CC BY
23
УДК 617.7 ББК 56.7
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В ТЕРАПИИ ГЛАЗНЫХ
БОЛЕЗНЕЙ
НИКОЛЕНКО Е.С. ФГБОУВО ЮУГМУМинздрава России, Челябинск, Россия e-mail: nikolenkokate@yandex.ru
Аннотация
Исследования со стволовыми клетками - одно из современных направлений биомедицины. Благодаря своим уникальным биологическим свойствам, данные клетки нашли применение во многих областях медицины, в том числе в офтальмологии. В статье рассмотрены перспективы применения стволовых клеток в терапии глазных болезней.
Ключевые слова: стволовые клетки, офтальмология, глазные болезни, роговица, сетчатка, хрусталик.
Актуальность. Заболевания глаз - очень распространенная в мире проблема. Любое нарушение зрения снижает качество жизни и независимость человека, что усугубляется ограничением перспективы карьерного роста. Данные проблемы сильно мотивируют исследователей на поиски новых способов восстановления и сохранения зрения.
Глаз человека - уникальный оптический орган, объединяющий в своей структуре ткани нейроэктодермального, эктодермального и мезодермального происхождения [3]. Дефекты и потеря функции любой из этих тканей способны привести к слепоте. Сегодня орган зрения пока что относится к "пионерам" в отношении клеточной терапии большого спектра глазных болезней, сопровождающихся потерей клеток, и в будущем представляется очень перспективным направление комбинации клеточной и генной терапии
офтальмологических заболеваний. Стволовые клетки (СК) - это живые клетки, которые способны делиться без ограничений во времени и превращаться в любую из тканей организма. Регенеративная медицина сегодня находится на пути к революции в лечении многих офтальмологических заболеваний, приводящих к слепоте, включая заболевания роговицы, катаракту, глаукому, пигментный ретинит и возрастную дегенерацию желтого пятна. Таким образом, применение стволовых клеток в офтальмологии - очень многообещающее и актуальное направление медицины будущего [2].
Цель работы. Изучить и охарактеризовать клиническое состояние регенеративной медицины в плане применения стволовых клеток в офтальмологии, сделать обзор наиболее перспективных доклинических исследований, рассмотреть существующие проблемы и заглянуть в "будущее", предсказав возможные направления развития клеточной терапии глазных болезней.
Материалы и методы. В ходе исследования были проанализированы разные доступные источники литературы, в том числе зарубежные. На их основе была проведена сравнительная характеристика сведений и подведение результатов с написанием данной статьи.
Результаты исследования. Стволовые клетки - это аппарат клеточного гомеостаза, основанного на постоянном самообновлении клеток, смены устаревших, отработавших клеток с целью защиты от накопления аномальных клеток и преждевременного старения. Дисбаланс активности
самообновления клонов СК в паренхиме органов является первопричиной многих патологий на клеточном уровне [2]. Линии СК характеризуются выраженной биохимической гетерогенностью, широким профилем цитокинов, ростовых факторов, а также репертуаром химической дифференцировки [3]. Пересадки СК, ускоряя самообновление клеток, способствуют элиминации патологически измененных клеток из организма, способны к альтернативной дифференцировке и встраиванию в ткани реципиента. Особый интерес в использовании СК при лечении
различных заболеваний представляет возможность стимуляции пролиферативного потенциала собственных запасов стволовых пространств.
В офтальмологии широкое применение находит применение лимбальных и мезенхимальных стволовых клеток.
Уникальность стволовых клеток заключается в способности к делению, в результате которого образуется одна клетка, обладающая всеми свойствами стволовой материнской клетки, и другая, запрограммированная на превращение в необходимую специализированную клетку организма, и которая впоследствии будет играть ведущую роль в самообновлении стареющего клеточного состава органа [18]. Кроме того, стволовые клетки "поставляют" в организм особую группу биологически активных веществ, активирующих собственные стволовые клетки страдающего органа, а также регулируют работу иммунной системы [2].
