ТК ТК
advertisement
Зависимость между числом стволовых клеток и возрастом оганизма человека. Коркан И.П. Мамлеев Р.С. Институт последипломного образование акушеров и гинекологов. У высших организмов старение не запрограммировано специально, а представляет собой механизм, обеспечивающий рост и развитие организма необходимый для достижения воспроизводительного возраста и определенного размера. Однако несмотря на достижение организмом этого возраста тенденции, заложенные в развитии от оплодотворенной яйцеклетки до плодоносящей особи, продолжают действовать и в последующем периоде жизни, приводя организм сначала к бурному расцвету и затем к увяданию. Параллельно с этим процессом идет расходование стволовых клеток. Так в молодом возрасте этих клеток 1-10000 а в зрелом 1-500 000 (1). Организм в детородный период не считается с непомерными тратами пула стволовых клеток на обеспечение процесса размножения, вследствие чего подрывает основу своего существования. В начале развития организма почти все его клетки представляют собой стволовые. В дальнейшем они распределяются в организме крайне не равномерно. Одни органы и ткани, такие как печень, кровь, кожа, легкие представляют собой большие надежные образования, их клеточный состав представлен большим количеством, как функциональных клеток, так и большим запасным количеством стволовых элементов. Другие органы и системы, являющиеся не менее важными в обеспечении жизнедеятельности представлены мелкими структурами, в которых мало клеточных элементов и запасных стволовых клеток. К таким уязвимым, но, тем не менее, важным системам относятся органы чувств, системы регуляции и воспроизводства. Гипофиз представляет собой железу, имеющей размер горошины. Тем не менее, ее утеря не совместима с нормальным развитием. Повреждения гипотоламуса губительны, так как вызывают нарушения солевого баланса, некрозы и кровоизлияния по всему организму. Гипотоламус, передавая информацию о внешней среде, превращает ее в доступный для периферических органов и желез химический язык. Исключение этого элемента и даже малейшее нарушение в его функционировании вызывает многие патологии, иногда они очень напоминают симптомы старения (2,3). Многие процессы, связанные с размножением, представляют собой модель самого старения. Выбор лидирующего фолликула перед овуляцией связан с атрезией многих других. Действие эстрогенов яичника вызывает повреждение клеток гипотоламуса, ответственных за регуляцию работы яичника. Восстановление этих элементов позволит по нашему мнению, не только восполнить их запас, но в значительной мере восстановить гомеостаз всего организма. Организм имеет группы клеток, из которых пополняется утеря клеточных элементов. Это эмбриональные и взрослые стволовые клетки, которые дают возможность обновлять пул прогениаторных клеток, дающих начало новым линиям специализированных клеток. ТК ПР СП СК СП СК ПК ТК СП СП СК – стволовая клетка; ТК – транзиторная клетка ПР – прогениторная клетка СП – специализированная клетка Допустим, что в организме создаются условия к быстрому набору массы тела либо восстановления потраченных сил. Это вызывает переход части взрослых стволовых клеток без достаточного восстановления в следующую более дифференцированную категорию клеток. Соответственно эти события могут происходить при стрессе, ускоренном развитии, запуске программы созревания, интенсивного размножения. Представим альтернативные возможности дифференцировки стволовых клеток. (Табл.1.) Таблица 1 Альтернативные возможности дифференцировки стволовых клеток Асимметричное деление Симметричное деление Истощающее деление СК СК2 о СК1 о ТК СК2 СК2 о о о. о . … … СК - стволовая клетка; ТК- транзиторнаяюклетка ю ю ю Свойства стволовых клеток определяются СК1 о ТК ТК о о . … ю ю микроокружением, их т.е. взаимодействием с окружающими ее клетками, компонентами внеклеточного вещества, составом и количеством гормональных и белковых факторов роста, а также хронологической последовательностью их действия на стволовые элементы. Поэтому стволовые клетки, находящиеся в определенной нише, могут либо находиться в состоянии покоя, пока их микроокружение не изменится, из-за воздействия внешней среды либо включения программы развития, роста и созревания. С течением времени происходит исчерпание запаса функционирующих дифференцированных клеток, что служит сигналом для стволовых клеток начинать деление. Их потомки восполняют потери, увеличивают массу тела, выполняют различные возрастные программы развития. Так японские исследователи показали, что уничтожение мелацитарного компонента волосяного фолликула вынуждают стволовые клетки покидать свою нишу и восполнять образовавшуюся недостачу путем превращения в транзиторно размножающиеся клетки, которые и обеспечивают пигментацию волос. Было подтверждено, что корень волоса является резервуаром стволовых клеток как для роста, так и для пигментации волоса (1). Детерминация прогениаторной клетки в конечном итоге зависит от ее генетической программы, предусматривающей создание специфических типов соматических клеток. Эти дифференцированные клетки плохо, либо вообще не размножаются. Следовательно, воспроизводство необходимого числа клеток из них для восстановления клеток и тканей может быть для них достаточно трудным. Эти клетки определены для превращения в специфические линии клеток. Поэтому для их поддержания необходимы стволовые клетки. Однако при интенсивном их расходовании возникает дефицит, который может быть восполнен симметричным воспроизводством стволовых клеток в раннем развитии организма. В возрасте созревания и в последующем вступлении в плодоношение условия внутренней среды организма резко отклоняются от оптимума и по видимому, препятствуют восстановлению стволовых клеток в полном объеме и организм восстанавливает свой клеточный состав за счет коммитированных клеток, которые не могут в достаточной мере восполнить разнообразие и число специальных клеток. Возникают морщины, седина, теряется эластичность связок, ухудшается слух, острота зрения и т.