Очерк из жизни кроветворной ткани

Каждый знает, где у него находятся бицепсы, а где — сердце или позвоночник. Все ткани в организме имеют свое место. И хотя сами клетки, составляющие ткань или орган, все время дифференцируются, то есть приобретают новые свойства, постоянство взаимного расположения составных частей организма, будь то нервы, мышцы, сосуды, кости и т. д., сохраняется. И только одна ткань — кроветворная — составляет исключение из этого правила: ее клетки находятся в вечном движении.

Кроветворная ткань имеет замечательные свойства. Клетки ее циркулируют по сосудам, доставляя другим тканям кислород, питательные вещества, уничтожая погибшие клетки, ведя борьбу с инфекциями, чужеродными включениями. Столь многообразные свойства обусловлены необычным составом — кроветворная ткань имеет несколько категорий делящихся клеток разной степени зрелости. Клетки эти, развиваясь, начинают подразделяться, образуя несхожие между собой «отряды» эритроцитов, несколько видов лейкоцитов, тромбоциты и несколько категорий иммунологически активных клеток лимфоидной системы. Вся эта многоступенчатая, очень сложная система работает с удивительной точностью и с не менее удивительной гибкостью. Именно поэтому при воспалениях вдруг разом увеличивается число лейкоцитов, при сильных кровопотерях — усиленно образуются эритроциты, при инфекциях — лимфоидные клетки и т. д. (К слову сбои в работе кроветворной ткани могут стать причиной разных болезней, даже таких отдаленных, как например псориаз).

Мы расскажем об удивительных реакциях кроветворных клеток, которые были раскрыты благодаря точным экспериментам ученых. Начнем с «главного действующего лица» кроветворной ткани — с клетки-родоначальницы, или, как ее принято теперь называть, со стволовой клетки.

Прародительницы крови

Еще в начале прошлого века русский гистолог А. А. Максимов выдвинул предположение, что одна исходная клетка костного мозга может в результате последовательных делений создавать все остальные клетки крови. Но только спустя полвека эта гипотеза получила строгое экспериментальное подтверждение. Это удалось сделать при помощи разработанной американцами Тиллом и Мак Кулоком новой экспериментальной методики. Их метод принес большой «урожай» новых фактов. Заключается он в следующем. Суспензию клеток костного мозга здорового животного вводят внутривенно другому животному, у которого его собственная кроветворная ткань уничтожена облучением. Заметим, что донором обычно служат звери, имеющие меченые клетки, например содержащие хромосому необычного строения. (К слову именно в хромосомах может быть закодирована предрасположенность человека к разным заболеваниям, например у человека прерасположенного к псориазу вероятность обострения псориаза гораздо выше).

Здоровые кроветворные клетки заселяют кроветворные органы облученного существа, в том числе и селезенку. И вот обнаружилось, что именно в селезенке образуются хорошо разграниченные клеточные колонии, и, что особенно интересно, каждая колония содержит клетки только одного какого-нибудь вида — либо предшественники эритроцитов, либо предшественники лейкоцитов, либо предшественники тромбоцитов. Но если теперь клетки из одной такой колонии ввести следующему облученному животному, то в его селезенке вновь возникнут все типы колоний, причем специальными методами удается выявить макрофаги и лимфоциты, содержащие меченые хромосомы, хромосомы донора. Это означает, что из одной начальной стволовой клетки порождается все многообразие клеток крови.

Размножение стволовых клеток, их дифференцировка в разных направлениях и последующее созревание потомков — в этом и заключается собственно процесс кроветворения. При этом стволовая клетка, «принявшая решение» «перейти» в другой класс, погибнет как стволовая. Она проделывает несколько последовательных делений и образует клан эритроцитов, или гранулоцитов, или еще чего-нибудь. Но как нетрудно понять, поддержание постоянства в кроветворении требует, естественно, постоянства и в количестве клеток-родоначальниц. Поэтому часть стволовых клеток, делясь, рождает себе подобные.

Не требуется доказывать, как важно знать механизм регуляции процесса кроветворения. Кроветворная ткань очень чувствительна ко многим вредным воздействиям среды, прежде всего к облучению, разработка методов ее защиты и восстановления и требует этих знаний. Однако вернемся к опытам по введению здорового костного мозга в облученный организм.

Рассмотрим вначале, каков состав той взвеси, которую обычно вводят животному. Для пересадки употребляют кроветворную ткань костного мозга, в которой содержится примерно 0,1 процента стволовых клеток, 35—40 процентов дифференцирующихся клеток и 60—65 процентов приходится на зрелые клетки крови. Казалось бы, клетки, находящиеся в стадии дифференцировки (а их, как мы видим, одна треть) сразу же должны дать популяцию зрелых клеток крови. Но этого не происходит. Содержание их начинает расти лишь через неделю, а это значит, что кроветворение восстанавливается за счет развития ничтожного количества одних лишь стволовых клеток.