Роговица - это "окно" визуальной системы. Утрата целостности и прозрачности роговицы приводит к снижению остроты зрения [9]. На сегодняшний день доказано применение стволовых клеток, которое способствует восстановлению функции в каждом из трех основных слоёв роговицы: в поверхностном эпителии, строме и внутреннем эндотелии. Эпителий роговицы представляет собой самообновляющуюся ткань, которая
"поддерживается" стволовыми клетками, локализованными на периферическом лимбе, локализованном между роговицей и склерой. Склеро-роговичный лимб представляет собой так называемую переходную область глаза в форме кольца, он окружает роговицу и соединяет ее с окружающей конъюнктивой [5]. В данной области глаза были обнаружены прогениторные клетки, которые обладают миграционным потенциалом по направлению от периферии к центру роговицы [4]. Кроме роговичного лимба, прогениторные клетки были обнаружены в сосудистой оболочке глаза и в сетчатке [2].
В настоящее время доказана роль лимбальной зоны глаза в качестве хранилища пула СК, ответственных за регенерацию и самообновление роговицы в течение всей жизни. Установлено, что эти клетки располагаются в базальном слое лимбального эпителия и обладают всеми свойствами стволовых [13, 15, 17]. Согласно имеющимся данным, потеря эпителиальных клеток
роговицы восполняется за счет новых эпителиальных клеток, являющихся
производными лимбальных стволовых клеток [13]. Однако некоторые патологические состояния или травмы ведут к частичной или полной лимбальной клеточной
недостаточности, что является причиной нарушения нормального механизма замещения роговичного эпителия.
Таким образом, стволовые клетки лимба могут регенерировать поврежденный эпителий и способствовать восстановлению
фоточувствительности, тем самым обеспечивая эпителиальный гомеостаз [5, 17]. Однако в ряде случаев, сопровождающихся повреждением, потерей и нарушением функции лимбальных стволовых клеток (ЛСК), может возникнуть дефицит или полное отсутствие ЛСК, что в конечном итоге приводит к отслоению роговичного эпителия. К примеру, это встречается при термических или химических ожогах, глазных травмах, при применении контактных линз, способствующих
постоянному повреждению роговицы, при глазном пемфигоиде, синдроме Стивенса-Джонсона. При этом возникает повышенная чувствительность к свету, развиваются воспалительные реакции, роговица теряет характерную ей физиологическую
прозрачность, и в конечном итоге наступает слепота [15, 17].
Инновационный метод восстановления поврежденных поверхностей глаза при заболеваниях, сопровождающихся дефицитом стволовых клеток, - биореплантация ex vivo культивированных ЛСК [2].
Масштабные работы по применению лимбальных стволовых клеток в офтальмологии провели итальянские ученые, в результате которого у 76 % пациентов вернулось зрение. Исследование доказывает безопасность и эффективность применения ЛСК в клинической практике. Метод заключается в культивировании оставшегося неповрежденным фрагмента ткани глаза на подложке из модифицированного фибрина и его последующей трансплантации. Готовым к трансплантации считается фрагмент ткани, содержащий не менее 3000 стволовых клеток [13]. В конце декабря 2014 года данная методика была одобрена Европейским медицинским агентством и разрешена к применению под названием "Holoclar", заключающейся в использовании собственных СК пациента в
терапии глазных болезней. В первую очередь "Но1ос1аг" был рекомендован к применению в качестве лекарственного препарата для терапии дефицита лимбальных стволовых клеток высокой степени [19].
Ещё один большой прорыв совершил Т. Какашига с коллегами в 2003 году. Им удалось скомпенсировать недостаток лимбальных стволовых клеток, выделив СК из слизистой оболочки полости рта и введя их в качестве аутографта в эпителий роговицы кролика [17].
