Спеціалізація та інтеграція клітин багатоклітинних організмів – Клітина як елементарна структурно-функціональна одиниця живого
МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ
Розділ 1
БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ
1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя
1.2.1.5. Спеціалізація та інтеграція клітин багатоклітинних організмів
Багатоклітинні організми складаються з клітин, що мають принципово однакову будову. Проте форма, розміри і структура клітин залежать від функцій, які вони виконують (рис. 1.18). Наприклад, м’язові клітини видовжені, клітини епітеліальної тканини розташовані на базальній мембрані, щільно прилягають одна до одної, міжклітинна
Рис. 1.18. Основні типи клітин людини:
А – клітини жирової тканини; б – клітини хрящової тканини; в – клітини кісткової тканини; г – клітини крові (лейкоцити і еритроцити);
Д – волокна (симпласти) м’язової тканини; є – клітини нервової тканини; ж – циліндричний епітелій;
Таким чином, клітини тварин дуже різноманітні за розмірами, структурою і функціями, які вони виконують. Однак всі клітини обов’язково мають основні компоненти: цитоплазматичну мембрану, цитоплазму і ядро (за винятком еритроцитів і тромбоцитів, у яких ядро відсутнє).
Основні типи клітин людини. Клітини людини – мікроскопічних розмірів. Діаметр клітин коливаєть ся від 0,01 до 0,1 мм (або від 10 до 100 мкм). Об’єм більшості клітин людини знаходиться в межах 20015000 мкм3. Діаметр найдрібніших клітин людини (еритроцити, тромбоцити) дорівнює 4-5 мкм (рис. 1.18 г). Однак відомі й досить великі клітини, які можна побачити неозброєним оком. Величина клітин залежить від функцій, які вони виконують. Так, яйцеклітини завдяки нагромадженню в них поживних речовин досягають розмірів до 150-200 мкм.
Розміри клітин прямо не пов’язані з розміром організму. Так, клітини печінки і нирок у людини, коня, великої рогатої худоби і миші мають приблизно однаковий розмір. Розміри органів, як і розміри цілого організму тварин і рослин, залежать від кількості клітин. Кількість клітин, що складають організм, є різною: від однієї (в одноклітинних) або невеликої кількості (у коловерток і круглих червів) до багатьох мільярдів, як у більшості багатоклітинних. Новонароджена людина містить приблизно 2 трильйони клітин, доросла – 60-100 трильйонів. Донор, що здає кров, втрачає 5-6 млрд. клітин. Щодня наш організм втрачає і відновлює один відсоток своїх клітин, тобто приблизно 600 мільярдів.
В організмі людини є різноманітні клітини, що різняться розмірами, структурою і функціями. Подібні за структурою і функціями клітини, зв’язані єдністю походження, утворюють тканини. Спеціалізовані клітини утворюють чотири типи тканин: епітеліальну, сполучну, м ‘язову, нервову. Клітини, що зберігають характерні риси кожного типу тканини, можуть у широких межах змінюватися як за структурою, так і за функціями. Причому характер розходжень змінюється в процесі індивідуального розвитку організму. Важливим фактором структурно – функціональних особливостей є взаємодія клітини з іншими клітинами, тканинами або віддаленими клітинними системами через нервову систему або гуморальний зв’язок. У кожній тканині є клітини, що зберігають здатність до поділу. Частина з них після поділу починає диференціюватися і заміщує клітини тканини, які відмирають. Друга частина клітин залишається недиференційованою, спроможною до наступних поділів (стовбурові клітини).
Стовбурові клітини та їх використання у медицині.
Вивчення тонких механізмів ембріонального розвитку організму ссавців із єдиної клітини і процесів заміщення ушкоджених клітин здоровими клітинами у дорослому організмі інтенсивно розвивалося за останні 20 років минулого сторіччя. В основі цього необхідного напрямку є дослідження стовбурових клітин.
Стовбуровими клітинами (СК) вважають недиференційовані клітини, здатні до самовідновлення та продукування хоча б одного типу високодиференційованих нащадків.