д. За счет того, что специализированные клетки побуждаются к делению их хромосомный аппарат, подвергнутый структурным изменениям при дифференцировке, не может достаточно точно удваиваться без ошибок и превращает клетку, из-за этого клетка превращается в канцерогенную, способную в условиях дефицита ростовых стимуляторов делиться под воздействием собственных стимуляторов. Фетальные ткани, состоящие на 90% из мультии и плюриполентных клеток, напоминают их только в этом качестве, так как они вырабатывают огромное количество факторов роста, но кроме этого фетальные ткани вырабатывают сильные дистантные регуляторы дифференцировки и миграции клеток. Это позволяет им интегрироваться в организм, учитывая свое местоположение и свойства соседствующих тканей. Поэтому вполне возможна не только регенерация организма реципиента стволовыми эмбриональными клетками, но и нормализация малигнизированных клеток, не сильно продвинувшихся в развитии своей автономии. Фетальные ткани ранних зародышей состоят из малодифференцированных клеток (в основном полипотентных и мультипотентных), поэтому клетки этих зародышей, следует применять при лечении в медицине. Они имеют слабоэкспресированные комплексы поверхностных антигенов гистосовместимости, что уменьшает уровень осложнений при пересадке. Из-за того что в ранних зародышах не сформировался иммунный комплекс, ответственный за распознавание своих клеток, у их иммунных клеток нет рецепторов, способных вызвать реакцию «трансплантат против хозяина». Кроме того, они обладают большим потенциалом к дифференцировке и пролиферации и свойствами сдерживать рост опухолей. Эмбриональные стволовые клетки продуцируют целый комплекс цитокинов и белковых ростовых факторов, которые стимулируют регенерацию тканей реципиента, СЭК вызывают апоптоз дегенерирующих клеток побуждая замену их на новые из пула клеток реципиента и донора (1). Это утверждение подтверждается вытеснением из культуры тканей старых клеток при добавлении к ним новых, прошедших меньший путь до предела Хэйфлика. В культуру женских фибробластов, прошедших 30 делений, добавляли новую, прошедшую 3-5 делений, и так как новая культура состояла из клеток фибробластов самца, то при цитогенитическом анализе четко констатировалась ситуация замены новыми клетками старых (5). Известно, что при экспериментальной экстирпации части печени у крыс, она восстанавливает свой объем до исходного довольно быстро. Однако если повторно удалить часть печени, она восстанавливается хуже. На третий раз восстановления нет, это происходит, по-видимому, из-за истощения популяции запасных стволовых клеток, обеспечивающих регенерацию печени (6). Ограниченность центральных и региональных резервов в сочетании с ограниченностью числа удвоений клеток, известный как предел Хейфлика, вызывает истощение популяции стволовых клеток. Зададимся вопросом, почему клетки, имеющие все для своей регенерации: комплекс репарирующих ферментов, энергетические структуры митохондрий и т.д. - приходят в состояние прогрессирующего возрастания вероятности их смерти. Повидимому, имеется груз генов, которые скапливаются в процессе эволюции, это так называемые гены-убийцы. Отбор не в состоянии элиминировать эти гены, вызывающие снижение жизнестойкости за пределом возраста воспроизводства. После возраста воспроизводства эти гены вызывают гибель или снижение активности организмов, не подвергаются отбору и могут находиться в генофонде некоторое время. Хотя их присутствие не вечно, подвергаясь мутациям, эти гены неизбежно должны исчезнуть в процессе жизни вида. Кроме тех, которые играют определенную роль в процессе развития организма. Некоторые гены убийства клеток необходимы в органогенезе для разделения органов и тканей на соответствующие образования. Оказалось, что гены митохондрий тоже могут внести в продолжительность жизни свою лепту. Если кодируемый ими фермент является дефективным, происходит резкое ускорение жизненных процессов и старения. Шотландские ученые из Абердины отметили особое долголетие мышей обладающих гиперактивной митохондрией. Они жили дольше других мышей этой линии примерно на треть. Человеческая популяция состоит из громадного числа индивидуумов и представляет собой благодатную почву для эволюционных процессов и мутаций. За многие века сменилось множество поколений, и, конечно, среди них были выдающиеся по своему долголетию люди. Сведения о них, как правило, передаются в виде легенд, и мы можем только догадываться, насколько они соответствуют истине. Мы попытаемся объяснить каким образом эти явления могли произойти, и есть ли возможности повторения этих уникальных феноменов в эксперименте. Вот что пишет Людмила Серова, в ноябре 1997 года в газете «Известия»: Госпожа Сэй Сенагон из японского города Фукуока, достигнув в возраста 75 лет, почувствовала необъяснимые изменения в своем организме. Сначала у нее исчезла седина, волосы почернели и приобрели былой блеск. Затем разболелись и стали кровоточить десна, так что она не смогла носить зубной протез. Сэй отправилась к дантисту, и тот ошеломил старушку известием, что у нее режутся зубы. Японка развелась со своим 75 летним мужем и вышла замуж за 40 летнего банковского служащего Тикамото, который считает, что Сэй выглядит не старше тридцати. Спустя девять месяцев после свадьбы Сэй родила сына. Анализы и генетическое тестирование в институте геронтологии показали, что у Сэй активировались гены, способствующие образованию клеток, способных