08 february 2006

ВВЕДЕНИЕ В КЛЕТОЧНУЮ ТЕРАПИЮ

Клеточная терапия – профилактика или лечение болезней человека путем введения живых клеток, которые были отобраны, размножены и фармакологически обработаны или изменены вне организма (ex vivo). Цель клеточной терапии – заместить, восстановить или улучшить функцию поврежденной ткани или органа. Клетки, которые для этого используются, могут исходить или от самого пациента, или от донора, или от животного. Другими источниками клеток могут быть клеточные линии и клетки из опухолей пациента для производства антираковых вакцин. Клетки могут быть заключены в капсулу из избирательно проницаемых мембран, которые блокируют выход медиаторов иммунной реакции, но позволяют диффундировать активным молекулам, которые продуцируют клетки. Частью проходящей вне организма генетической терапии является генная инженерия клеток. Клетки могут вводиться в организм различными путями и избирательно имплантироваться в нужное место. В последнее время клеточная терапия стала развиваться в направлении замещения традиционных процедур. Например, трансплантация костного мозга заменяется трансплантацией стволовых клеток периферической крови.

Причины всплеска интереса к клеточной терапии в том, что клетки часто работают лучше, чем могут любые химические средства. Например, диабетики при помощи инсулина могут только грубо контролировать уровень сахара в крови, даже если они часто делают инъекции. Но если удастся заставить их организм принять трансплантат островковых клеток поджелудочной железы, эти клетки будут немедленно реагировать на изменения концентрации сахара в крови и выделять ровно столько инсулина, чтобы удерживать уровень сахара в нужных границах.

Кроме того, что они выделяют оказывающие терапевтический эффект вещества, трансплантированные клетки также могут формировать связи с тканями реципиента, например, в случае трансплантации в головной мозг образовывать нервные связи. Клетки могут заменять поврежденные и утраченные ткани и, размножаясь, обеспечивать структурную поддержку. Это имеет значение при лечении болезней мышц и скелета.

Историческая эволюция клеточной терапии

Концепция клеточной терапии популярна уже довольно давно. По сути, это современный эквивалент инъекций обезьяньих желез, которые применялись сто лет назад для лечения импотенции. Некоторые важные моменты истории клеточной терапии показаны в таблице 1-1.

Таблица 1-1. История клеточной терапии

Год

Событие

1667

J.-B. Denis во Франции сообщил о первой попытке переливания крови от овцы человеку.

1890

Предпринятые в нью-йоркском университете первые попытки пересадки нервной ткани – коры головного мозга от взрослой кошки взрослой собаке – оказались безуспешными (Thompson 1890).

1894

Сообщается как о явной неудаче о подкожной трансплантации без иммуносупрессии пациентам с диабетом измельченной овечьей поджелудочной железы (Williams 1894)

1907

R. Ottenberg впервые в мире производит переливание совместимой крови от человека человеку по группам ABO, открытым Karl Landsteiner в 1901 году.

1909

Доктор А.Максимов постулировал, что лимфоциты действуют как общие стволовые клетки и мигрируют в тканях, чтобы размножиться в подходящем окружении.

1917

Pappenheim предположил, что кроветворная система регенерирует за счет постоянно живущих клеток (Wulf et al. 2001).

1931

Первая клеточная терапия у человека. P. Niehans выполнил инъекцию суспензии околощитовидных желёз телёнка пациентке с судорожным синдромом.

1930-е

Переливание крови утвердилось в качестве медицинской процедуры для восполнения кровопотерь

1940

Прижилась трансплантированная в головной мозг ткань фетальной центральной нервной системы млекопитающего (Le Gros Clark 1940).

1951

Первая демонстрация выживаемости летально облучённых животных после трансплантации костного мозга (Lorenz et al. 1951).

1958

G. Mathe произвел трансплантацию костного мозга облученным физикам-ядерщикам. Трансплантация оказалась не эффективной, поскольку совместимость определялась только по группам крови и пересадке не предшествовала иммуноабляция.

Первое сообщение об успешном переносе ядра клетки шпорцевой лягушки Xenopus laevis (Fischberg et al 1958).

1961

Показана дифференцировка клеток-предшественников из костного мозга животных (Till and McCulloch 1961).

1962

Первое употребление термина «стволовая клетка крови» по отношению к клетке периферической крови (Goodman and Hodgson 1962).

