Текст книги "Старение и антиэйджинг: медико-биологические подходы к увеличению продолжительности жизни и активному долголетию"

Гемопоэтическая стволовая клетка, или кроветворная стволовая клетка (КСК), – это клетка – родоначальница всей многомиллиардной системы клеток кроветворения (гемопоэза), всех клеток иммунной системы (иммунопоэза) и главный регуляторный, управляющий и саногенетический инструмент среди всех 220 типов тканеспецифических соматических и стволовых клеток в организме человека. ГСК впервые были описаны русским эмигрантом в США проф. А. А. Максимовым в 1908 г. как клетки – родоначальницы кроветворения. А. А. Максимовым было показано, что именно ГСК – это клетки, формирующие гемопоэз, т.е. клетки, лежащие в основе всего процесса кроветворения человека и животных. Но как мощное терапевтическое средство они не получили своего заслуженного признания в нач. ХХ в. Более полувека они были забыты, и только в сер. 1960-х гг. ГСК были успешно применены для лечения острых и хронических лейкозов, лимфолейкозов и миелолейкозов у взрослых и детей путем проведения трансплантации костного мозга (Менткевич, Маякова, 2010). Невероятные успехи в лечении рака крови и даже полное излечение больных от этого онкологического недуга обусловили широкое, но преимущественно одностороннее, в основном онкогематологическое применение ГСК в лечении заболеваний человека. Позже, к концу ХХ в., ГСК в большинстве современных исследований широко применялись для восстановительного лечения нарушенного гемопоэза у онкологических пациентов после высокодозной химиотерапии и лучевой терапии опухолей. ГСК использовались как фундаментальная основа трансплантаций костного мозга в лечении неопластических образований, но прямого противоопухолевого эффекта ГСК на раковые клетки ранее доказано не было (Брюховецкий А. С., 2011). По крайней мере в доступной нам литературе ничего подобного мы не нашли.

ГСК с маркерами клеточной поверхности CD34⁺, CD45⁺HLA-DR^—, CD38^—Gp130^— в организме человека являются самыми универсальными регуляторами гомеостаза, т.к. имеют самый большой период жизненного клеточного цикла (ок. 360 дней; Пальцев и др., 2003). В свете современных концепций системного подхода к управлению очевидно, что в любом биохимическом процессе в организме млекопитающих управляющей системой является самая медленная фаза (Неймарк, 1985). В этой связи ГСК CD34⁺, CD45⁺HLA-DR^—, CD38^—Gp130^— обладают доминирующими управляющими свойствами среди всех клеточных систем организма и их регуляторные функции являются системообразующими (Брюховецкий А. С., 2010) для всех нормальных клеток. Также ГСК в зависимости от органных потребностей тканей способны под влиянием сигналов микроокружения трансформироваться как в НСК, так т в МССК, что с позиций теории клеточного замещения является крайне важным для реставрации поврежденных тканей.

Функцию обновления и восстановления тканей in vivo выполняют преимущественно тканеспецифичные СК, которые представляют собой пул запасных недифференцированных стволовых клеток и клеток – предшественников различных типов тканей (Тепляшин, 2005). Выделены различные типы тканеспецифичных СК взрослого организма: гемопоэтические CD34⁺CD45⁺ (предшественники всех клеток крови) СК (ГСК) (патент РФ № RU 228319), нейрональные (CD133⁺СD133^—) СК (предшественники клеток нервной ткани, НСК) (патент РФ № RU 3394593), мезенхимальные (CD10⁺, CD13⁺, CD44⁺, CD90⁺ (Thy-1), CD105⁺, CD34^—, CD45^— и CD117^—) стромальные СК (МССК – клетки, способные дифференцироваться в клетки тканей мезенхимального происхождения) (патент РФ № RU 2252252), а также СК других зародышевых листков.