Розрізняють два типи СК – плюрипотентні ембріональні стовбурові клітини (ЕСК), які одержують із бластоцисти, і дорослі стовбурові клітини – обмежені ними (мультипотентні та уніпотентні), які виявлені в різних тканинах. Ці групи СК відрізняються одна від одної і від їх нащадків за багатьма морфологічними ознаками, локалізацією, рецепторами поверхні, факторами транскрипції.
Всі СК, незалежно від їх походження, мають спільні властивості: здатні до поділу та самовідновлення впродовж тривалого часу, вони не спеціалізовані, можуть давати початок спеціалізованим типам клітин.
На відміну від нервових клітин, які зазвичай не розмножуються, СК можуть відновлюватися багато разів. Процес багаторазового відновлення клітин називають проліферацією. Початкова популяція СК, що проліферують упродовж багатьох місяців у лабораторії, може утворити мільйони клітин. Якщо кінцеві клітини продовжують бути неспеціалізованими, подібно до батьківських СК, то вони вважаються здатними до тривалого самовідновлення.
Одна з основних властивостей СК – те, що вони не мають жодних тканинноспецифічних структур, які дозволили б їм виконувати спеціалізовані функції. СК не може, як клітина серцевого м’яза, взаємодіяти з іншими клітинами, щоб постачати кров до судин; вона не може переносити молекули кисню, як еритроцити; і вона не проводить електрохімічні сигнали до інших клітин (подібно до нервових клітин).
Вчені шукають фактори, які дозволяють СК залишатися недиференційованими. Потрібно було багато років і помилок, щоб навчитися культивувати СК в умовах лабораторії, перешкоджати їх спонтанному диференціюванню у визначені клітини. Тільки через 20 років після створення лабораторних умов для вирощування СК миші, навчилися вирощувати зародкові СК людини. Важливою ділянкою наукових досліджень є вивчення сигналів у тканинах та органах дорослого організму, які призводять до проліферації популяції СК і залишають їх недиференційованими доти, доки вони не стануть потрібні для регенерації визначеної тканини. Це необхідно для того, щоб виростити велику кількість неспеціалізованих СК у лабораторіях для проведення експериментів.
Процеси, під час яких неспеціалізовані СК дають початок спеціальним клітинам, називаються диференціацією. Тільки зараз починається вивчення сигналів, які запускають цей процес. Їх поділяють на внутрішні та зовнішні. Внутрішні сигнали контролюються генами клітини, які несуть закодовані інструкції для всіх структур і функцій клітин. Зовнішні сигнали включають хімічні речовини з інших клітин, фізичний контакт із сусідніми клітинами, деякі молекули позаклітинного середовища. Дослідження сигналів диференціювання СК необхідне, оскільки за їх допомогою вчені можуть виростити клітини або тканини, які можна використати для лікування багатьох захворювань.
Зрілі СК продукують клітини визначеної тканини, в яких вони знаходяться. Наприклад, зрілі СК в кістковому мозку дають початок багатьом типам клітин крові. Донедавна вважалося, що гемопоетичні СК не можуть давати початок диференційованим клітинам інших тканин, наприклад, нервових. За останні роки численними експериментами показано, що СК походять із однієї тканини, а дають початок клітинам зовсім іншої тканини. Такий феномен одержав назву пластичності. Так, кровотворні клітини дають початок нейронам або клітинам серцевого м’яза, клітини печінки трансформуються в клітини, що продукують інсулін. Активно вивчається можливість використання зрілих СК у клінічній практиці.
Існує велика різноманітність напрямків, у яких СК людини можуть використовуватися в експериментальному та клінічному дослідженнях. Але є багато технічних перешкод між потенціалом стовбурових клітин і реалізацією його використання, які будуть подолані тільки тривалим, інтенсивним вивченням.
Вивчення СК людських зародків може дати інформацію про складні процеси, що відбуваються впродовж розвитку людини. Мета цієї роботи полягає в тому, щоб з’ясувати, як недиференційовані стовбурові клітини стають диференційованими. Перетворення генів на активні і неактивні є важливим у цьому процесі. Деякі з найбільш серйозних медичних станів, таких, як рак і вади розвитку, є наслідком патологічного поділу і диференціювання клітин. Розуміння генетичних і молекулярних регуляторів цих процесів може дати інформацію про те, як виникають такі захворювання, і запропонувати нові стратегії для терапії. Суттєвою перешкодою використання СК є те, що не до кінця з’ясовано сигнали, які сприяють переходу визначених генів у активний і неактивний стан, а також ті, що впливають на диференціювання стовбурових клітин.