1964

Инкапсуляция клеток под полупроницаемой мембраной в университете McGill, Монреаль, Канада (Chang 1964).

1966

Трансплантация островковых клеток поджелудочной железы у собак с экспериментальным диабетом (Chaya et al 1966).

1968

Первая успешная трансплантация HLA-совместимого костного мозга больному лейкемией. Группа Thomas E.D. Рождение современного этапа клеточной терапии.

1970

Наблюдение, что примордиальные зародышевые клетки, из которых развиваются тератомы, выглядят очень похожими на клетки намного более ранних эмбрионов, стало предшественником открытия стволовых клеток (Stevens 1970).

1971

Das и Altman продемонстрировали, что трансплантированные незрелые нейроны могут выживать и созревать в головном мозге млекопитающих (Bjorklund 1999).

1972

Пациенту с лейкемией проведена инфузия пуповинной крови; впоследствии в его крови обнаружены эритроциты донорского происхождения (Ende and Ende 1972).

1972

Экспериментальное обоснование эффективности трансплантации островковых клеток поджелудочной железы для лечения сахарного диабета (Ballinger W.F. and Lacy P.E.).

1980-е

Доктор Hal Broxmeyer открыл и продемонстрировал, что в крови, полученной из пуповины и из плаценты, находятся такие же стволовые кроветворные клетки, как и в костном мозге.

1980

Микроинкапсулированные островки как биоискусственная эндокринная поджелудочная железа (Lim and Sun 1980).

1981

Выделение эмбриональных стволовых клеток из бластоцисты мыши (Evans M.J. and Kaufman M.H.). Введение термина “эмбриональная стволовая клетка” (Martin G.R.). Впоследствии были показаны плюрипотентные возможности дифференцировки этих клеток и перспективы их использования для клеточной трансплантации.

1986

Первое клиническое испытание трансплантации островковых клеток поджелудочной железы больным сахарным диабетом.

Руководитель группы Paul Lacy основывает Общество Клеточной Трансплантации (Cell Transplant Society – CTS, USA)

1987

Трансплантация ткани надпочечников в головной мозг 2-х пациентов с болезнью Паркинсона в Швеции (Lindvall O. et al.), после чего эта же группа исследователей стала выполнять пересадки фетальной нервной ткани человека.

“Клеточная терапия” синдрома Дауна в Австралии. Была признана не эффективной.

1988

Первая успешная трансплантация клеток пуповинной крови произведена во Франции 5-летнему мальчику с анемией Фанкони (Gluckman E. et. al.).

1990

Сообщение о формировании миелина в миелин-дефицитном спинном мозге крыс после трансплантации нормальной фетальной глии (Rosenbluth et al 1990).

1994

Получена иммортализированная линия стволовых клеток для нейротрансплантации (Kershaw 1994).

1992-1994

Первые трансплантации гепатоцитов больным с печёночной недостаточностью (Mito M. et al., 1992; Habibullah C.M. et al., 1994).

1995

Лечение бокового амиотрофического склероза методом генной терапии при имплантации генетически измененных микроинкапсулированных клеток (Aebischer and Kato 1995).

1996

Трансплантация аутологичных гепатоцитов, трансфецированных геном рецептора липопротеидов низкой плотности 5-ти детям с семейной гиперхолестеринемией (Raper S.E. et al.).

Начало клинических испытаний метода трансплантации аутологичных гемопоэтических клеток, мобилизированных в периферический кровоток при рассеянном склерозе (Fassas A. et al.)

1997

FDA лицензирует первый коммерческий клеточный продукт – аутологичные хондроциты для восстановления суставной поверхности – Carticel, компании “Genzyme corporation” в США. Начало массовой коммерциализации клеточной терапии и тканевой инженерии.

1998

Успешная трансплантация аллогенных гепатоцитов ребёнку с метаболическим дефектом - наследственной формой желтухи (Fox I.J. et al.).

Первая трансплантация нервных клеток в головной мозг человека в University of Pittsburgh Medical Center. Пациентке 62-х лет, перенесшей инсульт, пересадили нейроны, полученные из тератокарциномы человека частной компанией Layton Bioscience.

Первая в мире аутологичная трансплантация пуповинной крови, сохраненной в частном банке.

Впервые получена линия эмбриональных стволовых клеток человека из бластоцисты (Thomson J.A. et al.).

