Посещений:
Болезни Крови

Терапия Гематопоэтическими Стволвыми Клетками

Stem-cell therapies for blood diseases
Claudio Bordignon
Nature 441, No 7097, 1100-1102(29 June 2006) | doi:10.1038/nature04962

For decades, transplantation of haematopoietic stem cells — either unmodified, or genetically modified to correct genetic disorders — has been used to treat disorders of the blood and immune systems. The present challenge is to reduce the risk of such transplants and increase the number of patients who can safely access this treatment. In developing countries, such 'one-shot' treatments are highly desirable because chronic treatments are difficult to sustain. To make these therapies more accessible and effective it will be important to improve clinical protocols and gene-delivery vectors, and to gain a deeper understanding of stem cells.


Рис.1.  |  Large-scale HS-cell therapy across the world

Табл.1 Status of HS-cell therapies for genetic blood disorders

C 1950s - 1960s гг, использовались трансплантации костного мозга в виде внутривенных вливаний целого костного мозга для лечения пациентов с острой лейкемией, аплазией костного мозга1 и врожденным дефицитом иммунитета2. Эти клинические воздействия привели к базовым исследованиям, чтобы идентифицировать, выделить и охарактеризовать редкие стволовые клетки (haematopoeitic stem cells или HS клетки), которые являются клеточным компонентом костного мозга и периферической крови3, и чтобы выяснить их терапевтический потенциал. Эта работа оказалась плодотворной в области исследования стволовых клеток и предоставила реагенты и модели для др. ткане-специфических и орган-специфических стволовых клеток. Это выразилось в Нобелевской премии 1990 E. Donnall Thomas4.
Несмотря на эти успехи широкое терапевтическое использование трансплантаций HS-клеток при болезнях крови ограничено отсутствием пригодных доноров, высокой величине смертности, связанной с процедурой и возобновлением болезни.

HS cells in health and disease


Костный мозг в течение многих лет трансплантировался в виде нефракционированной ткани до тех пор, пока ученые не открыли, какие клеточные компоненты ответственны за приживление донорских гематопоэтической и иммунной систем у пациентов. лишенных костного мозга4. HS клетки были выявлены среди наиболее активных в теле человека. Т.к. клеточные и субклеточные компоненты крови (такие как лейкоциты. эритроциты и тромбоциты) обладают периодом жизни несколько дней или месяцев, поэтому HS клетки д. постоянно продуцировать новые. В нормальных физиологических условиях, молчащие стволовые клетки крови перемешаны с дифференцированными клетками внутри костного мозга плоских и коротких костей. Однако, в условиях стресса, таких как массивное кровотечение или острые бактериальные инфекции, HS клетки быстро реагируют ускорением своей пролиферации, дифференцировки и миграции из костного мозга в кровообращение.
HS являются настолько мощными, что даже после повреждения замещают большую часть клеток периферической крови и костного мозга, используя лишь небольшие количества для полного восстановления функциональной гематопоэтической системы. У модельных мышей менее одной сотни высоко очищенных HS клеток могут полностью восстанавливать кровеносную систему у реципиентных животных после того как костный мозг был полностью устранен в результате радиации3. В экспериментах на мышах серийные трансплантации HS клеток - в которых они выделялись из костного мозга реципиентов и использовались для восстановления др. реципиентов с удаленным костным мозгом - могут быть повторены несколько раз перед стрессом на исходные HS клетки, что приводило к неполному восстановлению.
Свойства мощного роста и экспансии HS клеток делают их привлекательными кандидатами для ряда клинических применений. Отмечается также существенный прогресс методик воздействия на пациентов гормонами роста, чтобы увеличить количества HS клеток и HS-клеточных популяций, и мобилизовать их из костного мозга в периферическую кровь, из которой они легко могут быть выделены в относительно высоких количествах (see page 1075). Терапия по мобилизации HS клеток обладает преимуществами из-за отсутствия сложных и инвазивных процедур с эксплантации костного мозга под общей анестезией, т.к. получается высокий урожай очищенных HS клеток. Эти преимущества позволяют осуществлять трансплантации от частично несовместимых доноров и приводят к тому, что HS-клеточные трансплантации становятся преимущественным выбором для лечения ряда генетических и благоприобретенных болезней5-9 (Table 1).