замещать стареющие и умершие. Они считают, что протоонкоген, который участвует в росте и развитии организма, а при определенных обстоятельствах вызывает неуправляемое деление клеток и приводит к опухолевым заболеваниям, у Сэй работает правильно, ликвидируя последствия старения. Задача исследователейактивировать систему защиты от старения, не вызывая возможных осложнений. Геронтопогам еще не до конца понятна причина активации генов «молодости» у Сэй Сенагон. Они предполагают, что толчком к омоложению женщины послужила завышенная доза гормональных биостимуляторов, которые вводились 70 летней Сэй после операции на печени. Объяснить этот эффект омоложения можно, по-видимому, трансдеффиренцировкой диплоидных овальных клеток печени в стволовые мультипотентные клетки. Они образовались из-за комплексного воздействия полипептидных ростовых факторов, вырабатывающихся регенерирующей печенью и гормональных биостимуляторов, введенных после операции. Этот случай с Сэй Сенагон не уникален, сообщает Иерусалимский журнал «Круг»: Роза Фарон родилась 29 мая 1889 года, и ей сегодня почти 108 лет. Однако у нее фигура девушки, она не только не стареет, но, наоборот, с каждым годом выглядит моложе. Эта женщина потрясает, она никогда не пользовалась косметикой, не прибегала к косметическим операциям и, тем не менее, выглядит на семьдесят лет моложе своего возраста. Врачи исследовали этот случай. Вот их заключение. Проверка деятельности печени, сердца и артериального давления показали, что эти параметры у нее совершенно девичьи, и что удивительно то что они намного лучше, чем в 1960 году, когда Роза Фарон проходила клиническое обследование. На фотографии, помещенной в журнале, это красивая молодая женщина, окруженная внуками и правнуками. Роза Фарон выглядела моложе своей 30 летней внучки. Она говорит «Я ем абсолютно все, курю, пью больше, чем нужно. Единственное, что меня обескураживает это страх забеременеть - смешно рожать, когда тебе за сто, и я вынуждена принимать противозачаточные пилюли». Доктор Граза, итальянский геронтолог, на конференции в Генуе с удивлением отмечал: «Ее память и ум остры и ясны. Это самый загадочный феномен, с которым мне приходилось встречаться. Создается впечатление, что время для нее пошло вспять». Но не только женщины представляют подобный феномен. Так, например, в истории и литературе VI-VIII веков в произведении «уникальное ожерелье», составленном средневековым испано - арабским писателем Ибн Абд Раббихи (860-940), приводится удивительный случай. Рассказывают, что в давние времена вождем племени Гатафан был некий человек по имени Наср Иби Дахман. Когда ему исполнилось девяносто лет, у него вновь почернели волосы и выросли новые зубы, так что он опять превратился в юношу. И это было чудом, весть о котором передавалась из уст в уста среди арабских племен. Существуют три типа организмов. Это организмы, которые никогда не стареют, так как они делятся, оставляя новые растущие особи раньше, чем проявится процесс старения. Другая группа организмов проявляет отчетливые признаки старения, главным образом, потому что они не успевают восстанавливать изнашиваемые или утраченные элементы с необходимой скоростью для компенсации течения времени и влияния внешней среды. У третьего типа организмов явления старения не обнаружены, благодаря непрерывному процессу восстановления, компенсирующему постепенную утрату отдельных клеточных компонентов. Некоторые виды актиний находились под наблюдением от 50 до 80 лет, и у них не были выявлены признаки старения до конца наблюдений, все актинии регулярно почковались и оставались именно теми особями, так как находились под ежедневным наблюдением (7). Организмы, у которых темп восстановления окажется достаточным для того, чтобы компенсировать разрушительное влияние времени путем замещения износившихся клеток, не обязательно должны стареть. Действительно, если источник клеток, дающих возможность функционировать органом и тканям, будет пополняться из эндогенного источника либо из вне, можно ожидать, что для таких организмов будет характерна неопределенно большая продолжительность жизни, хотя, в сущности, отдельные особи будут постепенно за счет замены составляющих их клеток превращаться в другие особи. Лечение стволовыми клетками Для подобной терапии старости появились возможности в последние 20 лет и это связано с открытием стволовых клеток. Стволовые клетки способны развиваться в различные специализированные ткани и органы. Из стволовой клетки могут возникать нейроны, фибробласты, клетки сердца, печени, крови и т.д. (1). Существует два типа стволовых клеток, это: эмбриональные и региональные стволовые клетки. Первые участвуют в построении первичных органов у зародыша. Вторые обнаруживаются позже в эмбриональном развитии, когда формируются органы и ткани. Стволовые клетки обнаружены почти во всех органов и тканях и по-видимому благодаря им существуют довольно высокие восстановительные способности у млекопитающих. Стволовые клетки обнаружены в эпиндимальной выстилке желудочков мозга и в гипокампе, благодаря которым мозг также может восстанавливать свой клеточный состав. Существуют и универсальные клетки, способные превращаться под влиянием различных индукторов в нужные специализированные клетки, это клетки стромы костного мозга. Установлено, что клетки стромы костного мозга, введенные в зону повреждения сердечной мышцы после инфаркта, полностью компенсируют его с восстановлением клеток сердечной мышцы у экспериментальных свиней. Широко используется терапия стромальными клетками для восстановления кости. Сейчас в США испытываются специальные коллагеновые губки, наполненные индуцирующими веществами, направляющими развитие клеток по требуемому пути. Использование такой губки