Кроветворные стволовые клетки - Hematopoietic stem cell

Гематопоэтические стволовые клетки
Hematopoiesis simple.svg
Обзор нормального кроветворения человека
Подробности
Предшественник Гемангиобласт
Система Кроветворная система
Место нахождения Костный мозг
Функция Стволовые клетки , дающие начало другим клеткам крови
Идентификаторы
латинский Cellula haematopoietica praecursoria
Акроним (ы) HSC
MeSH D006412
TH H2.00.01.0.00006
Анатомические термины микроанатомии

Гемопоэтические стволовые клетки ( HSC ) - это стволовые клетки, которые дают начало другим клеткам крови . Этот процесс называется кроветворением . У позвоночных самые первые дефинитивные HSCs возникают из вентральной эндотелиальной стенки эмбриональной аорты в (среднегестационной) области аорта-гонад-мезонефрос посредством процесса, известного как эндотелиально-гематопоэтический переход. У взрослых кроветворение происходит в красном костном мозге , в сердцевине большинства костей. Красный костный мозг происходит из слоя эмбриона, называемого мезодермой .

Гематопоэз - это процесс, при котором производятся все зрелые клетки крови. Он должен уравновесить огромные производственные потребности (средний человек производит более 500 миллиардов клеток крови каждый день) с необходимостью регулировать количество клеток крови каждого типа в кровообращении. У позвоночных подавляющее большинство кроветворения происходит в костном мозге и происходит из ограниченного числа гемопоэтических стволовых клеток, которые являются мультипотентными и способны к обширному самообновлению.

Гемопоэтические стволовые клетки дают начало различным типам клеток крови, которые называются миелоидными и лимфоидными . И миелоидные, и лимфоидные клоны участвуют в образовании дендритных клеток. Миелоидные клетки включают моноциты , макрофаги , нейтрофилы , базофилы , эозинофилы , эритроциты и мегакариоциты для тромбоцитов . Лимфоидные клетки включают Т-клетки , В-клетки , естественные клетки-киллеры и врожденные лимфоидные клетки . Определение гемопоэтических стволовых клеток разработано с тех пор, как HSC были впервые обнаружены в 1961 году. Гематопоэтическая ткань содержит клетки с долгосрочными и краткосрочными способностями к регенерации и коммитированные мультипотентные , олигопотентные и унипотентные клетки-предшественники. Гемопоэтические стволовые клетки составляют 1: 10 000 клеток миелоидной ткани .

Трансплантаты HSC используются при лечении рака и других нарушений иммунной системы.

Состав

Они круглые, неприлипающие, с округлым ядром и низким соотношением цитоплазмы к ядру. По форме кроветворные стволовые клетки напоминают лимфоциты .

Место нахождения

Самые первые гемопоэтические стволовые клетки во время эмбрионального развития (мыши и человека) обнаруживаются в области аорта, гонад и мезонефроса, а также в желточных и пупочных артериях. Чуть позже HSC также обнаруживаются в плаценте, желточном мешке, головке эмбриона и печени плода.

Гемопоэтические стволовые клетки обнаруживаются в костном мозге взрослых, особенно в тазу , бедренной кости и грудины . Они также обнаруживаются в пуповинной крови и, в небольшом количестве, в периферической крови .

Стволовые клетки и клетки-предшественники могут быть взяты из таза на гребне подвздошной кости с помощью иглы и шприца. Клетки могут быть удалены в виде жидкости (для мазка, чтобы посмотреть на морфологию клеток) или они могут быть удалены с помощью центральной биопсии (для поддержания архитектуры или взаимосвязи клеток друг с другом и с костью).

Подтипы

Колониеобразующая единица - это подтип HSC. (Этот смысл термина отличается от колониеобразующих единиц микробов, который является единицей подсчета клеток .) Существуют различные виды колониеобразующих единиц HSC:

Вышеуказанные КОЕ основаны на происхождении. Другая КОЕ, колониеобразующая единица - селезенка (КОЕ-С), была основой образования клональных колоний in vivo , которое зависит от способности инфузированных клеток костного мозга давать начало клонам созревающих гемопоэтических клеток в селезенках облученных мышей через 8-12 дней. Он широко использовался в ранних исследованиях, но теперь считается, что он используется для измерения более зрелых клеток-предшественников или транзитно-амплифицирующих клеток, а не стволовых клеток.

