений болезни Крона.

К середине 2023 года зафиксировано свыше 1100 научных исследований, связанных с МСК, причем специалисты изучают возможности их применения для лечения более чем 920 заболеваний и нежелательных реакций организма.

Применение мезенхимальных клеток

Мультипотентные МСК способны улучшать самочувствие пациентов с широким спектром заболеваний острого и хронического характера. Их активное использование в лечебных целях обусловлено не только способностью образовывать разные типы клеточных структур, но и:

• отсутствием этических вопросов, связанных с их получением;
• минимальным риском иммунного отторжения, в том числе при введении не от самого пациента, а от донора с неидеальной совместимостью;
• возможностью применения в рамках профилактики осложнений у больных, переживших пересадку органов;
• значительным потенциалом аутологической пересадки при необходимости восстановления поврежденных костей, разорванных сухожилий, мышц и хрящей. 

Первоначально МСК рассматривали исключительно как источник клеток с ограниченными возможностями в плане специализации. Но после появления исследований, доказывающих их способность трансформироваться не только в частицы костной, жировой и хрящевой ткани, область применения значительно расширилась.

МСК запускают естественные восстановительные процессы и активирует иммунитет, перемещаясь к очагу воспаления или инфекции.

Они влияют на врожденные и приобретенные защитные механизмы. Учитывая перечисленные особенности, ученые и фармацевтические компании занимаются разработкой и продажей технологий, методик терапии и препаратов, содержащих МСК. 

Применение мезенхимальных стволовых клеток в регенерационной терапии мышц и хрящей базируется на следующих механизмах:

• дифференциация в мышечные клетки и соединение с ними;
• синтез веществ с высокой биологической активностью, необходимых для нормализации структуры поврежденных тканей;
• профилактика апоптоза и стимуляция сосудистого роста;
• уменьшение области воспаления и нейтрализация патогенных частиц;
• нормализация кровоснабжения;
• предупреждение формирования рубцовой ткани.

Исследования на мышах и крысах доказали эффективность инъекций МСК при различных видах мышечных повреждений, спровоцированных:

• механическим воздействием (надрезанием, сдавливанием);
• продолжительной неподвижностью конечностей;
• тяжелой интоксикацией;
• потреблением большого количества жира, вызывающим атрофию;
• наследственной миодистрофией.

В последние годы активно проводятся исследования, направленные на:

1. Оптимизацию транспортировки МСК в поврежденные ткани. 
2. Повышение выживаемости введенных клеток. 
3. Разработку механизма пересадки на искусственных носителях.
4. Усиление продуцируемых биоактивных молекул. 
5. Ускорение миграции МСК путем направленного ультразвукового воздействия в область поражения либо с помощью внешнего магнитного поля.
6. Проработку методов увеличения регенерационного потенциала за счет химических либо физических факторов. Ученые создают и тестируют способы стимуляции секреторной активности посредством механического натяжения, уменьшения концентрации кислорода или гормональной терапии. 
7. Определение путей генетической модификации МСК, чтобы была возможность лечить пациентов путем введения внеклеточных везикул и перемещения непосредственно в цитоплазму.

Повышенная заинтересованность в исследовании экзосом, которые выделяют МСК, связана с их свойством запускать нормализацию структуры поврежденных тканей с параллельным купированием воспалительного процесса и укреплением иммунитета. Даже однократное введение инфузионным способом везикул позволяет уменьшить вероятность наступления инфаркта. Также их целесообразно применять для улучшения состояния больных с печеночным фиброзом, острыми заболеваниями мочевыделительной системы, патологиями костно-мышечного аппарата. 

В будущем ожидается разработка технологии управления миграционными процессами и секреторным профилем мезенхимальных стволовых клеток для достижения максимальной результативности восстановительного процесса. При этом акцент делается именно на использовании регенерационных возможностей организма пациента. То есть МСК не просто восполняют недостаток определенного типа клеток, а позволяют использовать заложенные природой способности тела к самообновлению. 

Терапия мезенхимальными клетками

Тестирование МСК проводят при изучении методов терапии широкого спектра заболеваний. Наиболее востребованы исследования в сфере создания комбинированных и тканеинженерных препаратов, генного и клеточного лечения, а также борьбы с реакцией «трансплантат против хозяина» (РПТХ).

Есть большой прогресс в применении мезенхимальных стволовых клеток у пациентов с такими патологиями:

1. Повреждения скелета разной степени тяжести вследствие обморожений, чрезмерных физических нагрузок, проколов и порезов, а также сдавливания. Для восстановления применяются незрелые предшественники МСК, которые сливаются и образуют мышечные волокна.
   
