Sputnik поговорил с учеными из российских университетов, участвующих в проекте “5-100”, чтобы узнать о новых уникальных возможностях, которые открывает медицинское применение стволовых клеток.
Стволовые клетки и коронавирус
В начале октября стало известно, что Дональду Трампу прописали коктейль с антивирусными антителами, созданный Regeneron для лечения коронавируса, что он сам назвал «чудесным». Regeneron разработал это лечение с использованием линии клеток под названием HEK 293, первоначально полученной от абортированного плода в 1973 году в Нидерландах, но сами стволовые клетки не используются в препарате.
Осенью 2020 года другие исследователи также объявили о возможности эффективного использования стволовых клеток для лечения COVID-19. В США была подана заявка на использование препарата на основе мезенхимальных стволовых клеток пуповины. Израильские ученые предложили несколько вариантов лечения острого и опасного для жизни респираторного дистресса у пациентов с коронавирусом и пневмонией с помощью стволовых клеток.
По словам ученых, мезенхимальные стволовые клетки перспективны в качестве лечения COVID-19 из-за их способности подавлять сверхактивную иммунную систему и помогать восстанавливать легкие и другие органы в тяжелых случаях заболевания.
Что такое стволовые клетки?
Ученые придумали термин «стволовые клетки», чтобы объяснить, почему многоклеточные живые организмы, которые постоянно теряют определенные клетки, например защитный слой кожи, все еще живут и сохраняют тот же внешний вид.
Стволовые клетки – это универсальный строительный материал, который организм использует для самообновления. Эти клетки существуют в организме на каждой стадии его развития; они могут делиться и умножаться, оставаясь неизменными. При необходимости они могут изменить свою программу при делении и создать новые, специализированные типы клеток, например, крови и различных органов, заменяя старые, отслужившие свой срок.
В 1909 году русский ученый Александр Максимов на примере клеток крови объяснил теорию стволовых клеток и идею о том, что из них могут развиваться другие специализированные клетки. В 1981 году американские ученые на примере мыши экспериментально доказали существование эмбриональных стволовых клеток.
Существует три широких категории стволовых клеток в зависимости от их происхождения: эмбриональные (полученные из плаценты), фетальные (полученные из материала плода после аборта) и послеродовые (взрослые клетки).
Несмотря на то, что стволовые клетки зрелого организма имеют гораздо меньший потенциал для использования, чем эмбриональные и фетальные клетки, и генерируют меньшее количество различных типов клеток, этический аспект их изучения и применения не вызывает значительных споров. Некоторые исследователи предлагают использовать эти типы стволовых клеток для борьбы с коронавирусом и пневмонией. Сегодня они используются в тканевой инженерии, а также для разработки индивидуальных диагностических инструментов.
Эмбриональные стволовые клетки обладают уникальными свойствами. Во-первых, они могут делиться бесконечно долго, а во-вторых, их потомки могут превращаться в любую специализированную клетку, будь то нейроны мозга, гепатоциты печени или клетку кишечного эпителия, вам просто нужно настроить необходимую молекулярно-генетическую программу.
Однако по этическим причинам невозможно использовать клеточный материал человеческих эмбрионов в медицинских или чисто научных целях; работа с этими типами ячеек запрещена в большинстве стран. Поэтому биологам пришлось придумать альтернативу. В 2006 году японский ученый Синья Яманака впервые получил так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК или ИПС). Позже за это открытие он был удостоен Нобелевской премии.
Аналоги эмбриональных стволовых клеток могут дать человеку возможность искусственно регенерировать и вылечиться от серьезных заболеваний. Можно полностью вылечить человека от рака, если выделить, модифицировать и вернуть так называемые опухолевые Т-клетки. Т-клетки – главное оружие организма. Они выделяются из лейкоцитов костного мозга и обеспечивают распознавание и разрушение клеток, несущих чужеродные антигены.
Преодоление врожденного генетического дефицита
Сегодня получить аналоги Т-клеток стало возможным благодаря масштабному проекту Московского физико-технического института (МФТИ) и их коллег из Университета Гуанчжоу (Китай) и Гарвардского университета (США).
Используя аналоги стволовых клеток, ученые МФТИ и Национального медицинского исследовательского центра эндокринологии разрабатывают метод лечения пациентов с генетическим дефицитом, вызывающим дисфункцию коры надпочечников. Это тяжелое заболевание появляется в первые недели после рождения и представляет серьезную угрозу для жизни ребенка.
