Хронические болезни легких (CLD), включая chronic obstructive pulmonary disease (COPD), астму, рак легких или легочную гипертензию, являются второй ведущей причиной гибели во всем мире и составляют глобальную проблему для здоровья. Разработаны лишь единичные казуальные терапии для CLD, так что легочные трансплантации остаются единственным доступным терапевтическим средством с потенциалом долговременного выживания для большинства пациентов конечных стадий CLD. CLD развиваются на стыке между генетической чувствительностью и средовыми аспектами, инициируются и сохраняются за счет болезнью обусловленных легочных повреждений и недостаточности репаративных механизмов и в конечном итоге ведут к нарушениям легочной архитектуры, несовместимой с нормальной респираторной функцией.

В этих условиях контролируемое постоянное обновление резидентных клеток, которые теряются при CLD, для поддержания деликатной легочной архитектуры будет очень соблазнительной альтернативой. Следовательно, выбор возможной терапии, базирующейся на стволовых клетках, и приводящей к репарации и регенерации легких ведет нас к уникальному поиску резидентных и не резидентных легочных стволовых клеток, возникающих из разных источников, включая эмбрион, плод и костный мозг, но также из самих легких взрослых (Weiss et al, 2011). Вплоть до сегодня резидентные клетки легочных предшественников были четко идентифицированы в легких мышей и были в основном ограничены клоном эпителиальных клеток: эпителиальные клетки предшественники внутри дистальных зачатков (buds) были идентифицированы во время морфогенеза ветвления. Clara клетки, бронхиальные базальные клетки и альвеолярные эпителиальные типа II клетки были описаны в качестве постнатальных клеток предшественников. Позднее была описана популяция бронхоальвеолярных клеток соединений канальцев, ко-экспрессирующих Clara и альвеолярные эпителиальные клеточные маркерные белки и названная 'bronchoalveolar stem cells' (BASCs), обнаруживающая oligopotency. В целом, однако, клональная специфичность этих предполагаемых клеточных популяций и регуляция этого остаются неуловимыми (Rawlins, 2008).

От 12 мая, 2011 в номере New England Journal of Medicine, Piero Anversa с коллегами представили первые доказательства существования мультипотентных резидентных легочных стволовых клеток во взрослых легких человека, которые были способны индуцировать репарацию легких после повреждения (Kajstura et al, 2011). Авт. идентифицировали определенную клеточную популяцию во взрослом легком человека, которая обладала несколькими важными характеристиками стволовых клеток, таких как способность к самообновлению, клоногенность и мультипотентность. Исследователи изолировали предполагаемую популяцию стволовых клеток из легких нормального взрослого человека, экспрессирующую маркер клеточной поверхности c-kit. Тщательный анализ с помощью проточной цитометрии продемонстрировал, что эти клетки лишены экспрессии разных гематопоэтических, эпителиальных, эндотелиальных или мезенхимных клональных маркеров, что указывает на их 'stem-ness'. Важно, что эти характеристики остаются стабильными после клональной экспансии изолированной клеточной фракции.

Для дальнейшего подтверждения их поведения как стволовых клеток in vivo, легочные стволовые клетки человека (клональные или не клональные) локально инъецировали в поврежденные легкие мышей. Авт. удалось продемонстрировать, что некоторые клетки остаются внутри легких и сохраняют свой фенотип стволовых клеток. Эти клетки были собраны и имплантированы вновь во второе поврежденное легкое, для подтверждения их способности к самообновлению.

Oh, the Places you'll go. Наиболее интригующей находкой, которую описали авт., в этом in vivo системе, это то, что легочные стволовые клетки взрослого человека заново формируют структуры воздушных путей, а также сосудистую сеть, продемонстрировав тем самым множественный клональный потенциал, которым обладают эти стволовые клетки. Далее, стволовые клетки легкого человека оказались способны давать множественные клоны и дифференцироваться в альвеолы, бронхиолы, а также сосуды, после аппликации к тяжело поврежденным с помощью замораживания легким, тем самым восстанавливать поврежденную легочную ткань in vivo. Было подчеркнуто, что человеческая клеточная популяция подвергается экспансии ex vivo перед имплантацией c-kit-позитивных клонов в поврежденные легкие мышей; однако сходные результаты были описаны и для не клонируемых клеток.

Затем авт. исследовали ниши, в которых находятся легочные стволовые клетки. Интересно, что эти c-kit-позитивные легочные стволовые клетки были обнаружены в разных компартментах: они выявлены в тесной близи к известным клеткам предшественникам, которые находятся вблизи бронхиальных базальных клеток или альвеолярных эпителиальных клеток, а также вблизи дифференцированных клеток, таких как гладкомышечные клетки или фибробласты. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить специфичность этих ниш, характеристики их микроусловий и могут ли эти клетки также циркулировать (Montani et al, 2011).

Хотя Kajstura et al предоставили исчерпывающие доказательства происхождения резидентных стволовых клеток в легких человека, однако убедительность заключений этого исследования пока ограничена и нуждается в воспроизведении на более значительном материале и на др. независимой группе субъектов. Kajstura et al продемонстрировали, что легочные стволовые клетки человека вновь формируют структуры воздушных путей в гуманизированной модели трансплантации xenograft, но точные эксперименты по отслеживанию клонов в модельной системе мышей могли бы быть пригодны для углубления нашего понимания резидентных легочных стволовых клеток в будущем. Более того, находки до сих пор давали четкие преимущества терапевтического применения легочных стволовых клеток человека на животных моделях, наиболее близко воспроизводящих CLD человека, такие как легочный фиброз или COPD. Наконец. пока остается неясным, будут ли полученные результаты с мультипотентностью легочных стволовых клеток человека воспроизводиться при CLD. Если это так, то лежащие в основе молекулярные механизмы, способствующие клеточному замещению и регенерации легочных стволовых клеток, всё ещё не определены и ждут своего разрешения в будущих исследованиях.