   Размножение и специализация происходят естественным путем, а вводимые компоненты мезенхимальных стволовых клеток обеспечивают нишу для миосаттелитов. После повреждения автоматически запускается процесс перемещения в пораженную область МСК из костномозговой жидкости – так происходит из-за реакции на выделение хемоаттрактантов. 
   
   
2. Заболевания аутоиммунного спектра. МСК вводят при развитии или в целях профилактики РПТХ, при болезни Крона, системном склерозе или красной волчанке.
   
   
3. Рассеянный склероз (РС) и ряд других нейродегенеративных болезней. При РС нервные клетки разрушаются, и ЦНС перестает корректно функционировать. Проблемы возникают вследствие неадекватной реакции иммунной системы и запуска парных механизмов. Чтобы помочь пациенту, необходимо обеспечить одновременно иммунную модуляцию и нейрорегенерацию. В обоих случаях будут полезны МСК, которые помогают ослабить аутоиммунные проявления и запустить предусмотренные природой регенерационные процессы. 
   
   МСК обладают способностью синтезировать цитокины – биологически активные агенты, блокирующие неадекватные защитные реакции организма. Они позволяют замедлить синтез Т- и В-клеток, которые при рассеянном склерозе воздействуют на белки миелина, в результате чего развивается поражение ЦНС. МСК поддерживают нормальное состояние миелиновой оболочки (структуру и функциональность) и позволяют осуществлять передачу нервных импульсов без сбоев. При наличии аномальных изменений терапия с использованием МСК обеспечивает замедление прогрессии болезни. 
   
   
4. Сердечно-сосудистые нарушения, которые могут возникать при врожденных нарушениях, токсическом воздействии, несбалансированном питании, наличии вредных привычек, травмах разной степени тяжести, а также под влиянием других факторов. Мезенхимальные стволовые клетки снижают степень повреждения тканей миокарда и, как показывают исследования на мышах, оберегают сердечно-сосудистую систему (ССС) от критических состояний (сердечных приступов, инфаркта).
   
   Пациентам с уже диагностированными болезнями инъекции МСК позволяют замедлить прогрессию патологических процессов, ослабить симптоматику и улучшить качество жизни. Терапия может быть рекомендована и в качестве средства профилактики рецидива инфаркта миокарда. 
   
   
5. Расстройства мозгового кровообращения. При раннем введении МСК есть шанс ускорения восстановительного процесса при наступлении инсульта. Клетки усиливают функциональность головного мозга, запускают генерацию новых нейронов, нормализуют синаптическую пластичность и запускают механизм создания новых кровоснабжающих сосудов. Проведенные исследования позволяют говорить о высокой эффективности МСК в рамках реабилитации при разных видах инсульта. 
   
   
6. Болезни гепатобилиарной системы. При развитии фиброза происходит замещение здоровых тканей деформированными и образование узлов, мезенхимальные стволовые клетки помогают восстановить работоспособность органа. Суть воздействия МСК на печень заключается в индукции восстановления гепатоцитов и активации иммунных реакций для нейтрализации воспаления. 

Помимо медицинской сферы, мезенхимальные мультипотентные СК получили достаточно широкое распространение в:

• косметологической индустрии – популярные бренды Johnson & Johnson, L'Oreal официально заявляют о включении факторов роста и цитокинов, полученных из МСК, в свою продукцию. По мнению их специалистов, такие компоненты усиливают эффективность гигиенических средств. Получение разрешений после проведения клинических испытаний на биологически смоделированной коже говорит о безопасности подобной продукции;
• пищевой промышленности, в частности, при производстве искусственного мяса как способа решения проблемы дефицита натуральной продукции и борьбы с голодом.

Разновидности

В зависимости от локализации различают мезенхимальные стволовые клетки костного мозга, жировой ткани, пуповины, околоплодных вод и моляров. Всем видам характерна подобная фибробластам морфология и функциональность, включая пластическую адгезию.

В свою очередь, AdMSC делятся по фенотипическим особенностям на:

• альфа-актин и виментин, присутствующие в цитоскелете;
• остеопонтин, коллаген первого и третьего типа, CD90, CD146, остеонектин, составляющие экстрацеллюлярный матрикс;
• защитные белки CD59 и CD55;
• ферменты – CD10, CD73, CD13;
• адгезивные частицы, к которым относятся бета-1-интегрин, CD9, CD49d, ICAM-1/CD54, ALCAM/CD166, CD105, CD71.

Процесс изучения МСК продолжается – помимо классификационных вопросов, ученые активно занимаются применением стволовых клеток в медицине, а также получением их из альтернативных источников.