СК людини також можуть використовуватися для перевірки нових лікарських препаратів. Наприклад, нові медикаментозні препарати могли б бути перевірені на безпечність за допомогою диференційованих клітин, що одержані від людських плюрипотентних ліній клітин. Інші види ліній клітин уже застосовуються в клініці. Ракова клітина формує, наприклад, звикання до лікарських антипухлинних препаратів. Але наявність плюрипотентних СК дозволило б здійснити перевірку препаратів у більш широкому діапазоні типів клітин. Для ефективної перевірки препаратів необхідно створити ідентичні умови при порівнянні різних ліків. Зважаючи на це, вчені повинні будуть точно вміти керувати диференціюванням СК у визначений тип клітин, на яких будуть перевірені ліки. Знання сигналів, що контролюють диференціювання, недостатньо для того, щоб зуміти точно їх зімітувати з метою отримання послідовного ідентичного диференціювання клітин для кожного лікарського засобу, що перевіряється.
Можливо, найбільш важливим потенціальним застосуванням людських СК є відновлення клітин та тканин, які могли б використовуватися для терапії, що базується на клітинах. На сьогодні донорські органи і тканини часто використовуються, щоб змінити хвору або зруйновану тканину, але потреба у тканинах та органах для трансплантації перевищує їх доступне постачання. СК, що спрямовані на диференціювання у визначені типи клітин, дозволяють відновлювати джерела заміни клітин і тканин з метою лікування захворювань, зокрема хвороб Паркінсона та Альцгеймера, ушкодження спинного мозку, синців, опіків, захворювання серця, діабету, остеоартриту та ревматоїдного артриту.
Наприклад, можливе створення здорових клітин серцевого м’яза в лабораторії з наступною трансплантацією їх пацієнтам із хронічною серцевою недостатністю. Попередні дослідження на мишах та інших тваринах вказують на те, що СК кісткового мозку, які були трансплантовані в ушкоджене серце, можуть створювати клітини серцевого м’яза і успішно повторно заселяти серцеву тканину. Інші недавні дослідження в системах клітинних культур вказують на можливе спрямування диференційованих зародкових СК або зрілих клітин кісткового мозку до клітин серцевого м’яза.
У людей, хворих на діабет першого типу, клітини підшлункової залози, які зазвичай продукують інсулін, зруйновані власною імунною системою пацієнта. Нові дослідження вказують, що можна спрямовувати диференціювання людських зародкових СК в клітинній структурі з метою формування інсулін – продукуючих клітин, які могли б використовуватися у трансплантаційній терапії хворих на діабет.
Для реалізації багатообіцяючих нових методів лікування, що базуються на клітинах, з метою лікування розповсюджених та виснажуючих захворювань, фахівці повинні володіти здатністю легко і продуктивно керувати стовбуровими клітинами так, щоб вони мали необхідні характеристики для успішного диференціювання, трансплантації і приживлення. Надалі потрібні послідовні етапи успішного використання, що базуються на клітинах, щоб контролювати запровадження такого лікування у клініці. Для трансплантації стовбурові клітини повинні мати такі властивості:
– екстенсивно проліферувати і продукувати достатню кількість тканин;
– диференціюватися у бажані типи клітин;
– зберігати життєздатність після трансплантації;
– об’єднуватися з оточуючими тканинами після трансплантації;
– функціонувати для продовження життя реципієнта;
– не завдавати шкоди реципієнту будь-яким чином.
Крім того, щоб уникнути проблеми імунного відторгнення, експериментують з різними стратегіями створення тканин.
Таким чином, лікування стовбуровими клітинами перспективне. їх застосування обмежене технічними причинами та дорожнечею, але накопичені результати дають можливість вважати, що ці обмеження будуть подолані.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...