Выделение стволовых клеток

Поскольку гемопоэтические стволовые клетки нельзя выделить как чистую популяцию, их невозможно идентифицировать под микроскопом. Гемопоэтические стволовые клетки могут быть идентифицированы или выделены с помощью проточной цитометрии, когда комбинация нескольких различных маркеров клеточной поверхности (особенно CD34 ) используется для отделения редких гемопоэтических стволовых клеток от окружающих клеток крови. Гематопоэтические стволовые клетки не экспрессируют маркеры зрелых клеток крови и поэтому называются Lin-. Отсутствие экспрессии маркеров клонов используется в сочетании с обнаружением нескольких положительных маркеров клеточной поверхности для выделения гемопоэтических стволовых клеток. Кроме того, гемопоэтические стволовые клетки характеризуются своим маленьким размером и низким уровнем окрашивания жизненно важными красителями, такими как родамин 123 (родамин lo ) или Hoechst 33342 (побочная популяция).

Функция

Схема клеток, которые возникают из гемопоэтических стволовых клеток в процессе кроветворения .

Кроветворение

Гематопоэтические стволовые клетки необходимы для кроветворения, образования клеток в крови. Гемопоэтические стволовые клетки могут восполнять все типы клеток крови (т. Е. Мультипотентны ) и самообновляться. Небольшое количество гемопоэтических стволовых клеток может увеличиваться с образованием очень большого количества дочерних гемопоэтических стволовых клеток. Этот феномен используется при трансплантации костного мозга , когда небольшое количество гемопоэтических стволовых клеток восстанавливает кроветворную систему. Этот процесс указывает на то, что после трансплантации костного мозга должно произойти симметричное деление клеток на две дочерние гемопоэтические стволовые клетки.

Считается, что самообновление стволовых клеток происходит в нише стволовых клеток в костном мозге, и разумно предположить, что ключевые сигналы, присутствующие в этой нише, будут важны для самообновления. Большой интерес вызывают экологические и молекулярные требования для самообновления HSC, поскольку понимание способности HSC к самовосстановлению в конечном итоге позволит генерировать расширенные популяции HSC in vitro, которые можно использовать в терапевтических целях.

Покой

Гемопоэтические стволовые клетки, как и все взрослые стволовые клетки , в основном существуют в состоянии покоя или обратимой остановки роста. Измененный метаболизм покоящихся HCS помогает клеткам выживать в течение продолжительных периодов времени в гипоксической среде костного мозга. Спровоцированные гибелью или повреждением клеток, гемопоэтические стволовые клетки выходят из состояния покоя и снова начинают активно делиться. Переход от состояния покоя к распространению и обратно регулируется MEK / ERK пути и PI3K / AKT / MTOR затрагивающего пути . Нарушение регуляции этих переходов может привести к истощению стволовых клеток или постепенной потере активных гемопоэтических стволовых клеток в системе крови.

Мобильность

Гемопоэтические стволовые клетки обладают более высоким потенциалом, чем другие незрелые клетки крови, по прохождению барьера костного мозга и, таким образом, могут перемещаться с кровью из костного мозга в одной кости в другую кость. Если они оседают в тимусе , они могут развиться в Т-клетки . В случае плода и другого экстрамедуллярного кроветворения . Гематопоэтические стволовые клетки также могут оседать и развиваться в печени или селезенке .

Это позволяет собирать гемопоэтические стволовые клетки непосредственно из крови.

Повреждение ДНК при старении

Разрывы цепи ДНК накапливаются в долгоживущих гемопоэтических стволовых клетках во время старения. Это накопление связано с широким ослаблением путей репарации ДНК и ответа, которое зависит от покоя HSC. Негомологичное соединение концов (NHEJ) - это путь, который восстанавливает двухцепочечные разрывы в ДНК. NHEJ называют «негомологичным», потому что концы разрыва непосредственно лигируются без необходимости в гомологичной матрице. Путь NHEJ зависит от нескольких белков, включая лигазу 4 , ДНК-полимеразу mu и фактор 1 NHEJ (NHEJ1, также известный как Cernunnos или XLF).

ДНК-лигаза 4 (Lig4) играет высокоспецифичную роль в репарации двухцепочечных разрывов с помощью NHEJ. Дефицит Lig4 у мышей вызывает прогрессирующую потерю гемопоэтических стволовых клеток во время старения. Дефицит lig4 в плюрипотентных стволовых клетках приводит к накоплению двухцепочечных разрывов ДНК и усилению апоптоза.

