Клеточная терапия при сахарном диабете
Сурен Закиян, Сергей Медведев
«Наука из первых рук» №1(61), 2015
Сурен Минасович Закиян — доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией эпигенетики развития Института цитологиии генетики СО РАН, заведующий лабораторией молекулярной и клеточной медицины Новосибирского научно-исследовательского института патологии кровообращения им. академика Е. Н. Мешалкина, заведующий лабораторией стволовой клетки Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Автор и соавтор 215 научных работ, 5 патентов и 3 монографий. |
Сергей Петрович Медведев — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск), ведущий научный сотрудник Новосибирского научно-исследовательского института патологии кровообращения им. академика Е. Н. Мешалкина. Автор и соавтор 14 научных работ. |
В работах, попавших в 2014 г. в прорывы по версии журнала Science, ученым удалось значительно продвинуться в разработке альтернативной терапии сахарного диабета 1-го типа, суть которой состоит в трансплантации больным так называемых бета-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин. До сих пор такие клетки получали из тканей эмбрионов или брали у доноров посмертно. Однако их использование сталкивалось с рядом проблем, от тканевой несовместимости до этических. Выход, предложенный учеными, заключается в пересадке больным зрелых бета-клеток, полученных в лабораторных условиях из стволовых недифференцированных клеток самого пациента либо обычных соматических клеток путем их «перепрограммирования». Для широкого применения этой технологии требуется решить проблему защиты трансплантата, поскольку диабет 1-го типа — это аутоиммунное заболевание, и новые бета-клетки будут также подвергаться атакам иммунной системы.
Сахарный диабет — самое распространенное эндокринное заболевание в мире: по данным Международной федерации диабета сегодня им страдает более 300 млн человек. Болезнь не обошла и семью Дугласа Мелтона, руководителя одной из исследовательских групп, занимающихся разработкой клеточной терапии диабета. Их работы вошли в список наиболее выдающихся научных достижений 2014 г. по версии журнала Science.
Сахарный диабет — болезнь, характеризующаяся стойким увеличением в крови концентрации глюкозы, — сегодня входит в тройку самых распространенных видов заболеваний. При диабете 2-го типа бета-клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе вырабатывают пептидный гормон инсулин, который регулирует уровень глюкозы в крови, но ткани организма теряют чувствительность к нему. Этот наиболее распространенный (до 80–90% случаев) тип сахарного диабета, который называют еще инсулинонезависимым, развивается преимущественно в пожилом возрасте и характеризуется относительно легким течением.
При диабете 1-го типа наблюдается аутоиммунное поражение бета-клеток поджелудочной железы, вырабатывающих гормон инсулин. Такой тип диабета приводит к полной пожизненной зависимости от инъекций инсулина — на данный момент это практически единственный способ терапии этого тяжелого заболевания. Больной должен постоянно следить за уровнем глюкозы в крови и в зависимости от «скачков» уровня глюкозы самостоятельно корректировать дозы инсулина. При этом в любом случае у больного развиваются осложнения: дисфункция почек и сердечно-сосудистой системы, поражение глаз (диабетическая ретинопатия), некротическое поражение тканей. Результатом является существенное снижение качества жизни больных, а зачастую инвалидность и ранняя смерть.
Говоря об альтернативной возможности терапии сахарного диабета, надо упомянуть о существовании достаточно успешной практики пересадки донорских бета-клеток. Их получают из тканей эмбрионального происхождения или берут у доноров посмертно. После такой трансплантации больной на несколько лет становится независимым от инъекций инсулина. Проблемы такого вида терапии связаны с качеством и количеством донорского материала, не говоря уже о тканевой несовместимости реципиента и донора. Ведь после пересадки больные вынуждены принимать препараты, подавляющие активность иммунной системы, к тому же через какое-то время все равно происходит отторжение трансплантата. Еще одно препятствие — проблемы этического характера, связанные с использованием тканей эмбрионов.
Выход из ситуации в принципе есть: бета-клетки поджелудочной железы можно получать in vitro (в лабораторных условиях) из клеточных культур. Их источником могут быть плюрипотентные стволовые клетки человека, т. е. «первичные» недифференцированные клетки, из которых происходят все клетки наших органов и тканей. Для получения бета-клеток можно использовать как стволовые клетки эмбрионов, так и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые получают из обычных соматических клеток взрослого человека путем их «перепрограммирования».
Технологии получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток известны и достаточно хорошо разработаны. Но вот получить из них зрелые бета-клетки гораздо сложнее, так как для этого необходимо буквально в чашке Петри воспроизвести сложнейшие процессы, происходящие во время эмбрионального развития человека, используя сигнальные молекулы и химические соединения, направляющие развитие клеток в нужную сторону.
В список выдающихся научных исследований прошлого года, опубликованный журналом Science, как раз и вошли работы двух исследовательских групп: из Гарвардского института стволовых клеток (США) и Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере (США) под руководством Д. Мелтона и из Университета провинции Британская Колумбия (Канада) и компании BetaLogics (США) под руководством Т. Кифера, посвященные технологиям получения in vitro бета-клеток поджелудочной железы (Pagliuca et al., 2014; Rezania et al., 2014). Взяв в качестве исходного материала стволовые клетки человеческого эмбриона, в итоге ученые получили клетки, проявляющие все основные качества бета-клеток. То есть в них «работали» определенные гены и присутствовали специфические белки, так что эти клетки были способны продуцировать инсулин в ответ на присутствие глюкозы. Пересаженные лабораторным мышам из чистой линии, служащей экспериментальной моделью сахарного диабета, эти клетки нормально функционировали и компенсировали первоначальное отсутствие инсулина!
Огромное преимущество этого метода в том, что с его помощью можно получать функционирующие бета-клетки в довольно большом количестве. В финале процесса из одного флакона для культивирования объемом 0,5 л можно получить до 300 млн клеток — этого числа вполне достаточно, чтобы компенсировать недостающий инсулин у одного человека весом около 70 кг. Или для проведения скрининга среди 30 тыс. отдельных химических соединений — потенциальных лекарственных веществ, если использовать клетки не по «прямому назначению», а для фармакологических исследований.
Безусловно, описанные технологии нуждаются в совершенствовании. В частности, необходима разработка детальных протоколов получения бета-клеток из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Это позволит не только в любой период жизни пациента и практически из любых клеток его собственного организма при необходимости получить необходимое количество бета-клеток, но и разрешит проблему иммунологической несовместимости донора и реципиента.
Однако остается другая проблема: поскольку диабет 1-го типа — это аутоиммунное заболевание, то новые бета-клетки будут опять атакованы иммунной системой, как когда-то свои «родные» клетки пациента. Поэтому пересаженные клетки надо научиться защищать! Только в этом случае подобное лечение может стать доступным и широко применимым, ведь использование иммунодепрессантов оправдано только в самых тяжелых случаях.
Сейчас разрабатываются разные варианты подобной защиты. Например, можно покрыть клетки специальным гидрогелем, однако в этом случае их будет гораздо труднее удалить из организма при необходимости. К тому же пока не существует способа воспрепятствовать их инкапсуляции (заключению в соединительнотканную оболочку) подобно другим чужеродным телам в организме, что перекроет пересаженным клеткам приток питательных веществ. Сейчас идет поиск химических веществ, пригодных для изготовления гидрогеля, который не будет вызывать такого эффекта.
Другое решение предложили конкуренты команды Мелтона — американская компания ViaCyte. Суть его в том, чтобы поместить пул незрелых бета-клеток внутрь тела в биологически совместимой оболочке: предполагается, что предшественники бета-клеток будут там постепенно созревать и успешно функционировать. Такое устройство уже создано; более того, в компании уже запустили первый этап клинических испытаний. Но хотя результаты аналогичных исследований на животных выглядят многообещающе, есть опасения относительно эффективности этого способа.
В любом случае, уже сейчас имеющиеся технологии внушают надежду, что проблема лечения сахарного диабета будет в скором времени решена. Использование бета-клеток, произведенных из стволовых клеток пациентов, даже при условии постоянного приема иммунодепрессантов может стать огромным облегчением для больных тяжелыми формами диабета, которые постоянно сталкиваются с опасными для жизни изменениями уровня сахара в крови.
Литература:
1. Pagliuca F. W., Melton D. A. How to make a functional β cell // Development. 2013. V. 140. № 12. P. 2472–2483. DOI: 10.1242/dev.093187.
2. Pagliuca F. W., Millman J. R., Gürtler M. et al. Generation of functional human pancreatic β cells in vitro // Cell. 2014. V. 159. № 2. P. 428–439. DOI: 10.1016/j.cell.2014.09.040.
3. Rezania A., Bruin J. E., Arora P. et al. Reversal of diabetes with insulin-producing cells derived in vitro from human pluripotent stem cells // Nat. Biotechnol. 2014. V. 32. № 11. P. 1121–1133. DOI: 10.1038/nbt.3033.
4. Ledford H. Stem-cell success poses immunity challenge for diabetes // Nature. 2014. V. 514. № 7522. P. 281. DOI: 10.1038/514281a.
Источник
Не секрет, что стволовые клетки имеют ряд уникальных особенностей, в том числе, способность давать начало всем специализированным тканям в организме. Теоретически стволовые клетки могут «починить» любой орган человеческого тела, пострадавший в результате травмы или болезни, и восстановить его нарушенные функции. Одной из наиболее перспективных областей их применения является лечение сахарного диабета 1 типа. Уже сегодня разработана действующая клиническая методика, которая базируется на использовании мезенхимальных стромальных клеток. С их помощью удается остановить прогрессирующее разрушение островков поджелудочной железы и в ряде случаев восстановить естественный синтез инсулина.
Сахарный диабет 1 типа часто называют инсулинозависимым, подчеркивая таким образом, что пациент с этим диагнозом нуждается в инъекциях инсулина. Действительно, при сахарном диабете 1 типа поджелудочная железа вырабатывает недостаточное количество инсулина – гормона, который необходим клеткам организма, чтобы усваивать глюкозу.
На сегодняшний день сахарный диабет 1 типа признан аутоиммунным заболеванием. Это означает, что его возникновение обусловлено сбоем в работе иммунной системы. По неустановленной причине она начинает атаковать и разрушать бета-клетки поджелудочной железы, вырабатывающие инсулин. Процесс разрушения носит необратимый характер: со временем число функционирующих клеток неуклонно сокращается, а синтез инсулина снижается. Именно поэтому больные сахарным диабетом 1 типа вынуждены постоянно получать инсулин извне и фактически обречены на пожизненное лечение.
Инсулинотерапия, которую назначают пациентам, сопровождается рядом побочных эффектов. Даже если не принимать во внимание дискомфорт и боль, связанные с постоянными инъекциями, а также необходимость соблюдать диету и питаться в строго определенные часы, серьезной проблемой является подбор точной дозы инсулина. Его недостаточное количество приводит к повышению уровня глюкозы в крови, а передозировка опасна вдвойне. Несбалансированная доза инсулина может вызвать гипогликемию: резкое падение уровня сахара, которое сопровождается помутнением или потерей сознания вплоть до наступления комы.
Как можно вылечить сахарный диабет 1 типа?
Регулярные инъекции инсулина, которые пожизненно получает больной сахарным диабетом 1 типа, строго говоря, не являются лечением. Они лишь восполняют дефицит природного инсулина, но не устраняют причину болезни, поскольку не влияют на аутоиммунный процесс. Иными словами, бета-клетки поджелудочной железы продолжают разрушаться даже на фоне терапии инсулином.
Теоретически если сахарный диабет 1 типа был обнаружен на самом начальном этапе (например, у маленького ребенка на стадии предиабета), существует возможность при помощи лекарств подавить воспалительную аутоиммунную реакцию. Таким образом, в организме сохранится некоторое количество жизнеспособных бета-клеток, которые продолжат продуцировать инсулин. Но, к сожалению, у большей части больных к моменту постановки диагноза основная масса бета-клеток уже не функционирует, поэтому такое лечение далеко не всегда эффективно.
В последние десятилетия предпринимались попытки вылечить диабет 1 типа при помощи трансплантации островков поджелудочной железы, содержащих бета-клетки, или всей железы целиком. Однако этой методике присущи серьезные недостатки. В первую очередь, трансплантация является технически сложной и небезопасной процедурой. Кроме того, существенные проблемы связаны с получением донорского материала для пересадки. К тому же, чтобы избежать отторжения трансплантата, пациенты вынуждены постоянно принимать препараты, подавляющие иммунитет.
Значит ли это, что диабет 1 типа неизлечим?
Действительно, диабет 1 типа считается неизлечимым заболеванием. Однако в последние годы был сделан ряд важных открытий и разработаны принципиально новые способы терапии сахарного диабета. Одна из них – биологическая терапия с использованием мезенхимальных стромальных клеток. Ее, в частности, успешно практикует израильский профессор Шимон Славин.
Профессор Шимон Славин
Профессор Шимон Славин, директор международного медицинского центра Biotherapy International, пользуется мировой известностью, благодаря своим научным и клиническим достижениям. Он является одним из создателей методики иммунотерапии рака и фактически положил начало регенеративной медицине – терапии системных заболеваний при помощи стволовых клеток. В частности, профессор Славин был одним из разработчиков инновационной концепции терапии сахарного диабета с использованием мезенхимальных стромальных клеток.
Речь идет о так называемых мезенхимальных стромальных клетках (МСК), которые получают из костного мозга, жировой ткани, пуповинной (плацентарной) ткани. МСК являются одной из разновидностей стволовых клеток и служат предшественниками многих тканей человеческого организма. В частности, в результате деления и специализации МСК могут превращаться в полноценные бета-клетки, способные секретировать инсулин.
Введение МСК фактически запускает заново естественный процесс выработки инсулина. Кроме того, МСК обладают противовоспалительной активностью: они подавляют аутоиммунную реакцию, направленную против собственных тканей поджелудочной железы, и тем самым устраняют причину сахарного диабета 1 типа.
Что представляют собой мезенхимальные стромальные клетки (МСК)?
Тело человека состоит из различных органов и тканей, каждая из которых характеризуется своими уникальными свойствами. Например, клетки, входящие в состав нервной ткани, отличаются по своему строению и функциям от мышечных волокон, а те, в свою очередь, от кровяных телец. При этом все клетки организма происходят от универсальных клеток-прародительниц – стволовых клеток.
Стволовые клетки подразделяются на несколько подвидов, но всех их объединяет общее качество – способность к многократному делению и дифференцировке. Под дифференцировкой понимают «специализацию» – развитие стволовой клетки в определенном направлении, в результате которого формируется та или иная ткань человеческого тела.
Небольшие количества мезенхимальных стромальных клеток (МСК) содержатся в костном мозге и жировой ткани. Их также можно выделить из пуповинной (плацентарной) ткани. В результате дифференцировки МСК образуются клетки хрящевой, костной и жировой ткани, а также из них получают бета-клетки поджелудочной железы, секретирующие инсулин. В ходе многочисленных научных экспериментов было доказано, что МСК обладают противовоспалительным эффектом за счет воздействия на Т-лимфоциты. Это свойство МСК в сочетании со способностью давать начало бета-клеткам открывает широкие возможности их клинического применения при сахарном диабете 1 типа.
Когда терапия МСК особенно эффективна?
Биологическая терапия при помощи МСК – инновационный метод лечения, поэтому окончательные и однозначные выводы о его эффективности делать еще рано. Но можно с уверенностью утверждать, что МСК подавляют активность Т-лимфоцитов – клеток иммунной системы, играющих ключевую роль в разрушении тканей поджелудочной железы. Поэтому крайне целесообразно назначать их пациентам на стадии предиабета или когда часть бета-клеток еще сохранила жизнеспособность и, несмотря на недостаточность инсулина, его синтез все же не прекратился полностью.
Насколько безопасна терапия МСК?
Терапию МСК получили более 550 пациентов с различными заболеваниями, в том числе, люди с сахарным диабетом 1 и 2 типа, и у кого из них не наблюдалось опасных побочных эффектов. В целом, более чем 10-летний опыт терапии и эксперименты на животных моделях позволяют утверждать, что МСК безопасны.
Могут ли МСК вызвать рак?
Как любое новое открытие, терапия МСК порождает массу слухов и домыслов, большинство из которых не имеют ничего общего с действительностью. Чтобы развеять популярные заблуждения, прежде всего, необходимо обозначить принципиальное различие между МСК и эмбриональными стволовыми клетками.
Эмбриональные стволовые клетки действительно опасны, а их трансплантация практически всегда вызывает рак. Однако МСК не имеют с ними ничего общего. Эмбриональные стволовые клетки, как и следует из их названия, получают от эмбриона – зародыша на ранних стадиях внутриутробного развития или из оплодотворенных яйцеклеток. В свою очередь, мезенхимальные стволовые клетки выделяют из тканей взрослого человека. Даже если их источником служит пуповинная (плацентарная) ткань, которую собирают после рождения ребенка, поэтому полученные стромальные клетки формально являются взрослыми, а не молодыми, как эмбриональные.
В отличие от эмбриональных стволовых клеток, МСК не способны к неограниченному делению и поэтому никогда не вызывают рак. Более того, по некоторым данным они даже обладают антираковым эффектом.
3730 просмотров
Источник