Стволовые клетки: виды по потентности и источнику

Стволовая клетка умеет две вещи одновременно: неограниченно самообновляться и давать начало специализированным потомкам. Виды стволовых клеток различают по двум независимым признакам - по потентности (насколько широк спектр возможных потомков) и по источнику (откуда клетка взята). Смешивать эти оси - самая частая ошибка на коллоквиуме: эмбриональные клетки не «более мультипотентны», они плюрипотентны, а мезенхимальные остаются мультипотентными независимо от того, выделены они из костного мозга или из жировой ткани. Ниже разбираем обе классификации, поверхностные маркеры каждого типа и границы их применимости.

Что вообще делает клетку стволовой

Формальных критериев два, и оба обязательны. Первый - самообновление: при делении хотя бы одна дочерняя клетка остаётся такой же недифференцированной, как материнская. Второй - потентность: способность при нужном сигнале дать один или несколько специализированных типов клеток.

Баланс между этими двумя исходами держится на асимметричном делении. Если обозначить вероятность того, что дочерняя клетка останется стволовой, через $p$, то численность пула меняется как

$$N_{t+1} = 2p\,N_t$$

При $p = 0{,}5$ пул стационарен - на каждую ушедшую в дифференцировку клетку приходится одна оставшаяся в резерве. При $p > 0{,}5$ пул растёт (регенерация после травмы, но и опухолевый рост), при $p < 0{,}5$ - истощается, что и наблюдают при старении кроветворной ткани.

Удерживает $p$ около половины микроокружение - ниша: соседние клетки, внеклеточный матрикс и локальные сигналы. Ключевую роль здесь играет сигнальный путь Notch, передающий сигнал только при прямом контакте мембран, - именно он позволяет провести границу между «остаться стволовой» и «уйти в дифференцировку» с точностью до одной клетки.

Виды по потентности: от зиготы до сателлитной клетки

Это главная классификация, и её спрашивают чаще всего. Пять ступеней, от максимума к минимуму:

• Тотипотентные - зигота и бластомеры до стадии 8 клеток. Дают и весь организм, и внезародышевые оболочки (плаценту, амнион). Единственный тип, из которого может развиться целый плод.
• Плюрипотентные - клетки внутренней клеточной массы бластоцисты и иПСК. Дают производные всех трёх зародышевых листков (эктодерма, мезодерма, энтодерма), но плаценту уже не формируют.
• Мультипотентные - гемопоэтические, мезенхимальные, нейральные стволовые клетки. Ограничены рамками одной тканевой линии: из гемопоэтической получится эритроцит или лимфоцит, но не нейрон.
• Олигопотентные - общий лимфоидный и общий миелоидный предшественники: спектр сужен до нескольких родственных типов.
• Унипотентные - сперматогонии, сателлитные клетки скелетной мышцы, базальные кератиноциты. Дают один тип потомков, но сохраняют самообновление, чем и отличаются от обычных делящихся клеток.

Рассчитать для своей задачи

Полезное правило проверки: чем ниже потентность, тем выше пролиферативная безопасность. Тотипотентные и плюрипотентные клетки при пересадке дают тератому - опухоль из смеси тканей всех трёх листков; мультипотентные такого риска почти не несут.

Виды по источнику: эмбриональные, фетальные, взрослые

Вторая ось никак не выводится из первой, хотя они и коррелируют.

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) выделяют из внутренней клеточной массы бластоцисты на 5–7-е сутки развития. Плюрипотентны, делятся практически неограниченно, экспрессируют триаду факторов транскрипции OCT4, SOX2 и NANOG плюс поверхностные маркеры SSEA-3/4 и TRA-1-60. Ограничения - этические (эмбрион разрушается) и иммунологические: клетки чужеродны реципиенту.

Фетальные и перинатальные - клетки абортивного материала, а также пуповинной крови и ткани пуповины (вартонов студень). Пуповинная кровь богата гемопоэтическими предшественниками и уже применяется клинически: банки пуповинной крови существуют с 1990-х.

Взрослые (соматические, тканеспецифичные) живут в сформированных тканях всю жизнь. Самые изученные:

• Гемопоэтические (ГСК) - маркер CD34+, CD90+, линейно-негативные; основа трансплантации костного мозга.
• Мезенхимальные (МСК) - CD73+, CD90+, CD105+ при отсутствии CD45 и CD34; дают остеобласты, хондроциты, адипоциты. Выделяются из костного мозга, жировой ткани, пульпы зуба.
• Нейральные - субвентрикулярная зона и зубчатая извилина гиппокампа, маркер нестин.
• Кишечные крипты - LGR5+, полностью обновляют эпителий кишечника примерно за пять суток.

Рассчитать для своей задачи

У растений роль постоянного резерва играют меристемы - по функции полный аналог животных ниш, хотя терминология там своя.

Индуцированные плюрипотентные клетки (иПСК)

Отдельный вид, появившийся в 2006 году: Синъя Яманака показал, что зрелый фибробласт можно вернуть в плюрипотентное состояние введением всего четырёх факторов транскрипции - OCT4, SOX2, KLF4 и c-MYC. За это в 2012 году он вместе с Джоном Гёрдоном получил Нобелевскую премию.