У мышей, мутантных по полимеразе mu, развитие гемопоэтических клеток является дефектным в нескольких популяциях периферических клеток и клеток костного мозга, при этом количество клеток костного мозга уменьшается примерно на 40%, что включает несколько гематопоэтических клонов. Также снижается потенциал роста кроветворных клеток-предшественников. Эти характеристики коррелируют со сниженной способностью восстанавливать двухцепочечные разрывы в кроветворной ткани.

Дефицит фактора 1 NHEJ у мышей приводит к преждевременному старению гемопоэтических стволовых клеток, на что указывают несколько линий доказательств, включая доказательства того, что длительная репопуляция является дефектной и со временем ухудшается. Используя индуцированную человеком модель дефицита NHEJ1 плюрипотентными стволовыми клетками, было показано, что NHEJ1 играет важную роль в обеспечении выживания примитивных гематопоэтических предшественников. Эти клетки с дефицитом NHEJ1 обладают слабой способностью к репарации, опосредованной NHEJ1, которая, по-видимому, неспособна справляться с повреждениями ДНК, вызванными физиологическим стрессом, нормальным метаболизмом и ионизирующим излучением.

Чувствительность гемопоэтических стволовых клеток к дефициту Lig4, ДНК-полимеразы mu и NHEJ1 позволяет предположить, что NHEJ является ключевым фактором, определяющим способность стволовых клеток противостоять физиологическому стрессу с течением времени. Росси и др. обнаружили, что эндогенные повреждения ДНК накапливаются с возрастом даже в гемопоэтических стволовых клетках дикого типа, и предположили, что накопление повреждений ДНК может быть важным физиологическим механизмом старения стволовых клеток.

Клиническое значение

Пересадка

Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток (ТГСК) - это трансплантация мультипотентных гемопоэтических стволовых клеток , обычно полученных из костного мозга, периферической крови или пуповинной крови. Он может быть аутологичным (используются собственные стволовые клетки пациента), аллогенным (стволовые клетки поступают от донора) или сингенным (от однояйцевого близнеца).

Это наиболее часто выполняется для пациентов с определенными рака в крови или костного мозга , таких как множественная миелома или лейкоз . В этих случаях иммунная система реципиента обычно разрушается радиацией или химиотерапией перед трансплантацией. Инфекция и реакция «трансплантат против хозяина» являются основными осложнениями аллогенного ТГСК.

Чтобы получить стволовые клетки из циркулирующей периферической крови, донорам крови вводят цитокин , такой как фактор, стимулирующий колонии гранулоцитов (G-CSF), который побуждает клетки покидать костный мозг и циркулировать в кровеносных сосудах. В эмбриологии млекопитающих первые дефинитивные гемопоэтические стволовые клетки обнаруживаются в AGM ( аорта-гонад-мезонефрос ), а затем массово размножаются в печени плода до колонизации костного мозга до рождения.

Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток остается опасной процедурой со многими возможными осложнениями; он предназначен для пациентов с опасными для жизни заболеваниями. Поскольку выживаемость после процедуры увеличилась, его использование расширилось за пределы рака до аутоиммунных заболеваний и наследственных дисплазий скелета ; особенно злокачественный детский остеопетроз и мукополисахаридоз .

Исследовать

Поведение в культуре

Анализ клеток, образующих площадь из булыжника (CAFC) , представляет собой эмпирический анализ, основанный на культуре клеток. При посеве на конфлюэнтную культуру стромального питающего слоя часть гемопоэтических стволовых клеток ползет между промежутками (даже если стромальные клетки соприкасаются друг с другом) и в конечном итоге оседает между стромальными клетками и субстратом (здесь поверхность чашки) или застревает в ловушке. в клеточных отростках между стромальными клетками. Эмпериполез - это явление in vivo, при котором одна клетка полностью поглощается другой (например, тимоциты попадают в питательные клетки тимуса ); с другой стороны, когда in vitro клетки лимфоидного происхождения проникают под клетки , похожие на медсестер , этот процесс называется псевдоэмпериполезом . Это похожее явление более широко известно в области HSC по терминологии клеточных культур: клетки, образующие области из булыжника (CAFC) , что означает, что области или кластеры клеток выглядят тусклыми, как булыжник, при фазово-контрастной микроскопии по сравнению с другими гемопоэтическими стволовыми клетками. , преломляющие. Это происходит потому, что клетки, свободно плавающие поверх стромальных клеток, имеют сферическую форму и, следовательно, преломляют. Однако клетки, которые проникают под стромальные клетки, уплощены и, следовательно, не преломлены. Механизм псевдоэмпериполеза стал известен совсем недавно. Это может быть опосредовано взаимодействием через рецептор CXCR4 (CD184) для хемокинов CXC (например, SDF1 ) и интегринов α4β1 .

