Я или не я

Стволовая клетка — что это такое?

Кровь человека и всех других млекопитающих представляет собой раствор белков, в котором плавают клетки трех главных групп — эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Первые — красного цвета (в переводе на русский язык "эритроцит" и означает "красная клетка") — переносят кислород. Лейкоцит — "белая клетка" — захватывает и разрушает проникшие в кровь чужеродные частицы, в том числе и микробы. Тромбоцит — клетка тромба, кровяного сгустка, возникающего при порезе или ссадине, благодаря ему кровь в ране свертывается, кровотечение прекращается. Все эти клетки вырабатываются в костном мозге. Они возникают за счет размножения клеток-предшественников, как бы из "семян". Из одного такого семечка рождаются тысячи эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов.

Сколько же таких предшественников-семян? И свои ли семена у каждого сорта клеток, как казалось многим? Или для всех клеток существует единый общий предшественник, как утверждал в начале столетия русский гистолог Александр Александрович Максимов? На эти вопросы не было ответа до 1961 года, пока канадские исследователи Тилл и Джеффри Мак Кулах не разработали методику, с помощью которой можно стало считать эти "семена" и видеть, из какого именно и какие клетки развиваются, или, выражаясь точно, по какому пути идет дифференцировка — эритроидному (развитие эритроцитов), миелоидному (развитие лейкоцитов) или мегакариоцитарному (развитие тромбоцитов).

Чтобы подсчитать количество "семян" и увидеть, что из них возникает, клетки костного мозга надо ввести в вену мыши, получившей смертельную дозу облучения. В ее селезенке вырастают видимые невооруженным глазом колонии кровяных клеток. Сколько "семян" — столько колоний. Примерно 60 процентов колоний эритроидные, 30 — миелоидные и 5 — мегакариоцитарные. Остальные 5 процентов трудноразличимы. И вот что замечательно: можно взять, к примеру, эритроидную колонию, то есть "семена", из которых вырастают эритроциты, ввести в вену другой облученной мыши, и вновь вырастут все три типа колоний и в той же пропорции — по формуле 60:30:5. А это значит, что из одного предшественника может вырасти любой тип клеток крови. Прав Максимов: для всех типов клеток крови существует единая исходная клетка. Ее единодушно стали называть кроветворной стволовой клеткой. Все ветви кроветворения идут из этого ствола. Все из нее.

Но кто ей подсказывает, во что превращаться, по какому пути развития пойти? Всегда ли по формуле 60:30:5 или в зависимости от нужд организма по какой-то другой? Кто определяет судьбу стволовой клетки? И если определение будет неправильным, не разовьется ли малокровие или белокровие (рак крови?).

Стволовая клетка — что это такое?

Лимфоцит против стволовой клетки

В 1966 году аспирант лаборатории иммунологии Института биофизики Министерства здравоохранения СССР Лия Сеславина провела эксперименты, позволившие увидеть итоги взаимодействия стволовых клеток с лимфоцитами. До этих экспериментов никому не понадобилось сталкивать главную фигуру иммунной системы — лимфоцит с главной фигурой кроветворной системы -стволовой клеткой. Бума исследований клеточных взаимодействий тогда еще не было. Он начался после 1968 года, когда было доказано, что Б-лимфоциты не могут начать свою работу по "выпуску" антител, не "поговорив" с Т-лимфоцитами. Т-Б-взаимодействие стало одной из самых многолюдных областей исследований. Исследователи так увлеклись изучением взаимодействия двух типов лимфоцитов, что не думали о возможности взаимодействия лимфоцитов с кроветворными стволовыми клетками.

Наши первые опыты заключались в том, что мы смешали в пробирке по одному миллиону селезеночных клеток мышей двух пород. Селезенка — своеобразный орган, и лимфоидный и кроветворный одновременно, там есть и лимфоциты, и стволовые клетки. Среди клеток селезенки в одной из смешиваемых популяций было 20 стволовых клеток, в другой — 15. В смеси должно было быть 35, но нам удалось выявить только 12. Куда делись остальные? Кто их в этой двухмиллионной клеточной сутолоке разыскал? А разыскав, что сделал: убил или изменил их жизненный путь, приказав не размножаться и не образовывать кроветворные колонии по формуле 60:30:5?