В настоящее время около 250 человек уже прошли такое лечение, когда лимбальные клетки выращиваются из клеток, взятых из слизистой оболочки ротовой полости самого пациента, а затем пересаживаются в роговицу. Примерно у 75% больных восстановилось зрение, а болевой синдром был купирован [1, 2].
Кроме того, сейчас активно ведутся работы по преобразованию СК ткани зубов мудрости в кератоциты роговицы. Учёные убеждены, что в недалёком будущем СК, выделенные из ткани зубов, заменят доноров роговицы и возглавят существующие способы лечения слепоты, этиологически обусловленной поражением данного тканевого слоя глаза [2].
Также в офтальмологии ведутся исследования по применению мезенхимальных стволовых клеток (МСК) [6, 8, 10, 11, 12, 14, 16, 20]. Мезенхимальные стволовые клетки происходят из клеток мезенхимы эмбриона и являются примитивными клетками-
предшественниками различных типов биологических тканей - хрящевой, жировой, костной, а также органоспецифических клеток [7]. Данные клетки способны
дифференцироваться в ганглионарные клетки сетчатки, фоторецепторные клетки, глиальные клетки и нейроноподобные клетки. Мезенхимальные стволовые клетки
секретируют различные нейротрофические факторы и факторы роста клеток, что предполагает возможности применения этих клеток в терапии дегенерации сетчатки глаза [11]. Основные источники получения мезенхимальных стволовых клеток - костный мозг и жировая ткань [2].
На основании проведённых исследований была доказана способность данных клеток, полученных из костного мозга, дифференцироваться в специфические кератоциты роговицы [8]. Группа учёных во главе с У. Ке при введении моделированным лабораторным животным с ожогами сетчатки
аутологичных мезенхимальных стволовых клеток, полученных из костного мозга, продемонстрировала значительное
восстановление эпителия роговицы,
уменьшение воспалительных реакций, неоваскуляризацию и увеличение синтеза цитокинов, подавляющих воспалительный процесс [10].
Кроме того, было доказано, что внутривенное введение в организм лабораторного животного аутологичных мезенхимальных стволовых клеток из костного мозга оказывает иммуносупрессивное действие, что может применяться при трансплантации донорской роговицы в качестве профилактики развития реакции отторжения трансплантанта [16].
Помимо этого, группе испанских учёных удалось успешно применить мезенхимальные стволовые клетки, полученные из жировой ткани, при лечении синдрома сухого глаза на смоделированном лабораторном животном [20].
Также в 2014 году учёные из Бразилии продемонстрировали модель применения МСК при лечении ряда неврологических заболеваний, таких как диабетическая ретинопатия и глаукома, заключающееся в способности стволовых клеток к восстановлению разрушенного зрительного нерва [14].
В литературных источниках также имеются сведения об улучшении толщины и прозрачности роговицы при трансплантации к её задней поверхности желатиновой мембраны с культивированными на ней мезенхимальными стволовыми клетками, полученными из костного мозга [21].
Но и на этом исследования учёных не заканчиваются. Так, учитывая, что одной из ведущей причиной слепоты в мире является катаракта, которая лечится хирургически с удалением помутневшего хрусталика и последующей имплантацией искусственной интраокулярной линзы, многие исследователи занимаются изучением возможности применения стволовых клеток в терапии помутнения хрусталика.
Известно, что основная масса хрусталика образована белком кристаллином, заключённым в обновляющиеся эпителиальные клетки. Их обновление происходит благодаря резерву эпителиальных стволовых клеток хрусталика.
При катаракте молекулы кристаллина денатурируются, поэтому при проведении операции помутневший хрусталик подлежит удалению. И в любом случае хирургическая
операция сопровождается нарушением целостности капсулы хрусталика, в результате чего теряется часть эпителиальных стволовых клеток хрусталика, а те, которые остаются, начинают пролиферировать и расти неупорядоченно, что приводит к нарушению структурности: новообразованные клетки с кристаллином выстраиваются иначе [19].
