Давайте подробнее остановимся на механизмах синтеза и распада, которые происходят в организме, на том, как и чем эти механизмы регулируются. Для этого к нашей структуре соподчиненных термодинамических сфер мы добавим принцип самообновления форменных элементов. Его работа обусловлена гармоничным взаимодействием механизмов синтеза и распада.
Механизм синтеза
Механизм синтеза обусловлен функционированием стволовых клеток, которые присутствуют во всех органах и тканях и при делении образуют новые элементы. В связи с этим я остановлюсь чуть подробнее, но не вдаваясь в цитологические тонкости (дабы не упустить общую картину), на том пути, который проходит мультипотентная стромальная стволовая клетка (МССК), поэтапно делясь под воздействием факторов роста, других биорегуляторов и изменяющихся условий внешней среды.
Молекулярные механизмы, управляющие дифференцировкой МССК, до сих пор остаются одной из самых неисследованных тем.
Некоторые коллеги предлагают двухстадийную модель дифференциации МССК: от стволовых клеток до клеток, идущих по пути дифференциации. На стадии стволовых клеток происходит асимметричное деление МССК, в результате которого образуются две клетки, одна из которых сохраняет стволовую функцию, а вторая вступает на путь дифференциации в виде плюрипотентного клеточного предшественника. Деление происходит при наличии какого-либо фактора роста, так как ММСК в подавляющем большинстве пребывают в состоянии генетической блокировки. Клетка-предшественник в свою очередь претерпевает целый ряд симметричных делений, образуя при этом внушительный набор трипотентных и бипотентных предшественников.
Сам процесс деления на этой фазе не сопровождается слишком серьёзными фенотипическими изменениями, и поэтому эти этапы объединяют в стадию стволовых клеток.
Когда же бипотентные клетки начинают делиться дальше, появляются унипотентные предшественники, и начинается этап деления клеток, идущих по пути дифференциации, так как на этом этапе унипотентные предшественники приобретают фенотипические характеристики клеток того типа, в который они должны дифференцироваться. Далее унипотентные клетки становятся источниками полностью дифференцированных клеток.
Один из наиболее изученных примеров представляет собой каскад биопроцессов, представляющих собой остеогенез. Асимметричное деление ММСК дает начало раннему остеопредшественнику, который в свою очередь, двигаясь по пути дифференциации, преобразуется в позднего остеопредшественника, преостеобласт, остеобласт и, в конечном итоге, в остеоцит.
Все эти преобразования сопровождаются активацией и дезактивацией целого ряда клеточных биорегуляторов (Cbfa1/Runx2, Msx2, Dlx5, Osx) и экспрессией маркеров остеосинтеза: остеопонтина, коллагена I типа, щелочной фосфатазы, костного сиалопротеина, остеокальцина и других. Нарушение регуляторного контроля на любой стадии этого процесса приводит к задержкам в дифференциации, что в итоге приводит к формированию функционально неполноценных остеобластов.
Гипотеза существования «мезенхимальных стволовых клеток», сформулированная еще в конце ХХ-го столетия, опирается непосредственно на базис знаний, полученных в работах А. Я. Фриденштейна, о преобразовании клональных стромальных клеток костного мозга в скелетные ткани. Но, накопленная на сегодняшний день информация о постнатальных стволовых клетках соединительных тканей, создала предпосылки для появления новой интересной идеи, согласно которой предполагаемые «мезенхимальные стволовые клетки» являются общими прародителями всех негемопоэтических производных мезодермы, а не только скелетных тканей; и, хотя они были обнаружены в костном мозге, источниками МССК могут являться и другие органы и ткани.
Развитие скелетных и мышечных тканей в эмбриогенезе не предполагает наличия общего предшественника и существование постнатальных клеток с одновременно мышечным и скелетным потенциалом и не может быть объяснено с точки зрения биологии развития. К тому же существование различных предшественников мышечных и скелетных тканей подтверждается многими попытками индукции миогенной дифференцировки МССК, большая часть из которых оказались либо неудачными, либо недостаточно эффективными.
Анализ литературы по данной тематике не позволяет понять теоретических основ такой дифференцировки для культур любых МССК. С другой стороны, есть достаточное количество публикаций, в которых показана миогенная дифференцировка МССК. Существенная часть этих работ посвящена формированию из МССК кардиомиоцитов. В частности, для МССК показана направленная дифференцировка в кардиомиобласты ДНК-деметилирующими агентами (5-азацитидин), совместным культивированием и добавлением кардиомиогенных дифференцирующих сред. При культивировании МССК с кардиомиоцитами и добавлением среды, которую продуцируют кардиомиоциты, было показано, что для запуска процесса миогенной дифференцировки необходим прямой контакт клетка-клетка, а вот присутствие цитоиндукторов является недостаточным условием.
Эта идея получила развитие в работах, выполненных на ММСК из жировой ткани. Данные работы убедительно показали, что при обработке культур клеток МССК из костного мозга 5-азацитидином изменяется структура межклеточных взаимодействий. Клетки начинают объединяться, образуя миотубоподобные структуры. Через неделю возникают процессы спонтанного сокращения, а уже через три недели процессы сокращения удивительным образом синхронизируются. Образовавшиеся структуры положительно метятся антителами против миозина, десмина и актина. Спонтанная дифференцировка МССК из немышечных тканей в клетки скелетных мышц в литературе не описана. Это наводит на мысль, что к миодифференцировке способны не все, а лишь определенная часть популяций МССК, для которых миогенный путь развития является наиболее преимущественным.
Тесты in vitro, проводимые при воздействии на культивируемые клетки искусственных гуморальных сигналов, а затем выявление специфических маркеров, не представляют четкой аналогии с гистологической картиной, наблюдаемой в ткани при дифференциации клеток в естественных условиях. С другой стороны, используются способы, цель которых показать спонтанное перепрограммирование судьбы клетки под действием случайного набора факторов, присутствующих в среде. Оба способа изменения программы преобразования клетки являются в равной степени важными биологическими феноменами. Однако они радикально отличаются как теоретически, так и экспериментально.
В каждом случае принципиально важно, является ли вводимый индуктор специфическим химическим сигналом, запускающим перепрограммирование судьбы клетки или эффект от его воздействия связан со спонтанной дифференцировкой из-за далеких от оптимальных ростовых условий опытной среды. Возможность спонтанной дифференцировки является характеристикой данной культуры и представляет собой преобразование клетки в пределах дифферона, а не перепрограммирование ее судьбы.
Принятый ранее взгляд на дифференциацию как на ряд последовательных клеточных изменений на пути к окончательно дифференцированной клетке был подвергнут пересмотру, поскольку стволовые клетки взрослого организма оказались способны в определенных условиях дифференцироваться в клеточные типы, отличные от тех, что встречались в тканях, из которых эти клетки были выделены.
