Модель гемопоэза стволовых клеток

Стволовая клетка дает начало клеткам крови всех других типов. Популяция ство­ловых клеток малочисленна, и их морфологические особенности не идентифици­рованы (рис. 1-1). Во многом существование стволовых клеток доказано в функциональных исследованиях, показавших способность одиночных клеток генерировать несколько ростков кроветворения.

Таким образом, стволовые клетки в на стоящее время определены не морфологически, а функционально.

Точное их количество неизвестно, поскольку нет единого мнения о том, что считать стволовой клеткой. Предполагают, что стволовые клетки встречаются с частотой 1 на 10 ядросодержащих костномозговых клеток человека; по более сдержанным оценкам эта доля составляет 1 на 10⁷.

Для продукции огромного числа гемопоэтических клеток необходимо, чтобы примерно через день в течение всей жизни костный мозг воспроизводил необходимое количество миелокариоцитов; для этого он должен обладать клетками, ко­торые могут генерировать зрелые клетки непрерывно в больших количествах (т. е. без потери этой способности). Способность к самообновлению является ключевой в концепции стволовой клетки. В настоящее время имеются две теории механизма самообновления. Согласно первой, деление стволовой клетки асим­метрично: из двух произведенных стволовых клеток одна — недифференцирован­ная, другая — дифференцированная, предназначенная продуцировать зрелые клетки крови. В соответствии со второй теорией, стволовая клетка при каждом делении производит или две новые стволовые клетки, или две более зрелые клет­ки. Пул стволовых клеток, таким образом, поддерживается не точным асиммет­ричным делением каждой стволовой клетки, а равновесием между числом деле­ний, увеличивающих количество стволовых клеток, и делений, связанных с появлением более зрелых клеток.

В момент, когда стволовая клетка оставляет самообновляющийся пул, чтобы пополнить дифференцирующийся пул, морфологически она по-прежнему выгля­дит как примитивная бластная клетка и сохраняет способность производить клет­ки всех линий. С каждым последующим делением дочерние клетки-предшествен­ники становятся все более ограниченными в их способности к продукции клеток крови разных линий. Если изолировать клетки-предшественники и разрешить им размножаться и дифференцироваться, они будут генерировать клетки, которые в совокупности принадлежат только к одной или нескольким линиям (росткам гемопоэза). Более дифференцированные клетки-предшественники производят меньшее количество клеточных линий с меньшим количеством образующихся клеток. Эти концепции, подтвержденные результатами проводимых в течение не­скольких десятилетий экспериментов т уюо и т уИго, легли в основу существую­щей иерархической модели гемопоэза стволовых клеток (рис. 1-1).

Рис. 1-9. Структура тимуса. Незрелые тимоциты развиваются в коре по пути к медуллярной области. Изображены ТСRаb-молекулы. (ТСRуб-клетки встречаются редко). СD - кластер дифференцировки; ТСR - Т-клеточный рецептор; аb - аb-молекулы ТСR; низкий, высокий обозначают соответственно низкий и высокий уровни аb-экспрессии.

Гемопоэтическое микроокружение. Стволовые клетки, если их поместить в про­стую питательную среду, погибнут без дифференцировки или деления. Чтобы поддерживать процесс гемопоэтического самообновления и дифференцировки, стволовые клетки и их потомство должны находиться в непосредственной близо­сти от не гемопоэтических мезенхимных клеток, называемых стромалъными клетками. Эта гетерогенная группа состоит из фибробластов, эндотелиальных клеток, -остеобластов и адипоцитов, располагающихся на эндостальной поверхно­сти в костномозговой полости. Гемопоэтические клетки нуждаются в двух тесно связанных между собой элементах — в растворимых гемопоэтических факторах роста и мембраносвязанных молекулах присоединения (прикрепления). И тем и другим их обеспечивают стромальные клетки.

Гемопоэтические факторы роста (ГФР), или колониестимулируюшие факто­ры (КСФ), являются классом гликопротеиновых гормонов, которые необходимы для регуляции деления и дифференцировки гемопоэтических клеток. Эти гормо­ны требуются для выживания, пролиферации, дифференцировки и функциони­рования всех гемопоэтических клеток. Хотя первоначально они были обнаруже­ны как спонтанно секретируемые продукты Т-клеточных опухолей, теперь очевидно, что эти гормоны продуцируются в основном стромальными клетками " костного мозга, а также Т-лимфоцитами и моноцитами.

КСФ нарабатывают в двухэтапном процессе. Во-первых, малые количества определенных КСФ (интерлейкин-6 [ИЛ-6], гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор [ГМ-КСФ], фактор стволовых клеток [ФСК] и Р1(--3 [Р1(--ЗЬ]-лиганд) непрерывно продуцируются стромальными клетками ко­стного мозга, вероятно, в ответ на стимуляцию белками плазмы, тем самым опре­деляя основной гемопоэз, который поддерживает количество клеток крови в нор­мальном диапазоне (рис. 1-1). )