Предположив, что это дело "рук" лимфоцитов, мы сразу же поставили новую серию экспериментов. Сделали так, чтобы в одной смеси клеток были только лимфоциты, а в другой — стволовые клетки с минимальным количеством лимфоцитов. Для этого мы смешали клетки лимфатических узлов, среди которых нет стволовых (100 процентов лимфоцитов), с костномозговыми клетками другого генотипа, то есть взятыми у животного другой линии. Все стволовые клетки костного мозга были обнаружены лимфоцитами и инактивированы — уничтожены. Все до одной!

Эффект оказался чрезвычайно сильным. Чтобы среди миллиона костномозговых клеток обнаружить и выбить стволовые элементы, достаточно взять в десять раз меньше лимфоцитов. Мишени обнаруживаются удивительно быстро. Сотрудник лаборатории Владимир Манько ввел мышам, получившим смесь лимфоцитов с чужеродными кроветворными клетками, антилимфоцитарную сыворотку (АЛС — этот препарат разрушает все лимфоциты) сразу же после введения смеси, стволовые клетки остались живы и обеспечили образование колоний в селезенке. Но если АЛС вводились через час после инъекции клеточной смеси, было уже поздно: что-то главное за этот час лимфоциты успевали сделать. Стволовые клетки не размножались, колонии из них не вырастали.

В 1969 году Рахим Хаитов поставил другой вопрос: что будет, если смешать костный мозг от двух разных доноров? Ведь в костном мозге есть лимфоциты. Пусть намного меньше, чем в селезенке или в лимфатических узлах, но есть. Не перебьют ли друг друга стволовые клетки в обеих смешанных клеточных взвесях?

Впервые в нашей лаборатории зазвучал вопрос большого практического значения. Ведь при пересадке костного мозга для лечения некоторых форм анемий, лейкозов или лучевой болезни в клиниках обычно используют костный мозг, взятый от нескольких доноров. Если при такой трансплантации стволовые клетки в смеси взаимно уничтожаются, то она бессмысленна. Ведь пересадка костного мозга производится ради стволовых клеток, которые приживаются и размножаются, только они могут восстановить у больного нарушенное кроветворение.

Хаитов (серия его исследований удостоена премии Ленинского комсомола за 1973 год), использовав хромосомный анализ для точного выяснения, когда и чьи размножающиеся клетки инактивируются, ответил на вопрос однозначно: пересаживать костный мозг одновременно от двух и более доноров нельзя, произойдет взаимное уничтожение кроветворных стволовых клеток трансплантата.

Итак, инактивация чужеродных стволовых клеток лимфоцитами — проявление несовместимости тканей. В отличие от ранее известных типов несовместимости оно протекает чрезвычайно быстро (для отторжения чужой кожи, скажем, требуется 12-14 дней) и направлено против самой существенной части ткани — против клеток, вырабатывающих всю остальную ткань. Ее пересадили, она еще функционирует, но ее корни, стволовые клетки, уже подрублены. Обречена вся ткань.

Какие же генетические системы контролируют этот тип несовместимости? К эксперименту подключились и другие научные сотрудники — Эдуард Иванович Пантелеев, Иллария Петровна Дишкант.

Все известные ранее эффекты несовместимости тканей в первую очередь зависят от различий по так называемой главной генетической системе несовместимости тканей. У человека она носит название HL-A, у мышей — Н-2. За несколько лет наша группа провела сотни экспериментов. Были перебраны все возможные генетические сочетания лимфоцитов и стволовых клеток. В 1976 году на Международном конгрессе трансплантологов в Нью-Йорке мы смогли доложить: наш феномен не контролируется Н-2-системой совместимости, у него своя, вне Н-2, контролирующая генетическая система. Это окончательно убедило всех, что мы имеем дело с новым явлением.