Плюрипотентные стволовые клетки получены из культивированных человеческих примордиальных зародышевых клеток (Shamblott et al 1998).

2000

Ученые из StemCells Inc выделили человеческие стволовые клетки головного мозга непосредственно из его ткани

2001

Первые опубликованные данные по введению клеток в сердце (клеточной кардиомиопластике) человека с целью улучшения функции после инфаркта (Menasche P. et al.).

2002

Трансплантация аллогенных мезенхимальных (стромальных) клеток костного мозга детям с несовершённым остеогенезом (Horwitz E.M. et al.).

Трансплантации клеток и органов

Термин «трансплантация», который в прошлом использовали главным образом в отношении трансплантации органов, в настоящее время применяется и в отношении трансплантации клеток от одного индивидуума другому. Клетки могут быть использованы для восстановления утраченных функций органов, т.е. вместо замены органа происходит его регенерация. С трансплантацией связаны некоторые проблемы, в том числе отторжение органов, и в настоящее время большая часть трансплантаций органов проводится при поддержке иммуносупрессивной терапии. Проблема отторжения пересаженных клеток может быть решена при использовании собственных клеток пациента и при инкапсуляции клеток, полученных из других источников.

Аллогенные (от совместимого донора) трансплантации впервые были применены для лечения врожденных иммунных дефицитов, несостоятельности костного мозга, злокачественных гематологических заболеваний и теперь регулярно используются и при некоторых незлокачественных заболеваниях, например, талассемии. Аутологичная трансплантация (при использовании собственных тканей пациента) была введена с целью сохранить костный мозг пациента, подвергающегося высокодозной химиотерапии, и теперь ее все чаще включают в протоколы первичного лечения солидных опухолей, таких, как рак молочной железы или нейросаркома. Аутологичная трансплантация также используется для экспериментального лечения таких сложных аутоиммунных заболеваний, как системный склероз и в качестве инструмента генной терапии. На смену трансплантации костного мозга приходит метод трансплантации гемопоэтических клеток. Таким образом, знание методов работы со стволовыми клетками и их применения в клинической практике становится необходимым все большему числу врачей различных специальностей.

Ксенотрансплантацией называется использование клеток или органов животных для трансплантации их людям (или животным других видов). Значительный интерес к этому методу вызван недостаточными ресурсами человеческих органов для трансплантации. Служба общественного здоровья США (The United States Public Health Service) включает в определение ксенотрансплантации любую процедуру трансплантации, имплантации, или введения людям-реципиентам (а) живых клеток, тканей или органов животных или (б) человеческих тканей, клеток или органов, которые вне организма были в контакте с живыми клетками, тканями или органами животных (http://www.fda.gov/cber/gdlns/xenophs0101.htm). Единый термин «трансплантационный продукт» сейчас охватывает все живые материалы для любой ксенотрансплантации. Продукты для ксенотрансплантации, полученные из живых клеток животных, в настоящее время изучаются в преклинических экспериментах и клинических испытаниях. У них есть большие потенциальные возможности в лечении болезней и восполнении недостатка в человеческих материалах. Реализация этого потенциала будет зависеть от успеха в преодолении иммунологических барьеров и предотвращении переноса инфекционных агентов (Chapman and Bloom 2001).

Клеточная и генная/белковая терапия

Клетки тесно связаны с генной терапией. Генная терапия может быть в широком смысле определена как введение в организм генетического материала (генетически модифицированных клеток, генов, ДНК) для регуляции работы генов. Клетки могут быть генетически модифицированы для выделения обладающих терапевтическим действием веществ, таких, как нейротрофические факторы – это одна из форм генной терапии. Иногда ее называют клеточной генной терапией. Клетки могут быть выделены у пациента, генетически модифицированы и снова возвращены ему при генной терапии, проводящейся вне организма. Генноинженерные клетки можно также использовать для производства использующихся для лечения белков, которые затем вводятся пациенту посредством инъекций.