На основании этого исследователи из Калифорнийского университета и Университета Сунь Ятсена описали способ удаления необходимой части хрусталика без повреждения собственных эпителиальных стволовых клеток. Сущность методики заключается в удалении помутневшего хрусталика изнутри через крошечный разрез и, соответственно, сохранении внешней капсулы хрусталика, которая усыпана эпителиальными стволовыми клетками, невредимой.
По мнению исследователей, после операции, проведённой по данной технологии, хрусталик впоследствии способен самостоятельно восстановиться посредством трансформации стволовых клеток. После успешных экспериментов на лабораторных животных авторы работы провели небольшое клиническое исследование, прооперировав новым способом 12 детей в возрасте до двух лет: ученые удалили помутневшие хрусталики и попытались восстановить их, стимулируя активацию стволовых клеток. В качестве контрольной группы выступили дети, прооперированные обычным способом. В результате у детей контрольной группы качество линзы было хуже и, кроме того, послеоперационный период зачастую сопровождался развитием воспалительного процесса, и возрастал риск повышенного внутриглазного давления. Зато у детей, прооперированных по новой предложенной методике, побочных эффектов было меньше, и, что самое главное, через три месяца хрусталик у них был как новый. В будущем данный метод, цель которого -активировать собственные эпителиальные стволовые клетки хрусталика и тем самым запрограммировать их на самовосстановление хрусталика после операции, планируют провести с пожилыми больными [2, 19].
Кроме того, учёными ведутся работы по разработке способа лечения катаракты, заключающегося в удалении помутневшей части хрусталика и последующим введением в капсулу хрусталика культивированных человеческих мезенхимальных стволовых
клеток, способных впоследствии
дифференцироваться в волокна и тем самым восстанавливать структуру хрусталика [19].
Помимо этого, другие группы учёных-исследователей заинтересованы в поиске способов применения стволовых клеток с целью восстановления сетчатки. Так, не так давно учёные из Японии и Канады опубликовали статью об успешно проведённом эксперименте по пересадке стволовых клеток в сетчатку глаза для восстановления зрения у лабораторных животных с терминальной стадией дегенерации сетчатки [10, 14, 16, 19].
Терминальная стадия дегенерации сетчатки глаза - одна из основных причин необратимой потери зрения и слепоты у пожилых людей. Как правило, люди с такими заболеваниями, как пигментный ретинит и возрастная макулярная дегенерация, теряют зрение в результате повреждения наружного слоя
светочувствительных клеток-фоторецепторов. В современной медицине на данный момент нет эффективных методов лечения дегенерации сетчатки терминальной стадии, а доступные в настоящее время подходы лечения могут только замедлить прогрессирование болезни.
Один из методов восстановления зрения, который предлагают учёные - трансплантация в сетчатку глаза ткани, выращенной из стволовых клеток, с целью образования внешнего слоя сетчатки со зрелыми фоторецепторами.
Используя особую белковую молекулу и ряд гормонов, отключающих и включающих нужные гены, исследователи смогли превратить практически все стволовые клетки в полноценные фоторецепторы. После успешной пересадки полученных фоторецепторов, предполагается, что они установят прямой контакт с соседними клетками сетчатки. Проведенный эксперимент подтвердил функциональную работоспособность
полученной ткани: она способна воспринимать световые сигналы и передавать их соседним клеткам, которые затем передают нервный сигнал в мозг [2, 19].
Согласно последним опубликованным результатам клинических исследований по поводу использования клеток пигментного эпителия сетчатки, полученных из эмбриональных стволовых клеток, для лечения глазных заболеваний, отмечаются
положительные результаты терапии: пациенты с возрастной макулярной дистрофией и болезнью Штаргардта продемонстрировали первые
признаки улучшения зрения после полученного лечения стволовыми клетками. При этом следует отметить, что период адаптации новой ткани с последующим формированием фоторецепторов у людей в среднем занимает 56 месяцев [19].