Необходимо отличать как взрослые ГСК CD34⁺CD45⁺HLA-DR^—CD38^—Gp130^— от гемопоэтических клеток-предшественников, имеющих несколько другие маркеры клеточной поверхности: CD34⁺, CD45^—HLA-DR⁺, CD38⁺Gp130⁺, так и взрослые МССК с маркерами клеточной поверхности CD10⁺, CD13⁺, CD44⁺, CD90⁺ (Thy-1), CD105⁺, CD34^—, CD45^— и CD117^— от мезенхимальных стромальных прогениторных клеток (МСПК) CD10⁺, CD13⁺, CD44^—, CD90⁺ (Thy-1), CD105⁺, CD34⁺, CD45⁺ и CD117⁺. Помимо отличия в маркерах клеточной поверхности, ГСК и МССК отличаются от ГКП и МСПК своими фундаментальными свойствами и функциями. Только взрослые СК способны при делении давать 2 СК или СК и прогениторные клетки-предшественники (ПКП), а ПКП способна поделиться только на 2 ПК, которые неспособны в обычных условиях производить СК. Функциональная плюрипотентность свойственна только СК, а у ПК она значительно ниже, чем у СК. Для ПК характерны мультипотентность и склонность к дифференцировке.

Самым первым и самым эффективным опытом терапии с использованием СК, позволившим полностью излечить пациентов от рака крови еще в 60-х гг. прошлого века, был опыт применения при ТКМ в случаях гемобластозов препарата ГСК и ГКП, т.е. клеток, являющихся предшественниками кроветворения. Путем трансплантации ГСК, полученных из костного мозга донора, удалось заместить все клетки кроветворения (гемопоэза) реципиента и полностью вылечить больного, страдающего острым миелолейкозом. Поэтому противоопухолевые свойства ГСК в онкогематологии являются золотым стандартом терапии ГСК и постоянным предметом изучения ученых уже более 70 лет. Более того, сегодня стало очевидно, что ГСК кроме формирования кроветворения имеют в организме важнейшую регуляторную и системообразующую функцию. В связи с этим считается, что применение биомедицинских клеточных продуктов (БМКП), изготовленных на основе ГСК, является наиболее перспективным направлением в современной медицине (Тупицын и др., 2014; Отчет DARPA за 2011). Уже более 100 тыс. пациентов по всему миру получили лицензированный американский клеточный продукт «Гемакорд», содержащий ГСК пуповинной крови.

Взрослые ГСК CD34⁺CD45⁺HLA-DR^—CD38^—Gp130^— обладают уникальной способностью направленного трансфера в зону повреждения тканей органа, мигрируя на градиент концентрации воспаления (патотропизм, или хоуминг СК) (Брюховецкий А. С., 2013). ГСК, попадая в головной и спинной мозг, являются мощным индуктором синапсогенеза в них или участвуют в формировании новых межклеточных контактов в тканях солидных органов (Брюховецкий А. С., 2010, 2013).

Известно, что при пересадке ГСК в различные органы (почки, мозг, печень и т.д.) не наблюдолась их прямой трансдифференцировки в специализированные клетки (кардиомиоциты, миоциты или клетки кожи) этих органов, а трансплантация клеток – предшественников гемопоэза в сердце не приводила к формированию нейронов или секреторных клеток кишечника. Дифференцировка in situ, как правило, контролировалась сигналами микроокружения. Хорошо известна потенциальная возможность трансдифференцировки ГСК в НСК in vitro под воздействием определенных пертурбогенов (ретиноевая кислота; Kuroda et al., 2010). Многолетние клинические наблюдения также подтвердили отсутствие аномалий дифференцировки СК в трансплантате. В то же время ГСК обладают функцией целенаправленной миграции к зонам повреждения (Брюховецкий А. С., 2003; Чехонин и др., 2005; Баклаушев и др., 2014) в головном мозге, как и НСК и МССК. В 2003 г. J. Praice в Англии запатентовал технологию (патент №2216336 от 20.11.2003) трансплантации ГСК для интрацеребрального введения при лечении поврежденного мозга, которая также рекомендована авторами для использования в терапии болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и болезни Крейцфельда – Якоба. Аналогичные свойства целенаправленной миграции к повреждению, хоуминга, патотропизма ГСК характерны и для других тканеспецифических СК и их предшественников, таких как МССК и НСК (Snyder et al., 1997).