Рассчитать для своей задачи

Механизм - масштабная перестройка эпигенома: снимается метилирование CpG-островков в промоторах генов плюрипотентности, меняется профиль модификаций гистонов. Практическое преимущество огромно: иПСК получают из клеток самого пациента, поэтому нет ни этической проблемы эмбриона, ни иммунного отторжения. Минусы - низкая эффективность репрограммирования (доли процента), онкогенность c-MYC в ранних протоколах и всё тот же риск тератомы.

Раковые стволовые клетки

Ещё один вид, который в классификациях часто забывают. Внутри опухоли есть небольшая субпопуляция, способная к самообновлению и к воссозданию всей опухоли из малого числа клеток. Именно она устойчива к химиотерапии (активные насосы множественной лекарственной устойчивости, медленный цикл) и отвечает за рецидивы. Маркеры зависят от опухоли: CD133 в глиобластоме, CD44+/CD24− в раке молочной железы.

Отдельная особенность раковых стволовых клеток - они не обязательно происходят из нормальных стволовых: часть возникает из уже дифференцированных клеток, вернувших себе программу самообновления. Поэтому терапия, бьющая по делящимся клеткам, эту субпопуляцию как раз щадит.

Как вид клетки доказывают экспериментально

Заявить «это плюрипотентная клетка» по морфологии нельзя - нужен функциональный тест, и для каждой ступени потентности он свой.

• Клоногенный анализ (colony-forming unit): одиночную клетку сажают в полутвёрдую среду и смотрят, вырастет ли из неё колония нужного состава. Так измеряют пул ГСК и МСК.
• Тератомный тест: клетки вводят иммунодефицитной мыши. Появилась опухоль с производными всех трёх листков - плюрипотентность подтверждена. Это же и предупреждение о риске при терапии.
• Химерный тест и тетраплоидная комплементация - золотой стандарт для мышиных линий: клетки вносят в бластоцисту и проверяют, войдут ли они в ткани родившегося животного.
• Направленная дифференцировка: МСК подтверждают трилинейным тестом - в остеогенной, хондрогенной и адипогенной средах должны появиться соответствующие клетки.
• Профиль маркеров (проточная цитометрия) сам по себе доказательством не считается: он лишь отбирает кандидатов перед функциональной проверкой.

Понимание того, что деление стволовой клетки - обычный митоз, а не какой-то особый механизм, снимает половину путаницы: уникальна не механика деления, а распределение судеб между дочерними клетками и сигналы ниши, которые это распределение задают.

Где виды различаются практически

Рутинная клиника сегодня - это в основном ГСК и пуповинная кровь. Плюрипотентные линии используют для лекарственного скрининга и выращивания органоидов, а также в связке с редактированием генома CRISPR-Cas9 для исправления мутации до пересадки.

Частые ошибки

• Считать ЭСК тотипотентными. Из внутренней клеточной массы плацента не образуется, поэтому клетки плюрипотентны. Тотипотентна только зигота и ранние бластомеры.
• Ставить знак равенства между «взрослые» и «мультипотентные». Сперматогонии - взрослые, но унипотентные, а иПСК получены из взрослой клетки и при этом плюрипотентны.
• Путать стволовую клетку и клетку-предшественник. Прогенитор делится ограниченное число раз и самообновление утратил; стволовая клетка сохраняет его неограниченно.
• Приписывать МСК способность давать нейроны. Мезенхимальная линия ограничена мезодермальными производными; сообщения о нейрональной трансдифференцировке воспроизводятся плохо.
• Смешивать репрограммирование с клонированием организма. Перенос ядра в ооцит и введение четырёх факторов - разные технологии с разным результатом.

FAQ

Сколько всего видов стволовых клеток выделяют? Правильный ответ зависит от оси классификации: по потентности - пять групп, по источнику - четыре (эмбриональные, фетальные и перинатальные, взрослые, индуцированные). На экзамене ждут обе схемы, а не одно число.

Чем плюрипотентные отличаются от мультипотентных? Плюрипотентные дают производные всех трёх зародышевых листков, мультипотентные - только клетки одной линии. Практическое следствие: первые формируют тератому при пересадке, вторые - нет.

Есть ли стволовые клетки у взрослого человека? Да, во всех обновляющихся тканях: костный мозг, кишечные крипты, базальный слой эпидермиса, сателлитные клетки мышц, гиппокамп. Их потентность ограничена тканью, а число с возрастом снижается.

Коротко

Виды стволовых клеток описывают двумя независимыми классификациями. По потентности - тотипотентные, плюрипотентные, мультипотентные, олигопотентные и унипотентные; чем шире спектр потомков, тем выше риск тератомы. По источнику - эмбриональные из бластоцисты, фетальные и перинатальные, взрослые тканеспецифичные (ГСК, МСК, нейральные, кишечные) и индуцированные иПСК, полученные репрограммированием четырьмя факторами Яманаки. Отдельно стоят раковые стволовые клетки, отвечающие за рецидив опухоли. В клинике массово применяются пока только мультипотентные гемопоэтические клетки, плюрипотентные линии остаются инструментом лабораторий.