Complexities of HS-cell transplantation


Успешность HS-клеточных трансплантаций зависит от сложного взаимодействия факторов, включая интактные ниши костного мозга, конкурентноспособность стволовых клеток, реакции иммунных клеток донора на болезнетворные или злокачественные клетки реципиента, a эффективность воздействия зависит от элиминации болезненных клеток перед трансплантацией. Успешное приживление HS клеток, как было показано, нуждается в интактных условиях в костном мозге (или нишах), которые генерируют сигналы, направляющие в них клетки, отвечающие за засевание и экспансию трансплантированных стволовых клеток (о нишах для стволовых клеток см. 1075). Трансплантации костного мозга используются для лечения лейкемии, при этом было установлено, что иммунное распознавание и элиминация лейкемических клеток с помощью иммунной системы донора играет центральную роль в исходе у пациентов - состояние называемое graft-versus-leukaemia. Т.о., возвращение лейкемии после трансплантаций костного мозга может зависеть от степени идентификации генов, которые регулируют тканевую совместимость между донором и реципиентом, с наивысшей скоростью возобновления у генетически идентичных близнецов10.
Большинство найденных ограничений для трансплантаций костного мозга и HS клеток заключается в нахождении соотв. доноров. Идеальными донорами являются здоровые гистосовместимые члены семьи, которые доступны только для трети пациентов. Несмотря на успехи в создании международных регистров неродственных доноров и HS-клеточных repositories из крови пупочного канатика, существенная пропорция (свыше 50%) пациентов не имеет доступа к потенциально жизнь-сберегающим трансплантациям из-за отсутствия доноров.
В последние годы технологии ио очистке и трансплантации HS клеток сделали возможными трансплантации от соответствующих наполовину семейных доноров, которые доступны почти всем пациентам (родители и дети любого индивида являются такими half-matched)11. К сожалению, надежды, что трансплантации HS клеток создадут решение, терпят крах из-за неприемлемо высокой смертности, связанной с трансплантациями, реципиентов от таких соответствующих наполовину трансплантаций HS клеток. В то время как высоко очищенные HS клетки от half-matched доноров могут восстановить функцию постного мозга и почти все клеточные компоненты крови у лишенных костного мозга пациентов, они неспособны обеспечивать лимфоцитами, необходимыми для быстрого и полного восстановления иммунитета. Поэтому пациенты остаются не защищенными от потенциально летальных вирусов и др. инфекционных агентов и обнаруживают высокий риск гибели от инфекции. Попытки преодолеть эту проблему путем комбинирования трансплантаций стволовых клеток с вливаниями unmanipulated лимфоцитов от донора были отвергнуты из-за тенденции иммунных клеток донора реагировать на органы и ткани пациентов. Такие реакции часто летальны из-за высокой степени несоответствия между донором и пациентом. Стратегии по иммунной защите реципиентов за счет использования определенных субнаборов лимфоцитов были разработаны и тестированы на мышиных моделях (rev. 12). Напротив, генетические манипуляции с донорскими лимфоцитами, чтобы ввести suicide-gene систему, как было показано, контролируют это осложнение у пациентов13. Есть надежда. что такие стратегии позволят в конце концов делать трансплантации HS клеток значительно большему числу пациентов со злокачественными болезнями гематопоэтической системы и летальными генетическими нарушениями.

HS-cell transplantation for the developing world


Развивающиеся страны дальнего и среднего Востока и Африки имеют большие количества (предположительно десятки тысяч) пациентов с летальными нарушениями эритроцитов. Одним из таких заболеваний является thalassaemia major, которая является генетическим нарушением, затрагивающим гемоглобин. В более продвинутых странах она лечится с помощью трансфузий консервированных эритроцитов от избранных доноров крови, которые периодически производятся в течение периода жизни пациента; они комбинируются с хронической лекарственной терапией для предупреждения перегрузки железом, присутствующим в трансфузиях эритроцитов. В большинстве недоразвитых стран, однако, не существует национальных программ доноров крови и пациенты с thalassaemic погибают в детстве. Т.о., очищенные HS клетки от семейных доноров могут в принципе обеспечивать приемлемую терапию там, где трансфузионные программы недоступны. В такой ситуации трансплантации HS клеток д. представлять не только технологически наиболее продвинутое лечение, но и также д. использоваться для лечения относительно больших количеств пациентов. Верно, что трансплантации HS клеток всё ещё дорогостоящая процедура, которая несёт варьирующий, но существенный риск гибели. В будущем, однако, можно надеяться, что за счёт упрощения выделения HS клеток и использования менее токсичных препаративных режимов для пациентов, цена и смертность будут снижены. Сегодня большинство трансплантаций HS клеток у пациентов с thalassaemia на Среднем Востоке осуществляется в Западных странах по специально предназначенным программам (Fig. 1), такими как Fondazione IME, международной организацией здоровья, которая в принципе ответственна за поддержку International Thalassemia Project. Если больше будет создано подобных международных сотрудничеств, то выживут тысячи юных пациентов за счет подобных одно-ударных терапий, которые могут предоставить перманентное лечение скорее, чем в течение всей жизни, дорогостоящие и плохо переносимые воздействия.

HS-cell gene therapy


Генотерапия является альтернативой трансплантациям стволовых клеток от здоровых доноров для лечения thalassaemia и некоторых др. генетических болезней крови. При генотерапевтических подходах собственные HS клетки пациентов выделяются из костного мозга или крови, генетически преобразуются, чтобы они экспрессировали нормальные копии гена, ответственно за болезнь, и затем трансплантируют обратно пациенту. С начала 1990s подобного типа генная терапия была успешно использована для лечения severe combined immunodeficiencies (SCIDs), используя вирусные вектора, несущие здоровый ген, для введения в геном HS клеток пациентов14. Пациенты с X-сцепленным вариантом15, с adenosine deaminase (ADA)-дефицитным вариантом16 и с хроническим granulomatous болезнью17, по-видимому, могут постоянно лечить свои дефекты с использованием этой стратегии.
К сожалению несмотря на эти клинические успехи HS-клеточная генотерапия для генетических заболеваний не обнаруживает прогресса. Одной из причин является трудность использования соответственно регулируемую экспрессию переносимых генов, которые создают особую проблему для глобиновых генов18. Др. причина связана с презентацией нескольких побочных событий при клиническом изучении X-linked SCID19. При клиническом исследовании три пациента после получения оптимальной клинической коррекции болезни обнаружили прогрессивную лимфоидную пролиферацию, которая клинически напоминала острую лейкемию19. Это побочное событие может быть непосредственно связано со специфической инсерцией клона вирусного вектора, используемого для переноса генов, в геном стволовых клеток хозяина вблизи известного онкогена20. Несмотря на тот факт, что это событие, по-видимому, имеет тяжелые уникальные последствия, связанные с этим специфическим испытанием (сходное исследование было предпринято др. группой не обнаружило какого-либо побочного эффекта21), все испытания по генотерапии стволовых клеток стали субъектом интенсивной проверки и остановили продвижение на различные промежутки времени в большинстве стран. Мы ожидаем, что HS-клеточная генотерапия начнет прогрессировать быстрее, так как сегодня более надежные и более эффективные вектора будут производиться и использоваться в клинических испытаниях. Помимо врожденных иммунодефицитов ряд др. генетических заболеваний крови может стать кандидатом на подобное воздействие. В частности, нейродегенеративные нарушения, вызываемые отсутствием специфических энзимов, таких как лизосомные энзимы, являются прекрасными кандидатами на HS-клеточную генотерапию, т.к. замещение энзимов может в принципе осуществляться клетками. генерируемыми из генетически преобразованных HS клеток22.

HS-cell plasticity


Помимо классического применения HS клеток для лечения болезней крови вызывает огромный интерес идея использования их для лечения др. органов и тканей. Приживление и в некоторых случаях репарация ткани отмечалась в ряде органов после системных или локальных инъекций HS клеток или костного мозга. Первоначально полагали, что HS клетки отвечают за локальные стимулы путем дифференцировки в зрелые клетки реципиентного органа. Позднее было установлено, что слияние клеток является главным механизмом внесения вклада стволовыми клетками в регенерацию обрабатываемого органа. Хотя всё ещё не составлено суждение о действительной роли трансдифференцировки в репарации ткани под воздействием стволовых клеток, слияние клеток представляет собой наиболее широко принимаемый общий феномен особенно для тканей, обладающих высоко fusogenic клетками, такие как мышцы23 и печень24. Интересно. что в некоторых случаях терапевтический успех наблюдался в отсутствие достоверных уровней приживления стволовых клеток. Этот кажущийся парадокс может быть объяснен способностью стволовых клеток продуцировать стимулирующие и регуляторные цитокины25 , которые стимулируют рост и репарацию ткани.

Perspectives


It is remarkable that, through bone-marrow and HS-cell transplants, stem-cell therapies have brought about permanent cures for some (tens of thousands) patients suffering from blood disorders. Unfortunately, for other patients, there remains a 10–50% rate of transplant-related mortality and only a small chance of finding a suitable donor. Thus, transplant medicine seems far from offering an optimum cure for the majority of patients with blood disorders. There are efforts underway to develop therapies using alternative sources of stem cells, such as embryonic stem cells. However, because HS cells are relatively abundant and accessible, alternative sources might be less crucial for treating common blood disorders than for diseases of other organs and tissues. Thus, the most immediate improvements will probably be achieved by developing less-toxic drug regimens for use in preparing the patient to accept the transplant and strategies for prompt immune reconstitution following transplant. Genetic engineering has already been successfully implemented in HS-cell therapy. However, more effective vectors and a better understanding of the consequences of vector integration17 are needed to expand the number of diseases that can be treated by this technology. Whereas genetic diseases are the most obvious candidates for HS-cell therapies, they might also be effective in treating acquired diseases, such as cancer26 and AIDS, particularly for patients living in countries where the costs of life-long chronic treatments are unsustainable.