позволило у 91 летней пациентки заживить старый перелом за 8 месяцев (1). Большое значение будут иметь стволовые клетки при лечении нейродегенеративных и неврологических заболеваниях: Альцгеймера, Паркинсона, хореи Геттингтона, рассеянного склероза. Ученые из Стэндфордского университета обнаружили, что клетки стромы костного мозга можно использовать для восстановления в кости. Возможна также трансформация этих клеток в клетки печени, почек, а также в клетки, синтезирующие инсулин. Старость характеризуется нарастанием дегенеративных изменений в организме снижением функциональных возможностей органов и систем нейрогуморальной регуляции. Введение стволовых клеток может компенсировать эти явления. Другие экспериментальные способы продления жизни. Генетическими экспериментами показано, что наследственно закрепленному предрасположению к большей продолжительности жизни сопутствуют более или менее выраженное снижение интенсивности обменных процессов. Эти данные получены на животных разных видов (дрозофилы, белые мыши, белые крысы). Это отражает биологическую закономерность, из которой следует, что скорость биохимических реакций снижается пропорционально температуре. Кроме того, известно, что многие ферменты имеют температурный оптимум для работы со своими специфическими субстратами. От температуры зависит их активность. Теломераза, работает эффективно при 0 33 С, а от ее активности зависит так называемый предел Хэйфлика. Считается, что укорочение теломерных участков хромосом сокращает возможность нормального их функционирования и при нормальной температуре тела. У человека при 370 теломераза не работает, тем самым при каждом делении происходит укорочение таломер и, в конце концов, концы хромосом соединяются, препятствуя их транскрипции, и клетка умирает. Продолжительность жизни животных отдельных видов внутри одного класса существенно отличается друг от друга. Достаточно напомнить, что человек живет в 20-30 раз дольше мыши и в 15-20 раз кролика и т. д. Внутривидовые колебания возраста свидетельствуют о том, что несмотря на всю генетическую закрепленность видовой продолжительности жизни, существуют возможности ее увеличения. Теоретически увеличение продолжительности жизни на 20-40% может быть достигнуто за счет контроля над внутривидовыми возможностями. Для человека эти сроки равны 30-50 годам. Большое количество фактов свидетельствует о значительном изменении продолжительности жизни внутри некоторых видов в зависимости от условий среды. Существуют биологические предпосылки позволяющие утверждать, что в пределах известной истории человечества происходило и происходит увеличение видовой длительности жизни человека. Это происходит благодаря тому, что ограниченные популяции человека все больше перемешиваются между собой, распространяются по всей Земле, что приводит к тому, что вредные летальные и сублетальные гены реже встречаются, и за счет этого инбредные сочетания генов играют все меньшую роль в формировании организма. Возникающий гетерозис при отдаленном скрещивании приводит к тому, что доминантные гены смогут перекрыть нежелательные рецессивные гены. Гетерозис – это лишь один из возможных механизмов перекомбинации генов, по-видимому, существуют и другие, направленные на увеличение продолжительности жизни. В самом широком биологическом аспекте старение является следствием недостаточности восстановительных процессов. Если бы все изношенное, измененное и нарушенное под влиянием времени восстанавливалось, то продолжительность жизни была бы весьма велика. Однако развитие организма, рассматриваемое как внутренний стресс и влияние внешней среды, укорачивают продолжительность жизни. Стрессом может быть и отсутствие всяких раздражителей. Так типичное содержание в виварии сокращает жизнь крыс, в то время как тренировки по 20 минут в день увеличивают продолжительность жизни, если они были начаты в возрасте не позже чем в 300 дней, тренировки у крыс в возрасте 400 дней, эти упражнения укорачивают продолжительность их жизни (2). Исследования С. Сау, В.Н. Никитина (4), подтвержденные в десятках лабораторий мира показали, что наибольшее увеличение продолжительности жизни приносит количественно не достаточная, качественно полноценная диета (8). При частичном голодании образуются активные метаболиты, оптимизирующие жизнедеятельность организма. В опытах Никитина средняя продолжительность жизни животных, находящихся на сдерживающем рост питании, увеличилась на 42,7%, ткани подопытных животных богаче нуклеиновыми кислотами, сдержано увеличение содержания гистонов, ослаблено падение ДНК-азы и отношение РНК\ДНК коэффициента, альбумины, глобулины, растворимость коллагена и нет грубых сдвигов активности эндокринных желез (8). Известно, что в культуре стволовые клетки не вступают в дифференцировку в среде, содержащей в 5 раз меньшее количество питательных элементов. Хорошо известно, что при стрессе и под влиянием высоких температур яйцеклетка может начать делиться. Иногда яйцеклетка активизируется после посещения дамой парилки. Обычно этот процесс останавливается сам по себе на ранней стадии. Если же эмбрион развивается дальше, то происходит так называемое непорочное зачатие. Обычно яйцеклетка, кроме хромосом, в ооплазме имеет еще три набора галоидных хромосом, содержащиеся в направительных тельцах. Слияние с одним из них может образовать реконструированный 46- хромосомный набор и позволит образовать идентичный материнскому организму эмбрион. Известно 16 зафиксированных случаев развития из патогенетических зародышей, получившихся из материнских ооцитов. Их наследственный материал представлен только гаплоидным генетическим материалом матери. Дело в том, что в процессе стимуляции партеногенеза возникает реконструированное