Выводы. Достигнутый успех в научном и практическом аспектах клеточной терапии глазных болезней является вполне солидным. Продолжающиеся научно-исследовательские работы по применению стволовых клеток в клинической практике врача-офтальмолога подчёркивают очень важную роль данных клеток в дальнейшем развитии медицины и открывают блестящие перспективы клеточной терапии [2].
На сегодняшний момент уже сделаны первые успешные шаги на долгой дороге к разработке регенеративной клеточной терапии
дегенеративных заболеваний сетчатки, лимбальной недостаточности, различных заболеваний роговицы, катаракты, глаукомы, возрастной дегенерации жёлтого пятна и других глазных болезней [1, 2].
За последние два десятилетия было проведено много работ, продемонстрировавших эффективность и безопасность трансплантации лимбальных и мезенхимальных стволовых клеток в том или ином виде. Разнообразные
подходы к выделению стволовых клеток, их культивированию и последующей
трансплантации предопределяет развитие клеточных технологий в терапии большого многообразия заболеваний в офтальмологии в зависимости от их этиологии и патогенеза. И особенно важны простота и воспроизводимость данных методов, что способствует их скорейшему внедрению в медицинскую практику. Поэтому, несомненно, возможности клеточных технологий выглядят
многообещающими и, вероятно, они принципиально изменят подходы к лечению в современной медицине. Однако, несмотря на накопленный мировой опыт применения стволовых клеток при различных глазных заболеваниях, не следует забывать о возможных локальных изменениях ДНК в послеоперационный период, а также о правовых и этических проблемах способов получения некоторых видов стволовых клеток. Помимо всего этого, предметом обсуждения в трансплантологии роговицы остаются вопросы о полноценности роговичных клеточных линий, полученных из стволовых клеток, и о выборе мембраны для посева клеток. Поэтому описанные выше вопросы диктуют необходимость дальнейших исследований в данном направлении [2].
Список литературы
1. Биккузин Т.И. Перспективы применения стволовых клеток в лечении роговичной дистрофии глаза / Т.И. Биккузин // Медицинский вестник Башкортостана. - 2017. - Т. 12, №4 (70). - С. 104-109.
2. Возможности клинического применения стволовых клеток в офтальмологии / В.В. Кузьменко [и др.] // Здоровье и образование в XXI веке. - 2016. - №4. - С. 34-43.
3. Копаева В.Г. Глазные болезни: учебное пособие /В.Г. Копаева. -М.: ОАО "Издательство "Медицина", 2012. - 516 с.
4. Николаева Л.Р. Трансплантация стволовых клеток эктодермального происхождения при ожогах роговицы в эксперименте: дис. канд. медиц. наук /Л.Р. Николаева. - Москва, 2006. - 199 с.
5. A comparative study of the therapeutic potential of mesenchymal stem cells and limbal epithelial stem cells for ocular surface reconstruction / V. Holan [et al.] // Stem Cells Transl Med. - 2015.
6. Alio del Barrioa J. Acellular human corneal matrix sheets seeded with human adipose-derived mesenchymal stem cells integrate functionally in an experimental animal model / J. Alio del Barrioa, M. Chiesa, N. Garagorri // Experimental Eye Research. - 2015. - Vol. 132. - P. 91-100.
7. Antonio U. Mesenchymal stem cells in health and disease / U. Antonio, M. Lorenzo, P. Vito //Macmillan Publishers Limited. - 2008. - Vol. 8. - P. 726-736.
8. Concise Reviews: Can Mesenchymal Stromal Cells Differentiate into Corneal Cells? A Systematic Review of Published Data /D. Harklin [et al.] //Stem Cells. - 2015. - Vol. 33. - P. '785-791.
9. Global causes of blindness and distance vision impairment 1990-2020: a systematic review and meta-analysis /S.R. Flaxman [et al.] //Lancet Glob. Health. - 2017. - №5. - P. 1221-1234.
10. Ke Y. Polysaccharide Hydrogel Combined with Mesenchymal Stem Cells Promotes the Healing of Corneal Alkali Burn in Rats / Y. Ke, Y. Wu, X. Cui //PLOS ONE. - 2015. - Vol. 19. - P. 1-18.
11. Kong J. A comparative study on the transplantation of different concentrations of human umbilical mesenchymal cells into diabetic rats / J. Kong, D. Zheng, S. Chen //Int. J. Ophthalmol. - 2015. - Vol. 8, №2. - P. 257-262.
12. Leow S. Safety and Efficacy of Human Wharton's Jelly-Derived Mesenchymal Stem Cells Therapy for Retinal Degeneration / S. Leow, C. Luu, M. Hairul Nizam //PLoS ONE. - 2015. - Vol. 10, №6. - P. 1-20.
13. Limbal Stem-Cell Therapy and Long-Term Corneal Regeneration / P. Rama [et al.] // N Engl J Med. - 2010. - Vol. 363. -P. 147-155.
14. Mesentier-Louro L. Distribution of Mesenchymal Stem Cells and Effects on Neuronal Survival and Axon Regeneration after Optic Nerve Crush and Cell Therapy /L. Mesentier-Louro, C. Zaverucha-do-Valle, A. da Silva-Junior //PLoS ONE. - 2014. -Vol. 9, №10. - P. 1-16.
15. O'Callaghan A.R. Limbal epithelial stem cell therapy: Controversies and challenges / A.R. O'Callaghan, J.T. Daniels // Stem Cells. - 2011. - Vol. 29. - P. 1923-1932.
16. Omoto M. Mesenchymal stem cells home to inflamed ocular surface and suppress allosensitization in corneal transplantation /M. Omoto, K. Katikireddy, A. Rezazadeh //Invest Ophthalmol Vis Sci. - 2014. - Vol. 55. - P. 6631-6638.
17. Pathak M. Clinical transplantation of ex vivo expanded autologous limbal epithelial cells using a culture medium with human serum as single supplement: a retrospective case series /M. Pathak, S. Cholidis, K. Haug //Acta Ophthalmol. - 2013. - Vol. 91.
- P. 769-775.
18. Polarity in Stem Cell Division: Asymmetric Stem Cell Division in Tissue Homeostasis / M.Y. Yukiko [et al.] // Cold Spring Harb. Perspect. Biol. - 2010. - Vol.2, №1. - P. 23-37.
19. Regenerating Eye Tissues to Preserve and Restore Vision /H. Stern Jeffrey [et al.] // Cell Stem Cell. - 2018. - Vol.5, №13.
- P. 834-849.
20. Villatoro A. Use of Adipose-Derived Mesenchymal Stem Cells in Keratoconjunctivitis Sicca in a Canine Model /A. Villatoro, V. Fernández, S. Claros //BioMed Research International. - 2015.
21. Wu X. Safety evaluation of intracameral and subconjunctival injection of a novel mucoadhesive polysaccharide isolatedfrom Bletilla striata in rabbit eye /X. Wu, X Yang, H. Jiang // J Ocul Pharmacol Ther. - 2012. - Vol. 28. - P. 369-380.
PROSPECTS OF APPLICATION OF STEM CELLS IN THERAPY OF EYE DISEASES*
NIKOLENKO E.S. FSBEI HE SUSMUMOH Russia, Chelyabinsk, Russia e-mail: nikolenkokate@yandex.ru
Abstract
Research of application of stem cells is one of the modern trends in biomedicine. Due to its unique biological properties, it is possible to use these cells in many areas of medicine, including ophthalmology. The article discusses prospects of application of stem cells in the treatment of eye diseases.
Keywords: stem cells, ophthalmology, eye diseases, cornea, retina, lens.
* Научный руководитель: к.м.н., доц. Тур Е.В.