В настоящее время доказано, что трансплантированные клетки лейкоконцентрата мобилизованных мононуклеаров формировали костно-мозговые кластеры ГСК и гемопоэтических прогениторных клеток (ГПК) в ткани поврежденного органа (Ono et al., 1999). В нашей работе было показано, что мультиклеточный кластер мобилизованных МНК, ГСК и ГКП человека после введения в организм (кровь, ликвор, ткань органа) крысы вел себя как системообразующий по отношению к входящим в него клеткам, и те очень организованно и скученно мигрировали преимущественно (78%) в пострадавший орган, а затем и в зону максимального повреждения этого органа и равномерно распределялись в этой зоне (Брюховецкий А. С., 2013). E. Snyder описал подобный эффект миграции НСК за 36 дней при введении их в нервную ткань мозга из правого (интактного) полушария в левое полушарие, где была смоделирована глиальная опухоль мозга мыши. В нашем исследовании повторение данного эксперимента было проведено на крысах с глиомой С6. Введение лейкоконцентрата мобилизованных мононуклеаров, содержащих ГСК и МССК человека, в правое полушарие мозга крысы с моделированной глиобластомой в левом полушарии приводило к миграции ГСК в опухоль в течение не более чем 14 дней. Этот феномен может быть ключевым не только в решении вопроса регенерации органов и тканей после повреждения, но и в разработке и создании клеточных препаратов на основе ГСК в нейроонкологии и при старении. Именно клеточный кластер трансплантированных кроветворных стволовых клеток имеет важнейшее значение для трансфера этих клеток к месту повреждения, а также целенаправленного распределения их в зоне повреждения патологического органа и адгезии СК к пострадавшим клеткам, оказания оптимального саногенетического, регуляторного и реставрационного воздействия СК и их предшественников на поврежденные клетки органа и ткани.

По-видимому, роль клеток микроокружения ГСК в восстановлении нарушенного гемопоэза является определяющей для уровня функциональной активности ГСК как в нише костного мозга, так и для ГСК, трансплантируемых в кровь или ткань, а также переливаемых в ликвор в составе кластера костно-мозговых клеток. В этой связи мы полагаем, что для того, чтобы получить требуемый функциональный (регуляторный, противоопухолевый, нейрореставрационный и т.д.) эффект ГСК в организме человека, целесообразно использовать их именно в составе лейкоконцентрата, содержащего весь спектр клеток микроокружения костно-мозговой ниши. Именно поэтому в клинике нервных болезней мы широко использовали именно этот подход введения ГСК с мононуклеарами их микроокружения в организм неврологического и нейроонкологического пациента при их интравентрикулярной или интратекальной трансфузии в ликвор. ГСК мы вводили обязательно в составе мононуклеарной фракции лейкоконцентрата мобилизованной периферической крови, т.к. эффекта от введения чистой культуры ГСК мы не отметили ни в эксперименте, ни в клинике (Брюховецкий А. С., 2010, 2011, 2013; Брюховецкий А. С. и др., 2014, 2016). Интересно, что изолированное введение клеток лейкоконцентрата мононуклеаров, освобожденных от ГСК (СD34⁺CD45⁺CD45^—), не обеспечивает требуемых нейрореставрационных эффектов в эксперименте у крыс (Брюховецкий А. С. и др., 2015), как и изолированное введение очищенных ГСК не дает нужных эффектов нейрорегенерации (Брюховецкий, Хотимченко, 2018). Поэтому старая английская пословица «Короля делает свита» как нельзя правильно характеризует взаимоотношения ГСК и клеток их нишевого микроокружения.