Внесенные стволовые клетки не целиком идут на «изготовление» зрелых клеток, часть их остается в прежнем виде. Специальные опыты, когда вводились разные дозы костномозговой ткани, показали, что стволовые клетки дифференцируются лишь в том случае, когда в организме набирается определенное для данного вида животного их количество.

Клеткам-основательницам нужен надежный дом

Учеными было установлено, что введенный в достаточном количестве костный мозг восстанавливает кроветворение облученных собак и обезьян за полтора-два месяца. Однако длительные наблюдения за такими животными показали, что у них сохраняются очень долго различные поражения всей кроветворной системы: количество костномозговых клеток и соответственно клеток крови может вдруг уменьшаться в десять раз, мелкие очаги кроветворения иногда обнаруживают в неподходящих местах, в печени, в сердце и т. д. Выявляются и поражения костной ткани, которая является основным местом кроветворения, обиталищем клеток костного мозга.

Что же мешает в этом случае нормальному кроветворению? Почему пересаженные когда- то клетки так трудно приспосабливаются к новым условиям? Вот те вопросы, на которые было необходимо ответить, чтобы действительно успешно заменять кроветворную ткань у облученных организмов.

Профессор А. Я. Фриденштейн выдвинул оригинальную идею. Он высказал предположение, что успех кроветворения зависит не только от состояния и правильного развития кроветворных клеток, но и от благосостояния того микроокружения, в котором эти клетки находятся. Иными словами: жизнедеятельность кроветворной ткани регулируется с обязательным участием клеток стромы — субстрата, на котором, собственно, и живут кроветворные клетки.

Прежде всего, была обследована костная ткань, так как нормальное кроветворение, как уже говорилось, происходит внутри костей. Вспомним, что кость относится к группе тканей с постоянным и интенсивным обновлением клеток. Костную ткань строят специальные клетки-остеобласты, которые вырабатывают костное вещество и постепенно в него замуровываются. Сами остеобласты уже не делятся, они образуются из клеток-предшественников, из особых стволовых клеток костной ткани. Правда, такие костные стволовые клетки существовали лишь в теории. Реальность их существования еще не была доказана. И вот взвесь клеток костного мозга вместо того, чтобы пересаживать ее внутривенно облученному животному, стали помещать в специально изготовленные диффузионные камеры, стенки которых были непроницаемы для клеток, но пропускали даже крупные белковые молекулы. Такую камеру подсаживали животному в тело. И выяснилось, что в ней клетки ведут себя иначе,— условия оказались непригодными для выживания клеток крови, вместо них в камерах возникала настоящая костная ткань.

Опыт четко показал, что, во-первых, в трансплантатах костного мозга помимо стволовых клеток крови присутствуют и стволовые клетки кости, и, во-вторых, условия, в которые попадают клетки, определяют успех выживания того или иного их вида. Более того, оказалось, что успешное костеобразование возможно только, если начальная плотность клеток в камере будет не слишком малой — в противном случае вместо костной ткани разрастаются ретикулярные волокна. Тут нужно сказать, что сами по себе «костепроизводящие» возможности костного мозга были давно известны. Они легко выявляются при так называемой пересадке его в несвойственные для этой ткани места: под кожу, в переднюю камеру глаза, под капсулу почки и т. д. Если облученному животному в вену вводится взвесь костномозговых клеток, то с нею попадают не только клетки крови, но и стволовые клетки костной ткани.

Какова же их судьба? Ответить на этот вопрос непросто. Здесь исследователям помогла как раз пересадка трансплантата костного мозга «не туда, куда надо». Такая пересадка оказалась хорошей моделью для выяснения взаимоотношений между кроветворными и остеогенными клетками.

Если под капсулу почки посадить взвесь костномозговых клеток, то там через две недели возникает хорошо сформированная косточка. И в такой вновь сформированной косточке идет активное кроветворение. Так вот опыты, проводившиеся с такими косточками на мышах, убедительно показали, что клеточные линии для кроветворной и костной тканей, как правило, независимы, причем линия клеток, строящих кость, не может пополняться за счет клеток хозяина, линия же клеток крови — целиком хозяйская. Та же картина наблюдалась и на других кроветворных органах. Всюду гетеротропные трансплантаты представляли собой химерные структуры: «основа» принадлежала донору, а заселялась она кроветворными или лимфоидными клетками хозяина. Но поскольку существует такое «разделение труда», можно с большой долей вероятности утверждать, что поломки в кроветворении облученных животных с замещенным костным мозгом обусловлены повреждениями в их окружении. Те «дома», которые приходится заселять введенным клеткам и в которых им приходиться жить, повреждены облучением.

Загадки «вторичной» болезни

Хорошо известно, что если костный мозг пересаживать не близкородственным животным, то через определенное время у них развивается вторичная болезнь. Эта вторичная болезнь (первичной болезнью называют само облучение) заключается в том, что пересаженные клетки начинают «нападать» на клетки хозяина и уничтожать их как чужие. Организм, уже, казалось бы, сумевший справиться с острым лучевым поражением, гибнет.