Клеточная терапия и восстановительная медицина

Цель регенеративной медицины - восстановление функций организма, основанное на понимании биологических процессов – эмбриологии, органогенеза, передачи сигналов клетками, факторов роста и биологии стволовой клетки, – которые являются ключевыми в первоначальном формировании и нормальном функционировании органов и тканей. Это новая развивающаяся область биотехнологии, которая разрабатывает продукты, предназначенные для восстановления условий, благоприятных для роста клеток и тканей, и таким образом использования присущих организму способностей к восстановлению повреждений, возникших в результате болезней, травм и старости. В регенеративной медицине в целях восстановления структуры и функций тканей используются три стратегии: трансплантация клеток для формирования новой ткани в месте введения, имплантация биоискусственных тканей, сконструированных вне организма и индукция регенерации in vivo из здоровых тканей рядом с местом повреждения. Генную терапию тоже можно использовать для регенерации. Существуют огромные возможности возобновлять ткани при помощи естественных сигналов, контролирующих их рост. Новые методы лечения, основанные на этих знаниях, могут быть применены для широкого спектра неудовлетворенных потребностей современной медицины.

Клеточная терапия и тканевая инженерия

Тканевая инженерия – междисциплинарная область, в которой применяются принципы технических и биологических наук для создания биологических заменителей, которые восстанавливают, сохраняют или поддерживают функции тканей. В нее входит использование трансплантации клеток. Тканевую инженерию на клеточном уровне еще называют «клеточной инженерией», которая определяется как создание конструкций из клеток, часто в сочетании с неживыми компонентами, которые могут быть использованы для лечения болезней и дефектов или для дальнейшего развития науки.

Перед тканевой инженерией стоит множество проблем, эта междисциплинарная область требует для их разрешения совместных усилий врачей, специалистов в области клеточной биологии, в области медицинских материалов, химии и молекулярной биологии. Пример тканевой инженерии – имплантация хондроцитов для реконструкции суставов. Следующие цитаты показывают область применения тканевой инженерии:

«Все процедуры, которые восполняют утраченные ткани пациента, требуют определенного типа замещающих структур в области дефекта или повреждения. Эти приспособления традиционно были полностью искусственными (суставы), преобразованной неживой тканью (сердечные клапаны), или тканью из другого места, взятой у самого пациента или у других пациентов (трансплантация). Теперь клиницистам стала доступна новая альтернатива, тканевая инженерия: замена живых тканей живыми тканями, которые разработаны и сконструированы в соответствии с индивидуальными потребностями каждого пациента (Vacanti and Langer 1999)».

Типы клеток, страдающих при различных болезнях

Человеческий организм состоит более чем из 200 различных типов клеток. При обсуждении клинического применения клеточной терапии следует учитывать, какие клетки затронуты болезнью, как это сделано в табл.1-2. Это служит руководством к тому, какие типы клеток нужны, чтобы восстановить или заменить поврежденные болезнью. Некоторые виды клеток могут быть генетически модифицированы для генной терапии системных болезней.

Таблица 1-2. Примеры клеток, затрагиваемых различными болезнями

Болезнь

Тип клеток

Неврологические заболевания: инсульт, болезнь Паркинсона, повреждения спинного мозга

Нейроны

Сердечно-сосудистые заболевания: инфаркт миокарда, сердечная недостаточность

Кардиомиоциты

Инсулинзависимый диабет

Островковые клетки поджелудочной

Остеоартрит

Клетки хряща

Иммунные и гематологические болезни

Клетки крови

Ожоги и раны

Клетки кожи

Болезни печени: цирроз, гепатит

Гепатоциты

Остеопороз

Клетки кости

Мышечная дистрофия

Миоциты

Дегенерация желтого пятна

Клетки сетчатки

Преимущества терапевтического использования клеток

Преимущества использования клеток в терапевтических целях следующие:

· Клетки легко доступны

· Различные клеточные линии были использованы со следующими преимуществами: (1) клетки могут быть сохранены и получены, когда это необходимо (2) клеточные линии могут быть проверены на присутствие патогенных агентов и (3) к клеточным линиям могут быть применены методы переноса генов с рекомбинантной ДНК

· Клетки повышают эффективность и безопасность лечения, потому что они выделяют нужные вещества в нужном месте, что позволяет избежать токсичности, характерной для системного введения при использовании высоких доз

· Трансплантированные клетки могут в течение нескольких месяцев продолжать выделять терапевтические дозы различных веществ

· Трансплантированные клетки постоянно выделяют вещества с терапевтическим действием в количествах, которые регулируются по принципу обратной связи, что предотвращает нежелательные колебания концентрации этих веществ. Один из примеров этого – трансплантированные для лечения инсулинзависимого диабета островковые клетки выделяют инсулин в соответствии с изменениями концентрации глюкозы в крови.