«В таких случаях обычной генной терапии недостаточно: стволовые клетки коры надпочечников быстро обновляются, поэтому доставленная функциональная копия генов активна только 8-12 недель, затем ее активность замедляется», – Павел Волчков, руководитель – сообщили в лаборатории геномной инженерии МФТИ.
Чтобы решить эту проблему, учеными МФТИ пришла в голову идея «исправить» нефункциональный геном путем его редактирования. Во время малоинвазивной лапароскопической операции в тело пациента вводится система редактирования генов.
Сегодня проводятся исследования на лабораторных мышах; Однако для полного решения проблемы необходимы эксперименты с геномом человека. По мнению ученых, здесь возможны два варианта: создание мышей с локусом человека или редактирование системы in vitro.
Ускорение роста и сокращение затрат
Стволовые клетки перспективны для использования в тканевой инженерии для создания тканей и органов для трансплантации. Миниатюрное человеческое сердце, выращенное из стволовых клеток, модель эмбрионального мозга и пищевода – одно из последних достижений ученых.
Исследователи из Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта (БФУ им. И. Канта) занимаются созданием нейронов из постнатальных стволовых клеток для трансплантации при травмах спинного мозга, повреждении нервной ткани и нейродегенеративных заболеваниях.
Сегодня ученые добавляют в клеточную среду факторы роста и ферменты, чтобы стимулировать дифференциацию стволовых клеток. По мнению экспертов, это довольно дорогой метод, при котором стволовые клетки долго дифференцируются.
«Мы хотим исправить это с помощью нашей техники. Такие материалы, как пьезополимеры, недороги в производстве и просты в использовании, а сама методика ускоряет развитие стволовых клеток в нейроны определенного типа», – сказала Екатерина Левада, старший научный сотрудник лаборатории «Новые магнитные материалы в БФУ им.
Чтобы стимулировать рост клеток, ученые разрабатывают так называемые композитные мультиферроики или магнитные частицы, разбавленные биосовместимой пьезополимерной матрицей. Такие композиты имеют ярко выраженную взаимосвязь между магнитными и электрическими свойствами.
«Мы хотим использовать новый материал в качестве активного субстрата для выращивания биологических объектов; мы также планируем подвергать их необходимым стимулирующим воздействиям с помощью магнитных и электрических полей. Этот метод может дать более эффективный результат по сравнению с отдельными полями», – Абдулкарим Амиров , – сказал старший научный сотрудник БФУ им.
Индивидуальный подход к противоопухолевой терапии
Постнатальные стволовые клетки, взятые у конкретного человека, могут быть использованы для создания индивидуальных методов диагностики рака, а также для первичного скрининга противоопухолевых веществ.
По мнению экспертов, стволовые клетки не только являются универсальным «строительным материалом» для органов и клеток крови, они также поддерживают рост и жизнеспособность злокачественных опухолей в организме, делая их устойчивыми к химиотерапевтическим препаратам, что значительно усложняет терапевтический процесс. Перед медиками и учеными стоит актуальная задача поиска наиболее эффективных методов лечения, позволяющих преодолеть эти препятствия.
Сегодня в фармацевтической промышленности активно используются в основном двумерные модели in vitro, клетки растут на плоской поверхности. Причем чаще всего используется только один вид опухолевых клеток. Однако двумерные модели не принимают во внимание естественную трехмерную архитектуру опухоли и сложное межклеточное взаимодействие; в результате они не дают объективных результатов.
Ученые всего мира работают над новыми моделями опухолевых заболеваний, которые варьируются от относительно простых трехмерных агрегатов опухолевых клеток (сфероидов) и фрагментов опухолей (органелл) до сложных технологий «орган на чипе».
Научно-клинический центр точной и регенеративной медицины Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета разрабатывает специальные тест-системы, основанные на совместном культивировании стволовых, опухолевых и иммунных клеток с добавлением особого внеклеточного матрикса для клетки должны существовать в трехмерной среде, которая напоминает естественные опухолевые ткани организма.
Разработка позволяет эффективно получать трехмерные тканеподобные структуры, похожие на опухоль в организме, а также моделировать метастазирование и формирование лекарственной устойчивости in vitro.
«Разработанную учеными тест-систему также можно использовать для индивидуального подхода к подбору противораковой химиотерапии с использованием собственных стволовых, опухолевых и иммунных клеток пациента», – Альберт Ризванов, профессор КФУ, почетный профессор фундаментальной медицины Университета им. Ноттингем, сказал.
Материал является частью проекта “5-100”. Проект направлен на оказание государственной поддержки ведущим российским университетам с целью повышения их конкурентоспособности среди лучших мировых научно-образовательных центров.
