Кроветворные стволовые клетки: строение, функции, дифференцировка

Зрелые клетки крови имеют сравнительно небольшую продолжительность жизни, поэтому их популяция должна непрерывно обновляться за счет потомков стволовых клеток. Местом образования клеток крови служат кроветворные, или гемопоэтические (греч. haima — кровь +poiesis — творение), органы.

На самых ранних стадиях эмбриогенеза клетки крови развиваются из мезодермы желточного мешка. Спустя некоторое время роль временных кроветворных органов переходит к печени и селезенке, однако ко второму месяцу начинается окостенение ключицы, и в ее глубине начинает появляться костный мозг. По мере того, как ускоряется процесс пренатального окостенения остальных костей скелета, костный мозг становится всё более важным кроветворным органом.

После рождения и в детстве эритроциты, гранулоциты, моноциты и тромбоциты развиваются из стволовых клеток, расположенных в костном мозгу. Развитие и созревание этих клеток называется соответственно эритропоэз (греч. erythros — красный + poiesis), гранулоцитопоэз, моноцитопоэз и мегакариоцитопоэз. В костном мозгу образуются также клетки, которые мигрируют в лимфоидные органы, давая начало различным типам лимфоцитов.

Прежде чем клетки крови достигнут зрелости и попадут в кровоток, они проходят характерные для каждого типа клеток стадии дифференцировки и созревания. Поскольку эти процессы являются непрерывными, на мазках крови или костного мозга часто встречаются клетки, по своим характеристикам находящиеся на промежуточных стадиях развития.

Стволовые клетки представляют собой плюрипотентные клетки, способные к самоподдержанию (самообновлению). Некоторые из ихдочерних клеток дают специфические, необратимо дифференцированные клеточные типы, тогда как другие дочерние клетки остаются стволовыми клетками. В клеточном пуле сохраняется постоянное число плюрипотентных стволовых клеток, причем клетки, вовлеченные в дифференцировку, замещаются дочерними клетками из этого пула.

стволовые клетки крови

Кроветворные стволовые клетки выделяют с помощью меченных флюоресцентными красителями антител, которые маркируют специфические антигены клеточной поверхности, а также приборов для сортировки флюоресцентно-активированных клеток. Стволовые клетки исследуют также посредством экспериментальных методов, которые основаны на анализе кроветворения in vivo и in vitro.

Методы in vivo включают введение костного мозга нормальных мышей-доноров летально облученным мышам, у которых кроветворные клетки были разрушены. У таких животных клетки трансплантированного костного мозга образуют колонии кроветворных клеток в селезенке.

Методы in vitro основаны на использовании полутвердой тканевой культуральной среды со слоем клеток, полученных из стромы костного мозга (строма — это поддерживающая ткань). Такая среда создает благоприятные условия микроокружения для кроветворения. Данные нескольких экспериментов показывают, что в таких способствующих кроветворению условиях среды стимуляция факторами роста позволяет повлиять на развитие различных типов клеток крови.

Плюрипотентные стволовые клетки крови

Принято считать, что все клетки крови развиваются из единого типа стволовой клетки в костном мозгу. Так как эта клетка способна давать начало всем типам клеток крови, она известна как плюрипотентная стволовая клетка. Такие клетки пролиферируют и дают одну линию клеток, впоследствии превращающихся в лимфоциты (лимфоидные клетки), и другую линию клеток, которые дадут миелоидные клетки, развивающиеся в костном мозгу (гранулоциты, моноциты, эритроциты и мегакариоциты).

дифференциация стволовых клеток крови
Дифференциация стволовых клеток крови

На ранних стадиях своего развития лимфоидные клетки мигрируют из костного мозга в тимус, лимфатические узлы, селезенку и другие лимфоидные структуры, где они пролиферируют.

Родоначальные клетки и клетки-предшественники

Пролиферирующие стволовые клетки образуют дочерние клетки с более ограниченным потенциалом развития. Эти унипотентные или бипотентные родоначальные клетки дают клетки-предшественники (бласты) — в них впервые проявляются различные морфологические характеристики, указывающие на те типы зрелых клеток, в которые они в дальнейшем превратятся. Напротив, стволовые и родоначальные клетки неразличимы морфологически и напоминают большие лимфоциты. Стволовые клетки делятся со скоростью, достаточной для поддержания их сравнительно не большой популяции. Скорость клеточного деления нарастает у родоначальных клеток и клеток-предшественников, в результате чего образуются большие количества дифференцированных зрелых клеток (3 х 109 эритроцитов и 0,85 х 109 гранулоцитов/кг в сутки в костном мозгу человека).