Во-вторых, секреция КСФ значительно возрастает в ответ на инфекцию. Бактериальные и вирусные продукты активируют моноциты, которые затем секретируют интерлейкин-1~(ИЛ-1), фактор некроза опухоли-альфа (ФНО-а), гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (Г-КСФ) и собственный макрофагальный колониестимулирующий фактор (М-КСФ). Эти продукты в свою очередь стимулируют дополнительную секрецию СФ. ИЛ-1, помимо антиген­ной стимуляции специфических рецепторов активирует секрецию ГМ-КСФ и интерлейкина-3 (ИЛ-3) Т-клетки. ИЛ-1 и ФНО-а стимулируют фибробласты и эндотелиальные клетки стромального микроокружения костного мозга к увели­чению секреции ими ИЛ-6 и ГМ-КСФ, а также к секреции больших количеств Г-КСФ. Эти Гемопоэтические ростовые факторы (цитокины), таким образом, на­прямую увеличивают количество циркулирующих нейтрофилов, моноцитов и плазматических клеток и активируют эти клетки в процессе их созревания. Ге­нерация зрелых клеток крови каждой специфической линии регулируется набо­ром определенных гемопоэтических факторов роста. Хотя наборы гемопоэтичес­ких факторов роста, стимулирующих специфическое созревание субпопуляций клеток крови, перекрываются по своим функциям, каждый из них имеет харак­терные отличия.

Эритропоэз. Эритроидная дифференцировка на последних стадиях в значитель­ной степени регулируется эритропоэтином (ЭП) — гликопротеином, производи­мым в ответ на тканевую гипоксию в печени плода и почке взрослого. Из предпо­ложительно 18 делений, происходящих в процессе превращения стволовой клетки в зрелый эритроцит, эритропоэтин существенно стимулирует заключительные 8-10 делений. Транскрипция гена эритропоэтина в почечных перитубулярных эндотёлиальных клетках и гепатоцитах регулируется кислород чувствительными факторами транскрипции, которые усиливают экспрессию гена при сокращении доставки О²;. Гиперпродукция эритропоэтина, наблюдаемая в неко­торых случаях почечно-клеточной карциномы и гепатомы, ведет к развитию эритроидной полицитемии (глава 3).

Предшествующие деления клетки, дающие начало эритропоэтинчувствительным эритроидным клеткам-предшественникам, в основном независимы от эрит­ропоэтина. Пролиферация и созревание на этих этапах определяются ГМ-КСФ и ФСК, которые продуцируются местно в стромальном микроокружении костно­го мозга. Кроме того, они могут быть специфически усилены ИЛ-3, секретируемым активированными Т-лимфоцитами.

Гранулоцитопоэз. Нейтропоэз и монопоэз на заключительных стадиях индуци­руются Г-КСФ и М-КСФ соответственно. Ранние деления, в результате кото­рых полипотентные предшественники становятся коммитированными в отно­шении определенных ростков, регулируются синергичными взаимодействиями ГМ-КСФ, ФСК и ИЛ-3. Как описано ранее, несмотря на постоянный уровень основной секреции КСФ стромальными фибробластами, выстилающими эндостальную поверхность костного мозга, секреция ГМ-КСФ и Г-КСФ существен но повышается при воспалении в ответ на продукцию ИЛ-1 и ФНО-а моно­цитами.

В продукции эозинофилов главную индуктивную роль играет интерлейкин-5 (ИЛ-5), в меньшей степени участвуют ИЛ-3 и ГМ-КСФ. Базофилы и тучные клетки непосредственно стимулируются ФСК и ИЛ-3. В обоих случаях начальные центростремительные (афферентные) сигналы, которые вызывают высво­бождение этих цитокинов, пока недостаточно поняты.

Мегакариоцитопоэз. Развитие клеток-предшественников мегакариоцитов на са­мых ранних стадиях, по-видимому, индуцируется тромбопоэтином (ТПО) в соче­тании с ФСК. ТПО также стимулирует конечные стадии созревания мегакарио­цитов и "отшнуровывание" тромбоцитов. Напротив, интерлейкин-11 (ИЛ-11) может играть главную роль в "отшнуровке" тромбоцитов при сравнительно сла­бом влиянии на образование и развитие самих мегакариоцитов (глава 5).

В-лимфопоэз. Как и в случае миелоидных линий, развитие В-клеток начинается с дифференцировки полипотентной стволовой клетки в недифференцированные, но коммитированные предшественники В-клеток. Пролиферация и дифференцировка этих предшественников В-клеток на начальных стадиях индуцируются ин-терлейкином-7 (ИЛ-7) и ФСК. Как только образовались распознаваемые пре-В-и В-клетки, происходит их дальнейшая дифференцировка и деление при участии иммуноглобулинового антигенного рецептора и Рс-рецептора, стимулируемая растворимым интерлейкином-4 (ИЛ-4) и ИЛ-6. После формирования плазмати­ческих клеток, производящих антитела, ИЛ-6 и ГМ-КСФ стимулируют дополни­тельную пролиферацию и секрецию антител.

Т-лимфопоэз. Первоначально пре-Т-клетки подвергаются сложной негативной и позитивной селекции в тимусе, в процессе которой они "обучаются" распозна­вать "свои" и "не свои" (чужеродные) клетки. Возникающие в результате зрелые Т-клетки являются субъектами антиген- и цитокининдуцированной активации и экспансии. Стимуляция антигеном в присутствии интерлейкина-2 (ИЛ-2) или антигеном в сочетании со стимуляцией вспомогательными макрофагами либо дендритными клетками, которые экспрессируют В7-1 или В7-2, ведет к прямой активации и СD4+, и СD8+ Т-клеток.