диплоидное ядро, имеющее обедненные антигенные поверхности клетки за счет идентичности гомологичных хромосом. Учёным из института репродуктивной медицины и института генетики Лос-Анджелеса были получены партеноногенетически делящиеся зародышевые клетки, способные к детерминации в нейроны. В институте развития клеточных технологий в штате Массачусетс (США) удалось вынудить к партеногенезу человеческие ооциты. В результате химических воздействий четыре из двадцати восьми яйцеклеток стали развиваться, и образовались зародыши. Так Хосе Сибелли и его коллегам удалось доказать, что в особых условиях яйцеклетки млекопитающих и человека способны давать жизнеспособные эмбрионы без оплодотворения, возможно получение и андрогенетических зародышей. Косвенно на это указывает такое явление, как «пузырный занос» при котором сперматозоиды сливаются голова в голову и формируют пузырчатую массу вместо зародыша. Если оплодотворить яйцеклетку двумя сперматозоидами, то образовавшийся андрогенетический зародыш будет иметь только гены отца. Описан случай француженки Анук Диды. Эта девушка не имела никаких половых контактов с мужчинами, однако оказалась беременной. Она родила дочку. Исследования показали, что ребёнок родился в результате партеногенеза. Ольга Сафронова тоже забеременела после трагедии из-за стресса в автомобильной аварии, когда погибли её родители. И у этой девушки не было никаких сексуальных контактов. Партеногенез даёт превосходный шанс при трансплантации клеток и тканей избежать осложнений, вызванных их отторжением. Для разработки методов клеточной терапии старости необходимо наличие эмбриональных клеток, полностью совместимыми с антигенами реципиента. Этого можно достичь либо подбором в Банке пуповинной крови соответствующего образца, однако как бы он ни был близок к тканям пациента, исключить его отторжение в процессе экспрессии от генов главного комплекса гисто совместимости нельзя исключить. Для получения же идентичного материала для терапии необходимо получить клоны тканей реципиента. Кроме пересадок ядер, возможны и другие альтернативные методы, использование которых позволяет исключить появление чужих антигенов у стволовых клеток, пересаживаемых в другой организм. Комплексным влиянием на старение организма является снижение температуры тела. Наиболее перспективным в этом отношении может быть использование гипоталамических механизмов терморегуляции. Небольшое снижение температуры тела до 330С не влияет на биологическую и психофизическую активность (9). Адаптационно регуляторная теория утверждает, что первичные механизмы старения не запрограммированы, но опосредованно связаны с развитием организма. В процессе которого активность одних регуляторных генов увеличивается, других уменьшается. Возникнувшие на основе их деятельности вторичные сдвиги создают уязвимые места- «мишени», на которые действуют метаболиты, физико-химические факторы и др. Это делает понятным целесообразность влияния как на активность генов, так и на обмен веществ организма в экспериментах по пролонгированию жизни. Так, например, накопление свободных радикалов с возрастом ускоряет повреждение генетического аппарата синтеза белков(10). По данным парамагнитного резонанса в печени старых животных на 90% больше свободных радикалов, чем у взрослых. Применяя антиоксидант бутилокситолуол, автор увеличил продолжительность жизни у мышей на 45 % (10). Считается, что антиоксиданты не замедляют процессы старения, но влияют на сопровождающие его патологические процессы. Показано, что выраженным антиоксидантным действием обладают витамины А, С, Е. Имеются сведения, что витамины А и С положительно влияют на продолжительность жизни. Так же влияет и введение в организм нуклеиновых кислот, по-видимому, экзогенные их поступления способствуют стабильности генома и репарации ДНК. О том, что пролиферация клеток уменьшается с годами, говорят данные о культуре фибробластов. Фибробласты эмбриона способны удвоиться 35-60 раз, клетки 90 летнего человека 20-45 раз, разница очевидна. Однако при взятии культуры неизвестно количество стволовых элементов, поэтому число удвоений зависит от методики взятия материала для пересадки Регрессивный анализ, проведенный авторами показывает, что в среднем за один год пролиферативный потенциал клеток человека снижается на 0,2 удвоения. Критерием возраста может служить соотношение фибробластов I и II типов. Клетки I типа обладают большим пролиферативным потенциалом, и он не снижается со временем, и они образуют клетки обоих типов, клетки второго типа дают только клетки своего типа в очень ограниченном числе, однако число клеток I типа с возрастом культуры снижается, и остаются в основном непролиферирующие клетки II типа. Таким образом, если клетки II типа делятся по разу, то клетки I типа проходят значительно большее число делений. По подсчетам разных авторов фибробласты I типа делятся от 80 до 200 раз (11,12,13). Исходя из данных коэффициента регрессии, выведенных Martin в 1970 г. можно сделать вывод, что человеческие фибробласты должны воспроизводиться не менее 250 лет (50 удвоений : 0,2 удвоений в год = 250 лет) (21). В трансформированных клетках функционирует минимальное количество генов, остальные гены выключаются. В стареющих клетках функционируют другие гены, необходимые в развитии и в дефиренциации на разные специализации клеток. Но нет активности генов, обеспечивающих бессмертие. Таким образом, клетка жертвует собой, погибая, выполняет свои функции подобно пчеле защищающей свой улей. Когда же стволовых клеток остается мало, специализированная клетка теряет часть своей специфичности и пытается размножаться дабы заполнить собой возникшие бреши. Такая клетка может стать бессмертной и уже не подчиняется организму, ее