Тогда как родоначальные клетки при делении дают и родоначальные клетки, и клетки-предшественники, клетки-предшественники образуют только зрелые клетки крови. Кроветворение, таким образом, является результатом одновременной и непрерывной пролиферации и дифференцировки клеток, происходящих из стволовых клеток, потенции которых к развитию снижаются по мере прогрессирования дифференцировки. Этот процесс можно наблюдать в исследованиях, выполненных как in vivo, так и in vitro, в ходе которых появляются колонии клеток, происходящие из стволовых клеток с различными потенциями развития. Колонии, полученные из миелоидной стволовой клетки, могут давать эритроциты, гранулоциты, моноциты и мегакариоциты, причем все эти клетки будут обнаруживаться в одной и той же колонии.

В таких экспериментах, однако, некоторые колонии дают только красные клетки крови (эритроциты). В других колониях образуются гранулоциты и моноциты. Клетки, образующие колонии, известны как колониеобразующие клетки (КОК), или колониеобразующие единицы (КОЕ). При наименовании различных клеточных колоний принято использовать начальную букву названия клетки, которую образует данная колония. Так, М-КОК означает колонию, образующую моноциты, Э-КОК дает эритроциты, МГ-КОК образует моноциты и гранулоциты, и так далее.

Кроветворение зависит от наличия благоприятных условий микроокружения и факторов роста. Условия микроокружения создаются клетками стромы кроветворных органов, которые вырабатывают соответствующее межклеточное вещество. Общий анализ процесса кроветворения показывает, что по мере его течения способность как к дифференцировке, так и к самообновлению начальных клеток постепенно снижается. Напротив, митотическая реакция на факторы роста постепенно нарастает, достигая максимума в середине этого процесса. Начиная с этой точки, последующая митотическая активность снижается, развиваются морфологические характеристики и функциональная активность, и образуются зрелые клетки.

дифференциация стволовых клеток крови
Дифференциация стволовых клеток крови

При наличии необходимых условий окружения развитие клеток крови зависит от факторов, которые влияют на клеточную пролиферацию и дифференцировку. Эти вещества известны как факторы роста, колониестимулирующие факторы (КСФ), или гемопоэтины (поэтины). Факторы роста, которые обладают различным химическим составом и сложными, частично перекрывающимися функциями, действуют преимущественно путем стимуляции пролиферации (митогенная активность) незрелых клеток (в основном родоначальных и клеток-предшественников), поддержки дифференцировки созревающих клеток и усиления функций зрелых клеток.

Три описанных выше функции могут присутствовать у одного и того же фактора роста, однако их экспрессия может различаться уровнем интенсивности у различных факторов роста. Выделение и клонирование генов некоторых факторов роста дает возможность массового получения этих факторов роста и исследования их эффектов in vivo и in vitro.

Факторы роста используют в клинических условиях для повышения содержания клеток в костном мозгу и в крови. Применение факторов роста с целью стимуляции пролиферации лейкоцитов открывает широкие возможности для использования в клинической терапии.

Потенциальные области терапевтического применения факторов роста включают увеличение содержания клеток крови при заболеваниях или индуцированных состояниях (например, при химиотерапии, облучении), которые приводят к снижению содержания форменных элементов в крови; повышение эффективности костномозговых трансплантатов за счет усиления клеточной пролиферации; стимуляцию защитных механизмов у пациентов со злокачественными новообразованиями, инфекционными заболеваниями и иммунодефицитны-ми состояниями и повышение эффективности лечения паразитарных заболеваний. Болезни кроветворения обычно вызваны подавлением или стимуляцией образования некоторых недифференцированных клеток, с последующим снижением содержания или избыточной выработкой кроветворных клеток.

При некоторых заболеваниях, однако, могут последовательно или одновременно происходить подавление и стимуляция пролиферации более одного типа стволовых клеток. В таких случаях имеется сниженное содержание клеток некоторых типов (например, при апластической анемии — заболевании, характеризующемся сниженной выработкой кроветворных клеток) или повышенное содержание других клеток (например, при лейкозе, когда происходит ненормальная пролиферация лейкоцитов). Начальные эксперименты по пересадке нормального костного мозга облученным мышам создали основу для трансплантации костного мозга, которая сейчас часто используется для лечения некоторых нарушений пролиферации кроветворных клеток.

- Читать "Строение красного костного мозга. Гистология, функции"

Оглавление темы "Клетки крови":
  1. Норма эозинофилов. Строение, функции
  2. Норма базофилов. Строение, функции
  3. Норма лимфоцитов. Строение, функции
  4. Норма моноцитов. Строение, функции
  5. Норма тромбоцитов. Строение, функции
  6. Кроветворные стволовые клетки: строение, функции, дифференцировка
  7. Строение красного костного мозга. Гистология, функции
  8. Эритропоэз. Дифференцировка эритроцитов
  9. Гранулопоэз. Дифференцировка гранулоцитов
  10. Скорость образования нейтрофилов. Нейтрофилия

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: