Биофизика познает рак

Акоев Инал Георгиевич

Регуляция размножения и дифференцировки кроветворных клеток

В связи с успехами исследования процессов кроветворения и функциональных возможностей стволовых клеток при использовании метода селезеночных колоний и культур на полутвердых средах и других методов представления о регуляции путей их пролиферации и дифференцировки существенно изменились.

Экспериментально подтвердилось существование единой полипотентной стволовой клетки, способной к дифференцировкам по всем направлениям гемопоэза, включая лимфопоэз (рис. 3). Казалось бы, это непосредственно доказывает правильность исходного положения о конкуренции различных ростков кроветворения за направление дифференцировки стволовой клетки в соответствии с потребностями организма. Однако вопрос оказался значительно сложнее.

Наряду с исходной полипотентной стволовой кроветворной клеткой могут существовать и обладающие стволовыми

свойствами предшественники, коммитированные (т. е. ограниченные к выбору направления дифференцировки) предшественники двух типов — миелопоэза и лимфопоэза. Это первое и главное разделение направлений возможной дифференцировки единой полипотентной стволовой клетки. Как осуществляется регуляция выбора дифференцировки — в сторону миелопоэза или лимфопоэза, не очень ясно.

Стволовые клетки, коммитированные в сторону лимфопоэза, дифференцируются сначала в общих, а затем в раздельных предшественников Т- и В-лимфоцитов, из которых через ряд промежуточных стадий образуются Т-лимфоциты (приобретая определенные клеточные рецепторы) и В-лимфоциты (приобретая рецепторы к комплементу, к фрагментам и комплексам иммуноглобулинов и комплексам антиген—антитело). Кроме того, из них образуются плазматические клетки. Лимфопоэз наименее изучен. До сих пор неясно, имеются ли в лимфоцитарном ряду клетки, не способные к пролиферации. Среди лимфоидных клеток трудно определить принадлежность их к пролиферирующему, созревающему или функциональному пулам, так как возможны взаимные перекрытия.

Стволовые клетки, коммитированные в сторону миелопоэза, в дальнейшем через поэтинчувствительные предшественники разделяются на три ростка: эритроцитарный, гранулоцито-макрофагальный и тромбоцитарный.

В эритроцитарном направлении выявлено несколько промежуточных клеток (в том числе и бурстообразующая клетка) между общим предшественником миелопоэза и эритропоэтинчувствительными клетками. Последующие морфологически различаемые клетки относятся к проэритробласту, трем видам эритробластов, ретикулоциту и зрелому эритроциту. Обычно происходит 5—6 митозов в морфологически различимых клетках, и каждый эритробласт дает 30—60 эритроцитов. Эритробласты теряют способность к делению, как только в клетке накопится 27 нг гемоглобина. В случае замедления синтеза гемоглобина увеличивается число делений эритробластов. Из одной полипотентной стволовой клетки, начавшей дифференцировку в сторону миелопоэза, может образоваться около 1 млн эритропоэтинчувствительных клеток и около 0,1 млн клеток — предшественников гранулоцитов и макрофагов.

Рис. 3. Основные пути дифференцировки полипотентной стволовой клетки, клеточные формы и их главные функции

Рис. 4. Возможные пути регуляции пролиферации и дифференцировки полипотентных стволовых клеток в соответствии с запросами организма

Развитие гранулоцито-макрофагального направления миелопоэза проходит на стадии образования клеток, дающих колонии на полутвердых средах (KOE_K), кластерообразующих клеток и предшественников гранулоцитов и моноцитов-макрофагов. Последующие клетки морфологически различимы. Миелобласт нейтрофильный далее дает клетки гранулоцитарного ряда (эезинофил), нейтрофильного ряда (нейтрофил) и базофильного ряда (базофил и тучная клетка).

Монобласт дает моноциты, макрофаги, гистиоциты, купферовы клетки печени и остеокласты. Клетки моноцитопоэтического ряда объединены в систему фагоцитирующих мононуклеаров как способные к фагоцитозу и осуществляющие в норме функции клеточного фагоцитоза. Ранее входившие вместе с указанными клетками в ретикуло-эндотелиальную систему ретикулярные клетки и эндотелиальные клетки исключены из системы фагоцитирующих мононуклеаров как являющиеся лишь факультативными фагоцитами, не имеющими рецепторов для иммуноглобулинов и не способными к иммунному фагоцитозу. Клетки же системы фагоцитирующих мононуклеаров в процессе дифференцировки приобретают рецепторы для иммуноглобулинов и комплемента и становятся способными к активному иммунному фагоцитозу.

Тромбопоэтинчувствительные клетки формируют морфологически различимые клетки: мегакариобласт, промегакариоцит и тромбоциты. Для предшественников характерны 4—5 эндомитозов.

Таким образом, по современным данным, клетки костного мозга, способные к делению, можно условно разделить на морфологически различимые клетки, как правило способные к очень ограниченному числу делений (4—8 делений), и на морфологически неразличимые клетки, выявляемые лишь по способности их давать колонии в селезенке облученных мышей или пролиферировать на полутвердых средах (и другими методами), способные к чрезвычайно активной пролиферации. Число делений, которые может совершить полипотентная стволовая клетка, на порядок больше, чем для морфологически различимых клеток. В норме их в костном мозге лишь около 0,5% от числа всех клеток. Однако достаточно сохраниться 0,1% стволовых клеток после сильного радиационного воздействия, чтобы обеспечить восстановление нормального пула стволовых клеток и резкое повышение дифференцировки клеток в последующих отделах.

При нормальном кроветворении абсолютное большинство стволовых клеток находится вне клеточного цикла (период G₀ или длительный период G₁). Стабильное поддержание величины отдела стволовых клеток обеспечивается небольшой долей клеток, вступивших в митотический цикл. В случае уменьшения отдела стволовых клеток в пролиферацию может вовлекаться вся популяция сохранившихся стволовых клеток. При этом время удвоения популяции стволовых клеток оказывается очень коротким, порядка 15—20 ч. По данным ряда авторов, укорочение или удлинение стадии G₁ стволовых клеток соответственно сопровождается пролиферацией (т. е. оставлением в пуле стволовых клеток) или дифференцировкой (т. е. уходом в последующие отделы).

Следовательно, основной вклад в восполнение дефицита клеточности костного мозга вносит пролиферация морфологически неразличимых клеток и потому исследование регуляции их численности и регуляции выбора направления дифференцировки является чрезвычайно важным. К сожалению, в этих вопросах еще очень много неясного.

Как решается для стволовых клеток первый выбор направления дифференцировки (в сторону лимфопоэза или миелопоэза), тоже неясно. По многочисленным данным, в опытах на собаках и обезьянах аллогенная кроветворная ткань вызывала появление огромного количества лимфоцитов, специфически иммунных против реципиента, при полной или частичной блокаде остального кроветворения. Следовательно, возможно переключение части стволовых клеток с эритроидного на лимфоидный путь дифференцировки. Характер дифференцировки кроветворной ткани в условиях трансплантации указывает на конкуренцию миелоидных и лимфоидных клеток за общий предшественник. У полицитемических радиохимер, у которых снижен эритропоэз, ускоряется восстановление лимфопоэза. Приведенные нами данные о существенной задержке пострадиационного восстановления числа лимфоцитов в крови человека в период, когда эритропоэз напряжен, также свидетельствуют о конкурентных отношениях ростков кроветворения. Об этом непосредственно говорит и проведенное нами изучение соотношений в морфологически различаемых клетках разных ростков костного мозга у облучавшихся собак.

Тем не менее некоторыми учеными предполагается, что направление дифференцировки стволовых клеток или закреплено генетически постоянно, или осуществляется стохастически, в обоих случаях — независимо от запросов организма. Возможным доказательством этого может служить одно и то же распределение маркерных клеток по разным росткам гемопоэза при изменении общих запросов организма.

В связи с изложенным, вероятно, более правильно считать существование конкурентных отношений между ростками кроветворения за преимущественную продукцию конечных зрелых форм клеток, а не примат дифференцировки полипотентной стволовой клетки в тот или иной росток гемопоэза. При этом влияние дальнодействующей для гемопоэза регуляции с целью реакций на запросы организма в экстремальных ситуациях может осуществляться не только через поэтинподобные регуляторы, но и через микроокружение в локальных участках гемопоэтических тканей, которое может зависеть также от запросов организма. Эритропоэтин для красного ростка и колониестимулирующий фактор для гранулоцитарного ростка стимулируют пролиферацию клеток и укорачивают средний период генерации клеток. При этом удлинение или укорочение стадии G₁ клеточного цикла может определять уход клеток в пролиферацию или дифференцировку (рис. 4). В случае вступления клетки в деление сокращается генерационный цикл и клетка не успевает осуществить дифференцировку. Пролиферация прекращается, как только весь объем микроокружения окажется занятым стволовыми клетками.

Таким образом, исследования реакции отдела стволовых клеток на экстремальные воздействия и пострадиационные изменения гемопоэза позволили показать ряд общих закономерностей в реакции этой системы на экстремальные воздействия и в процессах последующего восстановления.

Влияние запросов организма на гемопоэз осуществляется дальнодействующей регуляцией посредством гуморальных факторов. Поэтому следует кратко рассмотреть отдельные радиационные изменения со стороны эндокринной и других систем организма.