В результате протеомного картирования и профилирования белков ГСК человека в норме и при разных болезнях цивилизации нами были обнаружены глобальные протеомные нарушения белковой структуры ГСК при различных типах патологии и проявляющиеся в протеомных изменениях структуры ГСК и ее протеомного профиля маркеры белковой поверхности ГСК (Брюховецкий А. С., 2014; Bryukhovetskiy A.S., 2019). Причина этих изменений была выявлена экспериментально при изучении межклеточных взаимодействий ГСК с клетками различных опухолей и нейродегенеративными заболеваниями. Был установлен универсальный механизм процессов регуляции ГСК на уровне как клеточного цикла, так и аффекторных функций в патологических клетках. Оказалось, что ГСК посредством микровезикулярного транспорта осуществляет горизонтальный и вертикальный обмен белками с поврежденными клетками. ГСК выделяет экзосомы с регуляторными белками и микроРНК, которые, попадая в патологическую клетку, или реставрируют ее, или запускают в ней апоптоз (программную клеточную гибель). Однако в процессе межклеточной регуляции ГСК получают и патологические белки из поврежденных клеток (Брюховецкий А. С., 2014). Например, они накапливают опухолеспецифические белки (ОСБ) при взаимодействии с опухолевыми клетками (ОК) или тау-белки при взаимодействии с нервными клетками у больных с болезнью Паркинсона или болезнью Альцгеймера. Именно механизм межклеточного горизонтального и вертикального обмена белками и РНК между ГСК и ОК или нейродегенеративными клетками и есть ключ к запуску патологического системного процесса. В общем виде этот процесс выглядит следующим образом. В результате молекулярного механизма межклеточного протеомного обмена между патологическими клетками и ГСК накапливается критический объем патологических белков, который приводит к накоплению ДСМ. Если это ОСБ, то судьба ГСК может стать следующей: При количестве белков от 30 до 60% протеомной структуры ГСК формируются раковые СК (РСК), и в зависимости от специфики протеомной структуры ОСБ в ГСК пациента разовьется определенный вид гемобластоза (лимфолейкоз, миелоидный лейкоз, лимфома и т.д.). Скорость и количество накопленных в ГСК ОСБ задаюют время формирования процесса и определяют его как острый или хронический.

При количестве ОСБ менее 30% происходит иммунизация ГСК, и их потомки в виде всех иммунокомпетентных клеток (ИКК) врожденного (НК-клеток, НКТ-клеток, гамма-дельта Т-клеток) и приобретенного (дендритных клеток, цитотоксических лимфоцитов, макрофагов и т.д.) противоопухолевого иммунитета иммунной системы человека становятся толерантны к ОК, содержащим подобные ОСБ, что приводит к постоянному уклонению ОК от иммунного надзора и контроля ИКК крови и к беспрепятственному развитию опухоли.

В случае если ГСК накапливает до 30% патоспецифических белков от других патологичных высокодифференцированных клеток (бета-клеток поджелудочной железы, нейронов различной локализации или клеток соединительной ткани), формируются стойкие аутоиммунные внутритканевые процессы, в которых задействованы эти клетки. В случае накопления в ГСК большего количества патоспецифических белков эти клетки инициируют дегенеративный и атрофический процесс в этих специализированных клетках и манифестируют нейродегенеративными, эндокринными или системными заболеваниями соединительной ткани и т. д.

Если количество патологических белков менее 10—15% от общего количества картированных белков, то это свидетельствует в пользу обычного старения ГСК и наличия в них не только протеомных, но транскриптомных и эпигеномных нарушений.

В результате наших собственных исследований был установлен уникальный научный факт, что геномное и постгеномное повреждение ГСК – это и есть то информационное первичное «системообразующее начало», «ключ к запуску» и «основной двигатель» развития патологии при всех аутоиммунных, онкологических, эндокринологических и нейродегенеративных процессах в организме человека, а также фундаментальная причина включения, непрерывного динамического поддержания и летального завершения программы старости у человека и млекопитающих. Именно возникновение в соматических клетках и тканеспецифических стволовых клетках организма человека и млекопитающих под воздействием различных этиологических факторов (травма, ишемия, гипоксия, кровоизлияние, электромагнитное облучение, интоксикация и т.д.) различных патологических и патофизиологических процессов (оксидативного стресса, митохондриальной дисфункции, ослабленного поглощения глутамата, освобождения воспалительных медиаторов, возникновения в протеоме патологических белков и белковых агрегатов, возникновения мутаций, эксайтотоксичности глутамата и т.д.) и является причиной накопления в специализированных клетках-мишенях патоспецифических белков (теория накопления), которые блокируют их клеточный цикл (КЦ) на определенной стадии или осуществляют арест КЦ соматической клетки или СК.