породившему, что может привести к раку. В улье при гибели царицы рабочие пчелы так же берут на себя, ее функции становясь ущербными матками, такие пчелы способны воспроизводить только трутней. Соотношение теоретических и экспериментальных данных зависимости возраста и числа клеток на 1 стволовую клетку у человека Таблица 2 Теоретически лет 0 1,6 3,2 7,5 13 26 52 104 стволовая клетка 1 1 1 1 1 1 1 1 Установлено, Данные литературы(1) кол-во клеток 8 192 16 384 32 768 65 536 131 072 262 144 524 288 1048576 число удвоений стволовых клеток 12 13 14 15 16 лет стволовая клетка кол-во клеток 0 1 10 000 20 1 100 000 30 50 1 1 300 000 500 000 17 18 19 что в процессе взросления человека наблюдается катастрофическое снижение числа стволовых клеток, в первый год жизни 1 клетка на 10 000, к 20-25 годам 1 на 100 000, к 30 годам 1 на 300 000, к 50 годам 1 на 500 000. Это показывает таблица 2, где представлены возможности воспроизводства клеток за счет стволовых клеток, из нее видно, что удвоение стволовых клеток для воспроизводства дифференцированных клеток нарастает довольно быстро до 50 лет, а затем резко замедляется. Примечательно, что за последние от 52 лет до 104 старение нарастает лишь в два раза, в то время, как от 1,6 до 26 лет темпы старения велики, то есть организм стареет в 10 раз быстрее в юности, чем в зрелом и престарелом возрасте. Снижение числа стволовых клеток с возрастом объективно отражает старение организма. Снижение числа стволовых клеток коррелирует и с новообразованиями, так как 18-19 кратное удвоение вызывает трудности достижения терминальных вариантов дифференцировки, что приводит к увеличению вероятности малигнизации дифференцированных клеток. Чем меньше удвоений проходит от стволовой клетки до специализированной, тем меньше вероятность образования рака. Образование рака у человека резко повышается именно в период, когда число стволовых клеток снижается до 1 на 500 000. Мы полагаем если увеличить их количество до значений, характерных для молодого и среднего возраста, то и заболеваемость раком снизится до величин, характерных для этих возрастов, так как способности к делению коммитированных к определенной дифференцировке клетки не будет подвергаться опасности через чур большого количества удвоений. И программа апоптоза с меньшей вероятностью не будет разрушена мутациями, и эти клетки дадут новые дифференцированные популяции клеток. Работами многих авторов установлено, что в культуре диплоидных фибробластов можно выделить две субпопуляции клеток, одни из них могут делиться много раз, другие делятся 1 - 2 раза (14,15,16,17). Согласно разным подсчетам за 40 - 60 клеточных пассажей фибробласты человека 1 типа делятся от 80 до 160 раз (5, 6), а по другим данным от 140 до 200 раз. Если смешать две линии клеток, то через короткое время останутся лишь клетки, прошедшие меньшее число делений (18). В 1965 году Хейфлик (18) высказал предположение, что наблюдаемое в культурах клеток старение со сниженной способностью размножаться по видимому является цитологической основой старения организмов животных. В подтверждение этой точки зрения приводим следующие факты: Существует корреляция способности удваиваться с видовой продолжительностью жизни (см. таблицу 3). Таблица 3 Вид Галапагосская черепаха Человек Курица Норка Мышь Видовая продолжительность жизни 175 90 20 10 3,5 Максимальное удвоение клеточной популяции Литературный источник 90 – 125 40 – 60 25 – 35 20 – 34 14 – 28 9 8 10 11 12 Очень интересны наблюдения над фибробластами золотой рыбки (Carassius auratus). Исследователями не было замечено никаких ограничений продолжительности их жизни (19). Пройдя более 200 пассажей, клетки при сохранении диплоидного числа хромосом не проявляли снижения скорости синтеза ДНК и других признаков старения. До сих пор не удается определить, скольконибудь достоверно возраст большинства видов рыб. Существует мнение, что некоторые виды рыб вообще не подвержены старению, а старение возникло в ходе эволюции в связи с выходом на сушу, где требуется ограничение размеров. Рыбы продолжают расти в течение всей жизни, и старения в истинном понимании этого слова не происходит (20). Зависимость потенциала размножения клеток от возраста донора. В работе (21) показано, что число клеточных удвоений обратно пропорционально числу прожитых лет. За один год способность удвоения снижается на 0,2 ед., из этого следует, что довольно надежным критерием возраста донора может служить соотношение в популяции фибробластов I и II типов в первичной культуре (22,23). Наблюдается низкая способность к удвоению клеток у больных с наследуемым синдромом преждевременного старения. Различают прогерию детей (синдром Хатчинсона – Гилфорда) и прогерию взрослых (синдром Вернера). Больные прогерией дети погибают в возрасте до 20 лет с симптомами, характерными для глубокой старости (24,25,26), больные с синдромом Вернера живут несколько дольше до 40 – 45 лет. Обе разновидности прогерии действительно являются проявлением ускоренного старения, как и при обычном старении, появляются атеросклероз, катаракта, пресбиопия, поседение и выпадение волос, разрушение зубов, морщины, декальцификация костей, атрофия мышц и т.