Это исследование содержит ряд дополнительных интересных аспектов: во-первых, находки, что ни кардиальные стволовые клетки, ни гематопоэтические стволовые клетки, которые обладают сходными характеристиками стволовых клеток, неспособны репарировать легочные повреждения, требуют внимания. Поскольку мы остаемся со знанием, что c-kit-позитивность предопределяет стволовость всех представленных выше клеток и мы имеем четкую картину маркеров, которые используются для негативной селекции (т.e. маркеров, которые эти клетки не экспрессируют), мы обладаем крайне ограниченными знаниями о том, почему эти клетки детерминированы к репарации только специфического органа. Что делает клетки отличными от любых других и избирательными для репарации специфического органа? Необходим дальнейший углубленный анализ клеточного генотипа и фенотипа и их взаимодействия с клеточными и неклеточными микроусловиями в соотв. органе для дальнейшего понимания этой зависимости.

Во-вторых, Kajstura et al идентифицировали резидентные легочные стволовые клетки, которые обладают несколькими преимуществами по сравнению с не резидентными стволовыми клетками. В частности, использование клеток, происходящих из эмбрионов человека или клеток, репрограммированных из взрослых соматических клеток, ставят этические проблемы и могут обладать высоким туморогенным потенциалом. Далее, клетки, происходящие из костного мозга или периферической крови, такие как гематопоэтические стволовые клетки, мезенхимные стволовые клетки или клетки эндотелиальных предшественников обладают преимуществами аутотрансплантаций и отсутствия иммуногенности, но большинство нуждается в ex vivo экспансии или ограничено введением адекватной клеточной популяции. Следовательно, резидентные легочные стволовые клетки взрослых по сравнению с нерезидентными стволовыми клетками, могут обладать потенциалом для предоставления специфичных для легких соотв. стволовых клеток с многообещающей способностью экзогенной, а также эндогенной in vivo дифференцировки для заместительной терапии.

Итак, Kajstura et al убедительно продемонстрировали существование резидентных легочных стволовых клеток у взрослого человека и что они являются мощным источником для регенеративной медицины легких (Fig 1).

Ясно, что вопрос, могут ли эти клеточные популяции или их функции изменяться при CLD и как эти клетки изменяются при разных заболеваниях в терминах количества, маркеров или расположения, будет решен будущими исследованиями. Если эти клетки способны репарировать и регенерировать поврежденную лёгочную ткань, то почему этого не происходит эндогенно при CLD или происходит в очень ограниченной степени? Какие стимулы необходимы, чтобы активировать возможные ниши к индукции эндогенной репарации и регенеративным процессом в больном легком взрослых? Мы также не знаем, покидают ли эти клетки свои места, когда они не обнаруживаются. Чтобы выяснить, может ли популяция стволовых клеток участвовать в инициации и прогрессии CLD, необходимы дальнейшие исследования. Кроме того, неподходящие механизмы восстановления, неподходящая временная дифференцировка или апоптоз легочных стволовых клеток может стать причиной патологии CLD.

Figure 1. Human lung stem cells in CLD progression and therapy. Multipotent resident lung stem cells (green) originate from a variety of compartments and may contribute to the progression of several CLD. On the other hand, adult human lung stem cells could be used to exploit different therapeutic options. Power point

Клетки легочных предшественников, как полагают, участвуют в развитии рака, поэтому разумно предположить, что раковые стволовые клетки могут возникать из резидентных легочных стволовых клеток и тем самым управлять возникновением рака легких (Giangreco et al, 2007). Ясно, необходимо понять сложность этих клеток в деталях. В связи с этим накапливаются доказательства клеточной пластичности ранее считаемых полностью дифференцированными резидентными легочными клетками (популяции эпителиальных, эндотелиальных и мезенхимных клеток) , это подчеркивает динамику межклеточных и клетка-матрикс взаимодействий при CLD (Konigshoff et al, 2009). Драматические изменения в клеточном фенотипе и функции, такие как эпителиально-мезенхимные переходы, были продемонстрированы при CLD и определенно влияют на гомеостаз и активность возможно резидентных легочных стволовых клеток.

Учитывая доступность и потенциальную изолированность этих клеток, которые могут быть получены с помощью биопсии легких, легочные стволовые клетки могут быть преобразованы ex vivo и повторно имплантированы в легкие пациента, это позволяет надеяться на действительно персонализированную медицину. Более того, специфичные для легких резидентные стволовые клетки открывают возможность стимуляции in vivo дифференцировки и пролиферации для улучшения эндогенной регенерации поврежденной легочной ткани. Эти стволовые клетки могут служить в качестве системы доставки для экспрессии терапевтических молекул в определенные поврежденные области легких. Клеточно-специфическое воздействие на поврежденные, дедифференцированные или злокачественные клетки, предоставит необходимые критические функции при начале и прогрессировании болезни.

В свете разрушительного течения CLD, цель перестроить болезненные легкие человека является претензионной, но также, обязывающей задачей. Существование резидентных легочных стволовых клеток человека открывает новые возможности и вопросы, ответы на которые заставит нас предоставить необходимые новые терапевтические подходы пациентам, страдающим от CLD.