Кинетика репопуляции

Гематопоэтические стволовые клетки (HSC) нелегко наблюдать напрямую, и поэтому об их поведении необходимо делать косвенный вывод. Клональные исследования, вероятно, являются наиболее близким методом для исследований HSC in vivo на отдельных клетках. Здесь используются сложные экспериментальные и статистические методы, чтобы убедиться, что с высокой вероятностью один HSC содержится в трансплантате, введенном смертельно облученному хозяину. Затем можно наблюдать клональную экспансию этой стволовой клетки с течением времени, отслеживая процент клеток донорского типа в крови по мере восстановления хозяина. Результирующий временной ряд определяется как кинетика репопуляции HSC.

Кинетика восстановления очень неоднородна. Однако, используя символическую динамику , можно показать, что они попадают в ограниченное число классов. Чтобы доказать это, несколько сотен экспериментальных кинетик репопуляции из клональных Thy-1 lo SCA-1 + lin - c-kit + HSC были переведены в символические последовательности путем присвоения символов «+», «-», «~» при двух последовательных измерениях. от процента клеток донорского типа имеют положительный, отрицательный или неизменный наклон соответственно. Используя расстояние Хэмминга , образцы репопуляции были подвергнуты кластерному анализу, в результате чего было получено 16 различных групп кинетики. Чтобы завершить эмпирическое доказательство, был использован подход Лапласа с добавлением единицы, чтобы определить, что вероятность обнаружения кинетики, не содержащейся в этих 16 группах, очень мала. Как следствие, этот результат показывает, что компартмент гемопоэтических стволовых клеток также неоднороден по динамическим критериям.

Первоначально считалось, что все гемопоэтические стволовые клетки одинаковы по своей способности к самообновлению и дифференцировке. Эта точка зрения была впервые оспорена открытием 2002 года группой Мюллера-Зибурга из Сан-Диего, которая проиллюстрировала, что разные стволовые клетки могут демонстрировать различные паттерны репопуляции, которые являются эпигенетически предопределенными внутренними свойствами клонального Thy-1 lo Sca-1 + lin - c- комплект + HSC. Результаты этих клональных исследований привели к понятию систематической ошибки происхождения . Используя соотношение лимфоидных (L) и миелоидных (M) клеток в крови в качестве количественного маркера, компартмент стволовых клеток можно разделить на три категории HSC. Сбалансированные (Bala) гемопоэтические стволовые клетки повторно заселяют периферические белые кровяные тельца в том же соотношении миелоидных и лимфоидных клеток, как у мышей без манипуляций (в среднем около 15% миелоидных и 85% лимфоидных клеток, или 3 ≤ ρ ≤ 10). Гематопоэтические стволовые клетки с миелоидным смещением (My-bi) образуют очень мало лимфоцитов, что приводит к соотношению 0 <ρ <3, в то время как смещенные лимфоидом (Ly-bi) гемопоэтические стволовые клетки генерируют очень мало миелоидных клеток, что приводит к образованию лимфоидных стволовых клеток. -миелоидные отношения ρ> 10. Все три типа являются нормальными типами HSC и не представляют стадии дифференцировки. Скорее, это три класса HSC, каждый с эпигенетически фиксированной программой дифференциации. Эти исследования также показали, что смещение клонов не регулируется стохастически и не зависит от различий во влиянии окружающей среды. My-bi HSC самообновляются дольше, чем сбалансированные или Ly-bi HSC. Миелоидное смещение является результатом снижения чувствительности к лимфопоэтину интерлейкину 7 (ИЛ-7).

Впоследствии другие группы подтвердили и подчеркнули первоначальные результаты. Напр., Группа Eaves подтвердила в 2007 году, что кинетика репопуляции, долговременная способность к самообновлению, а также My-bi и Ly-bi являются стабильно унаследованными внутренними свойствами HSC. В 2010 году группа Goodell предоставила дополнительную информацию о молекулярной основе смещения клонов в боковой популяции (SP) SCA-1 + lin - c-kit + HSC. Как ранее было показано для передачи сигналов IL-7, было обнаружено, что член семейства трансформирующих факторов роста (TGF-бета) индуцирует и ингибирует пролиферацию HSC My-bi и Ly-bi, соответственно.

Этимология

От греческого haimato- , соединяющего форму haima "кровь", и от латинизированной формы греческого poietikos "способный творить, созидать , производить", от poiein "творить, творить".

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки