Стволовые Клетки

Potential of stem-cell-based therapies for heart disease Deepak Srivastava and Kathryn N. Ivey Nature 441, No.7097 , P1097-1099(29 June 2006) \| doi:10.1038/nature04961
The use of stem cells to generate replacement cells for damaged heart muscle, valves, vessels and conduction cells holds great potential. Recent identification of multipotent progenitor cells in the heart and improved understanding of developmental processes relevant to pluripotent embryonic stem cells may facilitate the generation of specific types of cell that can be used to treat human heart disease. Secreted factors from circulating progenitor cells that localize to sites of damage may also be useful for tissue protection or neovascularization. The exciting discoveries in basic science will require rigorous testing in animal models to determine those most worthy of future clinical trials. Рис.1. \| Differentiation of embryonic cells into the cardiac lineage Рис.2. \| Potential of postnatal cardiac progenitor cells (CPCs).	Редко что-нибудь так возбуждает ученых и заводит публику как чрезвычайный потенциал биологии стволовых клеток для лечения заболеваний у людей. Способность мобилизовать эндогенные клетки предшественники в органах или вносить и дифференцировать экзогенные стволовые клетки для репарации тканей может быть приложима ко многим болезням, включая те, что затрагивают головной мозг, скелетные мышцы, панкреас и сердце. Регенеративная терапия может быть особенно успешной для болезней сердца — убийцей номер один у взрослых и ведущей неинфекционной причиной смерти у детей¹. Кардиомиоциты, по-видимому, не вступают в клеточный цикл после рождения и, следовательно, сердце почти лишено регенеративной способности после повреждения. Долго живущей догмой была та, что клетки, с которыми мы рождаемся, с ними и умираем. Однако, удивительные новые находки последних 5 лет побудили нас к переоценке потенциала защитной или регенеративной кардиальной терапии. Подобно головному мозгу сердце имеет резервуары клеток предшественников, которых может быть недостаточно для возмещения острых потерь большого количества клеток, но может замещать медленные апоптические потери клеток в течение жизненного периода. Здесь мы рассмотрим современные основы и клиническую науку, которые формируют основу будущих подходов к кардиальной регенерации. Cardiac and ES-cell-derived progenitor cells По всему миокарду пулы cardiac progenitor cells (CPCs) могут участвовать в непрерывном замещении апоптических кардиомиоцитов на низком базовом уровне. В отличие от окончательно дифференцированных кардиальных клеток, CPCs являются небольшими клетками, которые не экспрессируют кардиальных маркеров и которые само-обновляются и пролиферируют. Несколько кажущихся различными, но перекрывающиеся популяции клеток предшественников (такие как Sca-1- (ref. 2), c-Kit- (ref. 3) и Abcg2- (ref. 4) экспрессирующие side популяции) могут быть индуцированы к активации специфичных для кардиомиоцитов генов in vitro; однако, этот эффект наблюдается также в мезенхимных стволовых клетках, которые не полностью дифференцируются в функциональные клетки сердца⁵. Кроме того, Sca1- или c-Kit-экспрессирующие клетки могут дифференцироваться в кардиомиоциты in vivo, внося вклад в репарацию поврежденного сердца после острого инфаркта миокарда, но их потенциал ограничен частично из-за небольшого количества эндогенных CPCs. Попытки мобилизовать и расширить количества клеток предшественников путем внесения ростовых факторов дает надежду, но остается спорным⁶. Возможно, что активность эндогенных CPCs может быть усилена благодаря знанию механизмов нормальной экспансии предшественников и детерминации из во время эмбрионального развития, прежде чем эти клетки смогут внести существенный вклад в в экстремальное окружение инфарктных сердец. Т.к. embryonic stem (ES) и клетки предшественники напоминают ранние плодные клетки, которые адоптированы к дискретным клонам, то выявление ранних событий развития кардиогенеза может быть инструктивным для понимания и манипулирования CPCs. Плюрипотентные стволовые клетки поддерживаются посредством транскрипционных регуляторов (таких как NANOG, OCT4 и SOX2; ref. 7), они направляются на дифференцировку в мезодермальный клон с помощью ключевых транскрипционных факторов, включая MESP и T-box белок brachyury^8,9 (Fig. 1). Последующая детерминация мезодермальных предшественников воссоздает эмбриональный онтогенетический потенциал из двух самостоятельных полей клеток, которые дают сердце. Часто обозначаемые как первое и второе поле сердца, клетки этих областей экспрессируют уникальные маркеры клеток предшественников10. Напр., LIM-домен-содержащий транскрипционный фактор islet1 (ISL1) участвует в дифференцировке клеток второго поля сердца¹¹, тогда как гомеодомен-содержащий транскрипционный фактор NKX2.5 является маркером обоих полей10. Наиболее интересно то, что остатки клеток второго поля сердца могут не только быть способны дифференцироваться во многие типы клеток, но и персистировать в постнатальном сердце¹² (Fig. 1). Пул потенциальных CPCs может участвовать в непрестанном поддержании сердца путем дифференцировки в несколько типов кардиальных клеток, включая мышечные, проводящие и сосудистые клетки, хотя точный клональный потенциал разных субтипов ещё предстоит определить (Fig. 2). Очень важно идентифицировать специфические маркеры первичного поля сердца, чтобы локализовать клетки предшественники постнатально или даже у взрослых. Онтогенетические маркеры первого и второго полей сердца могут быть использованы для обогащения ES клеток в CPCs. Если позволить расти в кластерах, называемых 'эмбриоидными телами', ES клеткам мышей и человека, то они могут дифференцироваться во многие клоны, включая и сокращающиеся кардиомиоциты. Придуманы многочисленные подходы для увеличения количества CPCs в этой системе, включая добавление ретиноевой кислоты или dimethyl sulphoxide и ингибируя передачу сигналов BMP¹³. Модуляция передачи сигналов WNT также может оказаться пригодной¹⁴. Помимо ключевых передач сигнлов и транскрипционных событий, которые могут управлять кардиальными клонами, открытие microRNAs, которые являются мышце-специфическими (напр., miR-1 и miR-133) и участвуют в дифференцировке CPCs у эмбрионов^15,16, возникает интригующая возможность, что микроРНК могут быть пригодными microRNAs для инициации или поддержания кардиогенной программы. Наконец, улучшения в химических библиотеках и высокопроизводительные скрининги малых молекул, которые могут регулировать пролиферацию или дифференцировку CPCs¹⁷. Итак, ведутся многочисленные исследования, чтобы изолировать и модифицировать поведение CPCs. Такие поиски существенны, т.к. прямое введение недифференцированных ES клеток в сердце ведет к формированию тератом¹⁸. Разные линии исследований и подходов, описанные выше вселяют надежду, что мы можем оказаться способны регулировать детерминацию, пролиферацию и дифференцировку ES или non-ES клеток в кардиомиоциты и использовать эти клетки с терапевтической целью. Other types of progenitor cell Успехи в понимании основ биологии стволовых клеток балансируют за счет смешанных или противоречивых результатов трансляционных и клинических исследований. Ранние исследования на мышах предположили, что bone-marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) могут дифференцироваться в кардиомиоциты¹⁹ и таким образом внесение BMSCs после инфаркта миокарда может индуцировать репарацию поврежденного миокарда. Более недавние исследования с генетически маркированными клетками показали, что BMSCs не трансдифференцируются в кардиомиоциты^20-22. Остается возможность, что BMSCs обладают некоторым благоприятными эффектами, возможно за счет секреции паракринных факторов, которые являются кардиозащитными или ангиогенными²³. На базе ранних работ на мышах, подтвердивших миогенез, многочисленные клинические испытания с аутологичными BMSCs были начаты на индивидах с острым инфарктом миокарда или ишемическим миокардом²⁴. Ранние анекдотические сообщения отмечали некоторый успех, но последующие рандомизированные испытания дали путанный результаты. Некоторые небольшие исследования сообщали о статистически достоверном увеличении способности сердца перекачивать кровь и коронарной перфузии и о снижении размеров инфаркта. По крайней мере, одно крупное недавнее испытание, однако, не выявило клинического улучшения²⁵. Сходным образом, рандомизированные испытания, базирующиеся на более ранних данных на мышах²⁶, в которых использовался granulocyte colony-stimulating фактор, чтобы мобилизировать эндогенные BMSCs после инфаркта, не выявили улучшения кардиальной функции²⁷. Если BMSCs и вызывают физиологически благоприятные эффекты, то они возникают за счет неизвестного механизма, что открывает возможность для проведения в новом ключе идущих или планируемых клинических испытаний, первоначально предполагающих, что BMSCs могут дифференцироваться в новые кардиомиоциты. Хотя сегодня фокус сдвинулся к пониманию потенциала не клеточно-автономных эффектов BMSCs на гипоксический миокард, ещё многое предстоит понять. Секретируемые ангиогенные факторы и/или пути активации, которые способствуют выживанию клеток могут защищать и восстанавливать гипоксичный миокард, ограничивая тем самым повреждение ткани и улучшая кардиальную функцию²³. Если паракринные факторы являются ключевыми агентами, то выделение и доставка таких факторов в высоких концентрациях или превращение BMSCs, чтобы они секретировали большие их количества, могут приводить к более существенной защите²⁸. Интересно, что thymosin 4, который секретируется в очень больших количествах BMSCs^28,29, является кардозащитным после острого инфаркта миокарда^31,32. Дальнейшие испытания thymosin 4 и др. секретируемых факторов позволят надеяться и избежать необходимости в клеточной терапии гипоксического миокрада. The road ahead Будущие исследования по клиническому использованию биологии стволовых клеток для болезней сердца человека будут базироваться на успехах в понимании решений клеточных клонов и регуляции плюрипотентности и дифференцировки кардиальных и сосудистых клеток. Подходы к регенерации поврежденных мышц и лечению детей, у которых отсутствуют специфические субнаборы кардиальных клонов, наталкиваются на многочисленные препятствия. Важно не только заставить и увеличить превращение стволовых клеток в кардиальный клон, но также репрессировать альтернативные судьбы, чтобы избежать дифференцировки в типы клеток, которые могут быть вредны для кардиального гомеостаза. Методы для надежного получения, миграции и собственно интеграции стволовых клеток необходимо совершенствовать, чтобы избежать осложнений и аномального электрического купирования, которое может приводить к аритмиям, как это происходило при внесении скелетных мышц в миокард³³. Наконец, было бы важным решить иммунологический вопрос отторжения используемых не аутологических источников стволовых клеток. В этом отношении, технологии разработки линий от индивидуальных специфических стволовых клеток посредством переноса ядер соматических клеток³⁴ или слияний клеток³⁵ могут позволить создавать стволовые клетки, содержащие собственный генетический материал индивида, чтобы использовать их для лечения и исследования фармакологической эффективности. Хотя имеется множество препятствий для преодоления, важно, что дорожная карта происхождения и использования стволовых клеток для лечения болезней сердца людей становится сегодня вполне мыслимой. Следующие годы несомненно принесут новые открытия и технологии, которые нуждаются в точной научной оценке и prudent judgment, balancing healthy scepticism with eagerness driven by sobering clinical needs.

Редко что-нибудь так возбуждает ученых и заводит публику как чрезвычайный потенциал биологии стволовых клеток для лечения заболеваний у людей. Способность мобилизовать эндогенные клетки предшественники в органах или вносить и дифференцировать экзогенные стволовые клетки для репарации тканей может быть приложима ко многим болезням, включая те, что затрагивают головной мозг, скелетные мышцы, панкреас и сердце. Регенеративная терапия может быть особенно успешной для болезней сердца — убийцей номер один у взрослых и ведущей неинфекционной причиной смерти у детей¹. Кардиомиоциты, по-видимому, не вступают в клеточный цикл после рождения и, следовательно, сердце почти лишено регенеративной способности после повреждения. Долго живущей догмой была та, что клетки, с которыми мы рождаемся, с ними и умираем.

Однако, удивительные новые находки последних 5 лет побудили нас к переоценке потенциала защитной или регенеративной кардиальной терапии. Подобно головному мозгу сердце имеет резервуары клеток предшественников, которых может быть недостаточно для возмещения острых потерь большого количества клеток, но может замещать медленные апоптические потери клеток в течение жизненного периода. Здесь мы рассмотрим современные основы и клиническую науку, которые формируют основу будущих подходов к кардиальной регенерации.

Cardiac and ES-cell-derived progenitor cells

По всему миокарду пулы cardiac progenitor cells (CPCs) могут участвовать в непрерывном замещении апоптических кардиомиоцитов на низком базовом уровне. В отличие от окончательно дифференцированных кардиальных клеток, CPCs являются небольшими клетками, которые не экспрессируют кардиальных маркеров и которые само-обновляются и пролиферируют. Несколько кажущихся различными, но перекрывающиеся популяции клеток предшественников (такие как Sca-1- (ref. 2), c-Kit- (ref. 3) и Abcg2- (ref. 4) экспрессирующие side популяции) могут быть индуцированы к активации специфичных для кардиомиоцитов генов in vitro; однако, этот эффект наблюдается также в мезенхимных стволовых клетках, которые не полностью дифференцируются в функциональные клетки сердца⁵. Кроме того, Sca1- или c-Kit-экспрессирующие клетки могут дифференцироваться в кардиомиоциты in vivo, внося вклад в репарацию поврежденного сердца после острого инфаркта миокарда, но их потенциал ограничен частично из-за небольшого количества эндогенных CPCs. Попытки мобилизовать и расширить количества клеток предшественников путем внесения ростовых факторов дает надежду, но остается спорным⁶. Возможно, что активность эндогенных CPCs может быть усилена благодаря знанию механизмов нормальной экспансии предшественников и детерминации из во время эмбрионального развития, прежде чем эти клетки смогут внести существенный вклад в в экстремальное окружение инфарктных сердец.

Т.к. embryonic stem (ES) и клетки предшественники напоминают ранние плодные клетки, которые адоптированы к дискретным клонам, то выявление ранних событий развития кардиогенеза может быть инструктивным для понимания и манипулирования CPCs. Плюрипотентные стволовые клетки поддерживаются посредством транскрипционных регуляторов (таких как NANOG, OCT4 и SOX2; ref. 7), они направляются на дифференцировку в мезодермальный клон с помощью ключевых транскрипционных факторов, включая MESP и T-box белок brachyury^8,9 (Fig. 1). Последующая детерминация мезодермальных предшественников воссоздает эмбриональный онтогенетический потенциал из двух самостоятельных полей клеток, которые дают сердце. Часто обозначаемые как первое и второе поле сердца, клетки этих областей экспрессируют уникальные маркеры клеток предшественников10. Напр., LIM-домен-содержащий транскрипционный фактор islet1 (ISL1) участвует в дифференцировке клеток второго поля сердца¹¹, тогда как гомеодомен-содержащий транскрипционный фактор NKX2.5 является маркером обоих полей10. Наиболее интересно то, что остатки клеток второго поля сердца могут не только быть способны дифференцироваться во многие типы клеток, но и персистировать в постнатальном сердце¹² (Fig. 1). Пул потенциальных CPCs может участвовать в непрестанном поддержании сердца путем дифференцировки в несколько типов кардиальных клеток, включая мышечные, проводящие и сосудистые клетки, хотя точный клональный потенциал разных субтипов ещё предстоит определить (Fig. 2). Очень важно идентифицировать специфические маркеры первичного поля сердца, чтобы локализовать клетки предшественники постнатально или даже у взрослых.

Онтогенетические маркеры первого и второго полей сердца могут быть использованы для обогащения ES клеток в CPCs. Если позволить расти в кластерах, называемых 'эмбриоидными телами', ES клеткам мышей и человека, то они могут дифференцироваться во многие клоны, включая и сокращающиеся кардиомиоциты. Придуманы многочисленные подходы для увеличения количества CPCs в этой системе, включая добавление ретиноевой кислоты или dimethyl sulphoxide и ингибируя передачу сигналов BMP¹³. Модуляция передачи сигналов WNT также может оказаться пригодной¹⁴. Помимо ключевых передач сигнлов и транскрипционных событий, которые могут управлять кардиальными клонами, открытие microRNAs, которые являются мышце-специфическими (напр., miR-1 и miR-133) и участвуют в дифференцировке CPCs у эмбрионов^15,16, возникает интригующая возможность, что микроРНК могут быть пригодными microRNAs для инициации или поддержания кардиогенной программы. Наконец, улучшения в химических библиотеках и высокопроизводительные скрининги малых молекул, которые могут регулировать пролиферацию или дифференцировку CPCs¹⁷.

Итак, ведутся многочисленные исследования, чтобы изолировать и модифицировать поведение CPCs. Такие поиски существенны, т.к. прямое введение недифференцированных ES клеток в сердце ведет к формированию тератом¹⁸. Разные линии исследований и подходов, описанные выше вселяют надежду, что мы можем оказаться способны регулировать детерминацию, пролиферацию и дифференцировку ES или non-ES клеток в кардиомиоциты и использовать эти клетки с терапевтической целью.

Other types of progenitor cell

Успехи в понимании основ биологии стволовых клеток балансируют за счет смешанных или противоречивых результатов трансляционных и клинических исследований. Ранние исследования на мышах предположили, что bone-marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) могут дифференцироваться в кардиомиоциты¹⁹ и таким образом внесение BMSCs после инфаркта миокарда может индуцировать репарацию поврежденного миокарда. Более недавние исследования с генетически маркированными клетками показали, что BMSCs не трансдифференцируются в кардиомиоциты^20-22. Остается возможность, что BMSCs обладают некоторым благоприятными эффектами, возможно за счет секреции паракринных факторов, которые являются кардиозащитными или ангиогенными²³.

На базе ранних работ на мышах, подтвердивших миогенез, многочисленные клинические испытания с аутологичными BMSCs были начаты на индивидах с острым инфарктом миокарда или ишемическим миокардом²⁴. Ранние анекдотические сообщения отмечали некоторый успех, но последующие рандомизированные испытания дали путанный результаты. Некоторые небольшие исследования сообщали о статистически достоверном увеличении способности сердца перекачивать кровь и коронарной перфузии и о снижении размеров инфаркта. По крайней мере, одно крупное недавнее испытание, однако, не выявило клинического улучшения²⁵. Сходным образом, рандомизированные испытания, базирующиеся на более ранних данных на мышах²⁶, в которых использовался granulocyte colony-stimulating фактор, чтобы мобилизировать эндогенные BMSCs после инфаркта, не выявили улучшения кардиальной функции²⁷.

Если BMSCs и вызывают физиологически благоприятные эффекты, то они возникают за счет неизвестного механизма, что открывает возможность для проведения в новом ключе идущих или планируемых клинических испытаний, первоначально предполагающих, что BMSCs могут дифференцироваться в новые кардиомиоциты. Хотя сегодня фокус сдвинулся к пониманию потенциала не клеточно-автономных эффектов BMSCs на гипоксический миокард, ещё многое предстоит понять. Секретируемые ангиогенные факторы и/или пути активации, которые способствуют выживанию клеток могут защищать и восстанавливать гипоксичный миокард, ограничивая тем самым повреждение ткани и улучшая кардиальную функцию²³. Если паракринные факторы являются ключевыми агентами, то выделение и доставка таких факторов в высоких концентрациях или превращение BMSCs, чтобы они секретировали большие их количества, могут приводить к более существенной защите²⁸. Интересно, что thymosin 4, который секретируется в очень больших количествах BMSCs^28,29, является кардозащитным после острого инфаркта миокарда^31,32. Дальнейшие испытания thymosin 4 и др. секретируемых факторов позволят надеяться и избежать необходимости в клеточной терапии гипоксического миокрада.

The road ahead

Будущие исследования по клиническому использованию биологии стволовых клеток для болезней сердца человека будут базироваться на успехах в понимании решений клеточных клонов и регуляции плюрипотентности и дифференцировки кардиальных и сосудистых клеток. Подходы к регенерации поврежденных мышц и лечению детей, у которых отсутствуют специфические субнаборы кардиальных клонов, наталкиваются на многочисленные препятствия. Важно не только заставить и увеличить превращение стволовых клеток в кардиальный клон, но также репрессировать альтернативные судьбы, чтобы избежать дифференцировки в типы клеток, которые могут быть вредны для кардиального гомеостаза. Методы для надежного получения, миграции и собственно интеграции стволовых клеток необходимо совершенствовать, чтобы избежать осложнений и аномального электрического купирования, которое может приводить к аритмиям, как это происходило при внесении скелетных мышц в миокард³³. Наконец, было бы важным решить иммунологический вопрос отторжения используемых не аутологических источников стволовых клеток. В этом отношении, технологии разработки линий от индивидуальных специфических стволовых клеток посредством переноса ядер соматических клеток³⁴ или слияний клеток³⁵ могут позволить создавать стволовые клетки, содержащие собственный генетический материал индивида, чтобы использовать их для лечения и исследования фармакологической эффективности.

Хотя имеется множество препятствий для преодоления, важно, что дорожная карта происхождения и использования стволовых клеток для лечения болезней сердца людей становится сегодня вполне мыслимой. Следующие годы несомненно принесут новые открытия и технологии, которые нуждаются в точной научной оценке и prudent judgment, balancing healthy scepticism with eagerness driven by sobering clinical needs.

Potential of stem-cell-based therapies for heart disease Deepak Srivastava and Kathryn N. Ivey Nature 441, No.7097 , P1097-1099(29 June 2006) | doi:10.1038/nature04961

Potential of stem-cell-based therapies for heart disease
Deepak Srivastava and Kathryn N. Ivey
Nature 441, No.7097 , P1097-1099(29 June 2006) | doi:10.1038/nature04961