Эта многолетняя генетическая одиссея вскрыла еще один немаловажный факт. Оказалось, лимфоциты уничтожают стволовые клетки от мутантных линий животных: распознают, находят и уничтожают стволовые клетки, которые отличаются от них по одному-единственному изменившемуся в результате мутации гену.

А это значит, что наш феномен имеет отношение к наиглавнейшей функции иммунной системы. К функции, которую называют иммунологическим надзором и благодаря которой ведется каждодневная защита от рака. В организме человека 10¹³ клеток. Частота мутаций для всевозможных клеток колеблется от 10^-6 до 10^-7. Следовательно, в каждый данный момент в нашем теле присутствует не менее миллиона мутантных (генетически изменившихся), в том числе и раковых, клеток. Кто-то их должен найти, распознать как изменников и уничтожить. Это делают лимфоциты.

Второй практически значимый вопрос родился также, как и первый, в 1969 году. Возникла интересная посылка: когда мы вводим в вену облученной мыши костномозговые стволовые клетки, в селезенке из них вырастают колонии. Если вместе с костным мозгом ввести лимфоциты, колонии не вырастут. В одном организме идут два процесса: стволовые клетки стремятся размножиться и дать колонии, а лимфоциты торопятся убить их, потому что те им чужды. Лимфоциты побеждают, колонии не образуются.

А что, если в эту систему ввести какое-нибудь вещество: ранее известное лекарство или вновь синтезированный препарат? Если это вещество не подействует ни на стволовые клетки, ни на лимфоциты, все произойдет, как и без него, колонии не вырастут. Если вещество убьет оба типа клеток, колонии тоже не вырастут. Если оно токсично для кроветворных клеток, опять-таки колонии не вырастут. И только в одном варианте, если испытываемое вещество избирательно убивает лимфоциты, не причиняя вреда кроветворению, исследователь увидит рост колоний.

Это рассуждение помогло найти быстрый и удобный метод для отбора иммунодепрессивных и лимфотропных препаратов. За обнаружение нового феномена несовместимости тканей и разработку метода отбора иммунодепрессивных и лимфотропных средств коллектив лаборатории в 1969 и 1973 годах был удостоен серебряной и 5 бронзовых медалей ВДНХ. Иммунодепрессивные препараты необходимы для подавления иммунитета при пересадке органов и при аутоиммунных заболеваниях, лимфотропные — для лечения опухолей лимфоидной системы: лимфом, лимфолейкозов и других. Мы сами исследовали дюжину препаратов. Теперь нашим методом пользуются многие институты.

Изменение формулы 60:30:5

В 1969 году произошло еще одно важное событие — XII Международный конгресс гематологии и переливания крови. На этом конгрессе профессор Д. Барнес от имени четырех известных английских цитологов сделал доклад: "Инактивация стволовых клеток в смешанных культурах селезеночных клеток, исследованная с помощью хромосомного маркера". Вот что он говорил: "Подводя итог, мы можем сказать, что мы подтвердили инактивацию колониеобразующих клеток в селезеночных клеточных смесях".

Явление, описанное сотрудниками нашей лаборатории, проверяли, а мы уже шли дальше. В тот же самый день, на том же конгрессе, в том же зале состоялся и наш доклад, в котором впервые сообщалось о другом эффекте взаимодействия лимфоцитов с кроветворными стволовыми клетками.

Все, о чем было рассказано выше, относится к взаимодействию лимфоцитов с генетически отличающимися, чужеродными, стволовыми клетками. А взаимодействуют ли они с сингенными — генетически тождественными, иначе говоря, со своими, которые живут в том же самом организме? Первый положительный ответ на этот вопрос получила наша группа в 1968 году. Да, взаимодействуют. Но не убивают, а изменяют направление дифференцировки. Вы помните, что из стволовых клеток вырастает примерно 60 процентов эритроидных, 30 — миелоидных и 5 — мегакариоцитарных колоний. Если же их столкнуть с лимфоцитами, которые в это время "возбуждены" генетически чужеродными клетками, ход дифференцировки меняется. Лимфоциты "приказывают" почти всем стволовым клеткам развиваться в миелоцитарном направлении. Формула 60:30:5 изменяется на 0:90:5. Это значит, что среди потомков, получивших "приказ" стволовых клеток, нет эритроцитов. Большинство потомков — лейкоциты.