д. Исследование фибробластов показало, что существует тесная связь между стадией развития этих прогерий и способностью клеток к делению. Оказалось, что фибробласты этих больных не способны выполнить более, чем 1012 делений (22,27). Ограниченность потенциала клеточных делений в организме была показана в следующем эксперименте. Смертельно облученной мыши в дозе 19 гр. были пересажены клетки костного мозга не облученных сингенных мышей. Эти клетки, размножаясь, быстро заполняют кроветворные органы облученной мыши. Клетками костного мозга этой вылеченной мыши можно вылечить другую смертельно облученную мышь и так последовательно можно сделать 3-4 последовательных перевивок клеток, однако дальнейшее размножение клеток прекращается, и пересаженные клетки более не предотвращают гибели облученного реципиента. Это, по-видимому, является следствием того, что клетки исчерпывают свой потенциал делений. Причем к последним делениям культуры клеток обычно ослабевают способности диплоидных клеток выполнять свои специфические функции, в частности для фибробластов продуцировать коллаген (23). Таким образом, дифференцировка сохраняется у клеток в течение 40 - 50 делений, а потом у старых клеток возникает снижение специфических функций, т.е. возникает информационный эффект зачитанной книги по Брайлю, когда выпуклости, из которых состоят буквы, становятся мало различимыми и инструкции, по которым происходит считывание информации, становятся расплывчатыми. Повреждение ДНК Большинство существующих гипотез связывают старение с накоплением повреждений. Наиболее известная гипотеза Орджела (24) не придает существенного значения самому характеру повреждений ДНК и/или белков. Речь в ней идет о накоплении ошибок, природа которых не обсуждается, и которые, стохастический накапливаясь, в общем снижают жизненные возможности клетки. Однако не все повреждения ДНК вызывают явления преждевременного старения (25). Существуют определенные типы повреждений ДНК и белков, которые, оставшись не исправленными в основном и способствуют старению (25) как на клеточном, так и на организменном уровнях. Причем эти повреждения возникают в тот момент, когда считывается позиционная информация, обеспечивающая специализацию клеток информация. Это отражено в гипотезах Бьеркстена и Катлера (24, 25), в которых постулируется сшивки между молекулами ДНК и особенно сшивки между ДНК и белками. При этом Катлер приводит доказательство того, что с возрастом в хроматине накапливаются прочные ДНК – белковые сшивки, разрушающие программу считывания специализированной информации о положении и свойствах дифферецированных клеток. Подтверждением этой гипотезы являются данные (26), согласно которым фибробласты больных прогерией Хатчинсона – Гилфорда практически лишены способности освобождаться от сшивок ДНК – белок, вызываемых химическими и лучевыми агентами. Дефект репарации сопровождается ограничением числа удвоений популяции фибробластов в культуре и преждевременным старением. В связи с ролью ДНК – белковых сшивок в развитии процессов старения необходимо остановиться на так называемой свободнорадикальной гипотезе, впервые предложенной Хартманом в 1956 году (27). Согласно этой концепции старение является результатом повреждения ДНК и других важных макромолекул высокоактивными группами, содержащими неспаренный электрон. В клетках млекопитающих основным источником свободнорадикальных реакций является кислород. Установлено также, что радикалы образуются при лучевом поражении, вызывая так называемое лучевое старение. Свободные радикалы Считается, что в организме свободные радикалы нейтрализуют фермент супероксидисмутаза. Имеется положительная корреляция с удельной активностью этого фермента и максимальной продолжительностью жизни вида (28). Разнообразные антиоксиданты могут снижать концентрацию свободных радикалов и одновременно увеличивать среднюю продолжительность жизни организмов и клеток (24). Наиболее типичные повреждения, вызываемые супероксидными радикалами, являются сшивки между молекулами ДНК и хромосомными белками. В настоящее время старение связывается с уменьшением активности и производства супероксидисомутазы, и старение скорее связано не с внешними свободными радикалами, а с теми, которые возникают внутри клетки из-за нарушения структуры метаболизма. Из-за этого количество свободных радикалов растет по мере старения организма. В стареющем организме идут возрастные изменения белков и клеток. Иммунитет, сформировавшийся в юные годы, воспринимает эти изменения как чужеродные и начинает вырабатывать антитела против измененных белков и клеток. Таким образом, старение сопровождается нарастанием аутоиммунных реакций. Эти реакции развиваются довольно медленно, т.к. костный мозг к концу жизни теряет способность восстанавливать клеточный состав крови. В частности скорость восстановления массы эритроцитов падает в 6 раз. Заключение Дифференциация клеток запрограммирована и поддерживается в течение примерно 60 делений, если не произойдет нарушение структуры ДНК этого сегмента специализации. Затем, по мере уменьшения концевых частей ДНК, уменьшается возможность считывания хромосомных фрагментов в условиях, когда теломераза не работает, либо ее работа неэффективна. Возникает ситуация, когда начинает считываться программа апоптоза. В процессе размножения клеток сначала считывается программа их роста, затем специализации и после этого апоптоза. Исключение программы специализации может вызвать рост недифференцированных клеток, которые могут превратиться в любые специализированные ткани, выключение программы апоптоза может вызвать рост специализированных тканей и переход их к неограниченному росту, т.