Стволовая клетка (СК) — предшественница всех клеток, в том числе и участвующих в иммунном ответе. Термин «стволовая клетка» (по-англ. «stem cell») означает, что каждая такая клетка дает начало целому древу потомков, в основании ствола которого она находится. Среди клеток-потомков будут как клетки, идентичные стволовой (как бы формирующие ствол древа), так и специализированные (мышечные, эпителиальные, нервные и др.), которые образуют ветви.
При делении каждая СК дает начало хотя бы одной подобной клетке. Вторая возникающая в результате деления клетка может быть тоже стволовой (в этом случае ее деление называют симметричным), но может и вступить на путь специализации (такое деление СК называют асимметричным).
Таким образом, в процессе роста и развития организма человека возникают все специализированные клетки, формирующие все ткани и органы, в которых до глубокой старости присутствуют СК, служащие источником замены отработанных клеточных элементов или источником восстановления ткани при ее повреждении. Этот процесс (так называемая физиологическая регенерация) в разных тканях происходит с неодинаковой скоростью. На одном полюсе находятся нервные клетки, многие из которых существуют на протяжении всей жизни человека, на другом — клетки эпителия тонкого кишечника, полностью обновляющиеся за несколько дней.
Превращение СК в специализированную называется дифференцировкой. После асимметричного деления поначалу возникает прогениторная клетка (клетка-предшественник), которая в дальнейшем, обычно после еще нескольких делений, постепенно становится полностью дифференцированной. Следовательно, такое разбиение может быть асимметричным. В этом случае из одной СК в конечном счете формируются специализированные клетки двух или даже нескольких морфофункциональных типов. В качестве примера можно привести гемопоэтические СК костного мозга. Они постоянно, на протяжении всей жизни, дают начало кроветворным прогениторным клеткам, которые специализируются по нескольким направлениям с образованием эритроцитов и клеток белой крови всех типов.
Цикл обновления клеток организма
С практической точки зрения различают несколько видов СК.
Самыми первыми СК следует считать те, что получаются при первых нескольких делениях оплодотворенной яйцеклетки. На стадии бластоцисты из ее внутренней клеточной массы можно выделить эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Путем определенных манипуляций (достаточно сложных) из них можно получить бессмертную линию, то есть клетки могут неограниченно и быстро делиться, не теряя своих свойств. Из этих клеток при определенных условиях и образуется любая специализированная клетка. Это их свойство и называется тотипотентностью. СК, присутствующие в тканях взрослых людей, также сохраняют пластичность.
Например, показано, что такие клетки, находящиеся в жировой ткани или костном мозге, могут при перенесении в другую ткань или под воздействием специально подобранного набора химических стимулов дифференцироваться в мышечные или эпителиальные клетки. Но все же спектр возможных превращений СК с возрастом суживается. ЭСК уже в процессе внутриутробного развития организма из тотипотентных становятся вначале плюрипотентными (т. е. способными давать начало многим, но не всем типам клеток), а затем олиго- и даже монопотентными (т. е. дающими начало соответственно малому числу или только одному типу специализированных клеток).
Стволовые клетки, полученные из абортированных плодов (фетусов) на 6—21-й неделе развития организма человека, называют фетальными. Они не обладают вышеописанными свойствами ЭСК, т. е. способностью к неограниченному размножению и дифференцировке в любой вид специализированных клеток. Эти клетки уже начали дифференцировку, и, следовательно, каждая из них, во-первых, может пройти только ограниченное число делений и, во-вторых, дать начало не любым, а достаточно определенным видам специализированных клеток. Так, из клеток фетальной печени могут развиться специализированные клетки печени и кроветворные клетки. Из фетальной нервной ткани соответственно образуются более специализированные нервные клетки и т. д. При определенных условиях и под должным контролем выделение фетальных клеток разрешено в ряде стран, включая Россию. Разновидностью таких СК можно считать СК пуповинной крови, т. е. кроветворные (гемопоэтические).
Во взрослом организме тоже присутствует несколько видов СК. Наиболее универсальными из них являются мезенхимальные СК, которые обнаружены в костном мозге, жировой и в незначительных количествах в других тканях. Они могут давать начало разнообразным клеткам костной, хрящевой, мышечной и некоторым другим клеткам тканей. Гемопоэтические СК, из которых образуются все клетки крови, находятся в больших количествах в костном мозге и присутствуют в периферической крови. По некоторым данным, гемопоэтические СК также могут дифференцироваться в клетки других тканей, например мышечной. Наконец, во всех органах присутствуют региональные СК.
Как правило, это уже достаточно дифференцированные клетки, и они могут дать начало только нескольким разновидностям клеток, из которых состоят ткани данного органа. В последнее время появились данные, свидетельствующие о том, что существуют два типа региональных СК — специализированные и универсальные. Первые в разных тканях неодинаковые и в нормальных условиях являются источником физиологической регенерации специализированных клеток данной ткани, например эпителиальных клеток в кишечнике или клеток крови в костном мозге. Вторые во всех тканях одинаковы и плюрипотентны. Они могут участвовать в физиологической регенерации «своей» ткани, но могут с кровью переноситься в другие ткани и участвовать в их обновлении. Общей закономерностью является следующее: если клетка вышла на этап дифференцировки (начала специализироваться), то количество делений, которое она может пройти, ограничено. Так, для фибробласта лимит составляет 50 делений, для СК крови — 100.
Вследствие старения происходит и другой процесс: количество СК в тканях снижается. В результате страдает способность ткани к физиологической регенерации и восстановлению ее функции после болезни или травмы. Причина в том, что в процессе взросления, течения заболеваний, а также травм или несчастных случаев у человека наблюдается катастрофическое снижение количества СК: при рождении — 1 СК встречается на 10 тыс., к 20—25 годам — 1 на 100 тыс., к 30—1 на 300 тыс. К 50-летнему возрасту уже остается всего 1 СК на 500 тыс. Истощение запаса СК вследствие старения или тяжелых заболеваний, а также нарушение механизма их выброса в кровь лишают организм возможностей эффективной регенерации, в результате чего жизнедеятельность тех или иных органов истощается.
Увеличение количества СК в организме приводит к интенсивной регенерации поврежденных тканей и больных органов за счёт образования молодых, здоровых клеток на месте утраченных. Современная медицина уже обладает такой технологией — она называется клеточной терапией. Принципы такой терапии с использованием СК связаны с тем, что СК являются, во-первых, своего рода «кирпичиками», строительным материалом организма. Во-вторых, они принимают непосредственное участие в восстановительных процессах организма и могут замедлить старение. В-третьих, из-за способности к преобразованию в клетки любых органов и тканей они играют роль «аварийной помощи»: если где-то в организме неполадка, СК направляются туда и, преобразуясь в клетки поврежденного органа, заменяют потерянные в результате болезни или повреждения клетки органа, помогают восстановлению его функции.