Зачем лимфоциты это делают? Наверное, для того, чтобы эффективнее бороться с возбудившими их активность чужаками. Вы помните, что лейкоциты относятся к фагоцитирующим клеткам, клеткам — пожирателям чужеродных для организма пришельцев.

В 1970 году за рубежом появилась работа, подтвердившая этот факт: лимфоциты в определенных ситуациях изменяют направление дифференцировки костно-мозговых стволовых клеток. Японский исследователь Китамура и его сотрудники полностью воспроизвели нашу схему эксперимента. Направление дифференцировки стволовых клеток под влиянием сингенных лимфоцитов изменялось в сторону миелопоэза.

Обнаруженное явление, естественно, потянуло за собой цепь вопросов. На самый интересный из них ответила в 1975 году аспирант Наташа Алейникова. Вот этот вопрос: если лимфоциты приказывают стволовым клеткам дифференцироваться в сторону лейкоцитов, то что же будет при нехватке лимфоцитов в организме, при их дефиците?

Лимфоциты в основном производятся в центральном органе иммунитета — тимусе. Вызвать дефицит по основной массе лимфоцитов, по Т-лимфоцитам, можно, удалив тимус.

Прошла неделя, вторая, третья, четвертая. Мыши превратились в Т-дефицитных мышей. Посмотрели, на что способны стволовые клетки из их костного мозга. Они утратили способность давать хмиелоидные колонии. Наша формула стала выглядеть так: 90:5:3. Работало почти только эритроидное кроветворение, создавалось избыточное количество эритроцитов. Для миелоидного кроветворения действительно необходимо влияние лимфоцитов.

Настало время рассказать о том, что стволовые клетки обладают еще одной важной для равномерной работы всей кроветворной системы "особенностью". Они постоянно выходят, мигрируют, из костного мозга в кровь, чтобы поселиться в селезенке и в других местах костного мозга, если вдруг там их стало меньше. Темп этой миграции усиливается при проникновении в организм микробов или иных чужеродных агентов. Так вот, у Т-дефицитных мышей миграция почти полностью останавливается. Устранение Т-дефицита путем внутривенного введения лимфоцитов из лимфатических узлов мгновенно все нормализует. Стволовые клетки начинают нормально выходить из костного мозга в кровь, формула их развития тоже становится нормальной — 60:30:5.

Каков практический выход из этой части исследований, мы еще не знаем. Может быть, некоторые виды злокачественных заболеваний крови, например эритробластоз, когда избыточно размножаются красные кровяные клетки, есть следствие дефекта или заболевания Т-системы иммунитета? Может быть, некоторые вирусы нарушают способность лимфоцитов отдавать приказы стволовым клеткам или заставляют их отдавать неверные приказы, а в итоге возникает лейкоз? Ясно одно: взаимодействие лимфоцитов с кроветворными стволовыми клетками — один из механизмов регуляции кроветворения.

Изменение формулы 60:30:5

Я подробно рассказал о диктатуре лимфоцита с указанием дат и имен потому, что это явление зарегистрировано 1 декабря 1977 года как открытие в Государственном реестре открытий СССР за № 192 с приоритетом от 15 апреля 1967 года. В свидетельстве на открытие записано: "Установлено неизвестное ранее явление взаимодействия лимфоцитов с кроветворными стволовыми клетками, в результате которого чужеродные стволовые клетки инактивируются, а генетически тождественные изменяют направление своей дифференцировки. Авторы открытия — граждане Союза Советских Социалистических Республик Петров Рэм Викторович, Сеславина Лия Сергеевна".

Открытие в науке — событие не столь частое. Номер в реестре — это число зарегистрированных в нашей стране открытий начиная с 1947 года. Всех вообще открытий! Сделанных не только медиками, но и генетиками, физиками, химиками, механиками, всеми, кто изучает объективно существующие явления и закономерности природы. И вот общий итог — 192 открытия за 35 лет. Всего 5-6 открытий в год.