е. к раку. Баланс этих программ и их включение вызывает все разнообразие как нормальных, так и неопластических форм роста клеток. Стволовые клетки практически не имеют ограничения клеточных удвоений. Они в обновляющихся тканях совершают в течение жизни не менее тысячи делений, так как дифференцированное состояние клеток какой-либо линии должно сохраняться в течение ограниченного числа делений, а затем должен включится механизм самоуничтожения (28). Стволовые клетки, являясь своеобразным запасным элементом для тканей, не подвержены старению. Повидимому, эти стволовые клетки и олицетворяют собой бессмертную линию зародышевых клеток, передающихся в бесчисленном ряду поколений. И только значительное уменьшение их числа за счет истощающего деления приводит к старению организма. Введение в организм либо побуждение к росту своих стволовых клеток может привести к значительному росту продолжительности жизни со значительным улучшением ее качества. Өзек жасушаларының саны мен ағзаның жасының арасындағы тәуелділік Тұжырым Жоғары ағзаларда қартаю әдейі бағдарламаланып қоймаған, ол көбейе алатын жасқа және белгілі бір көлемге жетуге қажетті ағзаның өсуі мен дамуын қамтамасыз ететін механизм болып табылады. Алайда, ағзаның бұл жасқа жеткеніне қарамастан, ұрықтандырылған аналық жасушадан ұрықты ағзаға дейінгі дамуда жатқан үрдістер кейінгі өмір кезеңдерінде де әрекет етуін жалғастырып, ағзаның алдымен күрт өркендеуіне, артынан солғын тартуына әкеледі. Осы процеспен қатар өзек жасушаларының жастық шақта 1-10000, ал ересек шақта 1-500000 көлемінде шығындалуы жүреді (1). Ағза бала туатын кезеңде өзек жасушаларының көбею процесіне шамадан тыс жұмсалуымен санаспай, соның салдарынан оның болмысының негізі бұзылады. Relationship between the number of stem cells and age of organism Summary Ageing in higher organisms is not programmed specially, but is a mechanism that ensures growth and development of organism necessary to reach a reproductive age and certain size. However, despite reaching this age by the organism tendencies laid in development from impregnated ovum into a fertile individual keeps acting in further period of life bringing the organism at first to a rapid bloom, and then to decline. Concurrently with this process, there is consumption of stem cells, which in quantitative terms make up 1-10000 at a young age, and 1-500000 at a mature age (1). The organism at a childbearing period does not reckon with excessive spending of stem cells on maintenance of reproduction process, and it tears up its existence as a result. Литература 1. Коркан И.П., Рысулы М.Р. Стволовые клетки в медицинской практике. Алматы, 2004. 2. Фролькис В.В., Мурадян Х.К. Экспериментальные пути продления жизни. Л.: Наука, 1988. 3. Рушкевич Ю.Е. Влияние длительного раздражения гипоталамуса на некоторые показатели функции сердечно-сосудистой системы у животных разного возраста // Физиологический журнал, 1980. Т 26, с. 3-9. 4. Hayflick L. Cell Aging – In: Annual review of gerontology and geriatrics. New York, 1980, vol. 1, p. 1-80. 5. Hayflick L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. – Exp. Cell Res., 1965, vol. 37, p. 614-636. 6. Карлсон. Регенерация. М.: Наука, 1965. 7. Биология старения. А. Комфорт. М.: Мир, 1967. 8. Никитин В.Н. Экспериментальные подходы к продлению жизни // Итоги науки и техники: Общие проблемы биологии. М., 1984. Т 4, с. 6-46. 9. Виленчик М.М. Биологические возможности увеличения продолжительности жизни. Киев, 1976, с. 74-80. 10.Эмануэль Н.М. Биологические возможности увеличения продолжительности жизни. Киев, 1976, с. 103-110. 11.Good P.I. Subcultivations, splits, doublings and generations in cultures of human diploid fibroblasts. – Cell Tissue Kinet., vol. 5, p. 319-323. 12.Hirsh H.R. The dynamics of repetitive asymmetric cell division. – Mech. Ageing Develop., 1977, vol. 6, p. 319-332. 13.Beug H., Graf T. Isolation of clonal strains of chicken embryo fibroblasts. – Exp. Cell Res., 1977, vol. 107, p. 417-428. 14.Smith J.R., Hayflick L. Variation in the life-span of clones derived from human diploid cell strains. – J. Cell Biol., 1974, vol. 62, p. 48-53. 15.Mets T., Verdonk G. In vitro aging of human bone marrow derived stromal cells. Mech. Aging Develop., 1981, vol. 16, p. 81-89. 16.Ohno T. Change of responsiveness to growth stimulation of normal cells during aging. – In: Aging Phenomenon. Relationships Differ. Levels Organ Proc. Naito Found Symp. Aging, 1978, Tokio; New York; London, 1980, p. 25-29. 17.Hayflick L. The cellular basis for biological aging. – In: Handbook of the biology of aging. New York, 1977, p. 159-179. 18.Hayflick L. Cell culture and the aging phenomenon. - In: Topics in the biology of aging. New York, 1966, p. 83-100. 19.Shima A., Nikaido O., Shinohara S., Egami N. Continued in vitro growth of fibroblast-like cells (RBCF-1) derived from the caudal fin of the fish Carassius auratus. – Exp. Gerontol., 1980, vol. 15, p. 305-314. 20.Comfort A. The biology of scenescence. New York, 1979, p. 414. 21.Martin G., Sprague C., Epstein C. Replicative life-span of cultivated human cells; effects of donor ´s age, tissue and genotype. – Lab. Invest., 1970, vol. 23, p. 86-92. 22.Mets T. Bijdrage tot de precisering van de biologische leeftija van de mens: Onderzoek near de relavantie van het in vitro verouderingsproces van fibroblasten. – Verh. Kon. vlaam. acad. geneesk. Belg., 1980, vol. 42, p. 41-59. 23.Михельсон В.М. Биология клетки в культуре. Л.: Наука, 1984, с. 235-254. 24.Orgel L.E. Ageing of clones of mammalian cells. – Nature, 1973, vol. 243, p. 441-445. 25.Cutler R.G. Gross linkage hypothesis of aging: DNA adducts in chromatin as a primary aging process. – In: Aging, carcinogenesis and radiation biology. New York; London, 1976, p. 443-492. Flieschmajer R., Nedwich A. Progeria (Hutchinson-Gilford). – Arch. Dermatol., 1973, vol. 17, p. 253-258. 26.Bunn C.L., Tarrant G.M. Limited lifespan in somatic cell hybrids and cybrids. Exp. Cell Res., 1980, vol. 127, p. 385-396. 27.Harman D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry. – J. Gerontol., 1956, vol. 11, p. 298-300. 28.Оловников А.М. Родусомная гипотеза старения и контроля биологического времени в индивидуальном развитии. Биохимия, 2003. Т 68, с. 7-41. Авторы Коркан Иван Павлович. д.м.н., профессор Мамлеев Руслан Султанович. к.б.н., ведущий научный сотрудник