Внимательное изучение вторичной болезни выявило ряд загадочных явлений, отгадка для которых была запрятана в неизвестных ранее свойствах стволовых клеток крови. Как уже рассказывалось, кроветворение у облученных животных можно восстановить довольно быстро. Лимфоидная ткань по сравнению с кроветворной возрождается гораздо медленнее. Но, что удивительно, сама способность отторгать чужеродные клетки появляется вновь в организме много быстрее, чем восстанавливается лимфа. Что же заменяет ее на это время? Предполагается два возможных объяснения этому явлению: либо быстро развиваются активные лимфоциты из стволовых кроветворных клеток, либо свою работу продолжают на новом месте зрелые лимфоциты, введенные наряду с другими клетками.

Эти две возможности были проанализированы и экспериментально проверены профессором И. Л. Чертковым и его сотрудниками. На чем основывались ученые? Известно, что для развития лимфоцитов из стволовых клеток необходимо, чтобы они «посетили» тимус — вилочковую железу. Для зрелых лимфоцитов тимус не нужен — они одинаково активны и в нормальном организме, и в организме, из которого удален тимус. Оказалось, что у облученных животных с предварительно удаленным тимусом сроки отторжения чужеродной ткани резко замедляются, а это значит, что иммунологическая активность возникает в самые первые дни после пересадки здорового костного мозга именно потому, что в лимфоидные клетки преобразуются стволовые. Когда введенный костный мозг принадлежит сходному в генетическом отношении партнеру, то восстановление иммунологической компетенции организма, безусловно, положительный факт. Но если пораженный радиацией организм получает костный мозг от несовместимого донора, то восстановленные лимфоциты начинают делать свое черное дело — убивать хозяйские клетки.

Как протекает вторичная болезнь? В первые шесть дней после трансплантации генетически неродственного костного мозга никакой деятельности пересаженных клеток против тканей хозяина установить не удается. Но на седьмые-восьмые сутки в крови таких животных резко возрастает количество лейкоцитов. Оно увеличивается исключительно за счет лимфоцитов — иммунологически активных клеток, прямых врагов приютившего их организма. Но так как борется с «агрессорами» весь организм, чужие лимфоциты быстро гибнут, и, что интересно, больше не восстанавливаются. Создается впечатление, что за время «атаки» расходуются все введенные клетки-предшественники. Некоторое время кажется, что животные, пережившие острый период, выжили, им уже ничего не грозит. Но… проходит несколько дней, и они погибают.

Фатальное приспособление

В чем же дело? Почему животные умирают, когда пересаженный костный мозг уже не имеет клеток, готовых к борьбе с их тканями? Анализ показал, что погибают они не от острой вторичной болезни, а от полного истощения введенного мозга. Кроветворные клетки исчезают из него. Это лишний раз доказывает, что в основе всех видов клеток, в том числе и лимфоидных, лежат стволовые кроветворные клетки. В нормальных условиях они размножаются, увеличивая сначала состав собственной популяции, а потом часть из них вступает на путь дифференцировки.

Если же стволовые клетки попадают в чуждый организм, они распознают враждебное окружение и без промедления вступают на путь производства «солдат»-лимфоцитов. Эта цель поглощает их целиком, и стволовые клетки утрачивают «чувство самосохранения». Самая важная функция — функция борьбы с чужеродным белком — требует как можно большего количества иммунологически активных клеток, и вот стволовые клетки вступают на путь «убийственной», вернее «самоубийственной», дифференцировки. Именно поэтому развивающаяся иммунологическая реакция так кратковременна и конечна — она прекращается из-за отсутствия стволовых клеток, способных к самоподдержанию. По этой же причине у таких животных отсутствует и нормальное кроветворение — все стволовые клетки исчерпаны.

Вот так вполне, казалось бы, разумный ответ стволовых клеток на мощный враждебный сигнал заканчивается трагически и для них самих, и для организма в целом. Такое объяснение, выдвинутое Чертковым, позволило однозначно объяснить все факты, которые наблюдаются при пересадках иммунологически несовместимого костного мозга облученным животным. Нетрудно понять, что эти экспериментальные данные выдвинули принципиально новый подход к лечению вторичной болезни.

Как уже говорилось, способность к распознаванию чужеродного белка приобретается потомками стволовых клеток только в том случае, если они пройдут через тимус — этот важнейший орган иммунитета. Значит, если удалить тимус, то потомки этих клеток не смогут распознать чуждое окружение. Так и оказалось в опытах Черткова. У бестимусных собак никакой вторичной болезни не наблюдалось, а кроветворение поддерживалось на нормальном уровне. Результаты этих опытов были большой удачей — они явились веским доказательством, что острая вторичная болезнь вызывается именно стволовыми кроветворными клетками.

Конечно, было очень важно установить, насколько общий характер носит обнаруженное явление. Ведь опыты велись сначала лишь на собаках. Вслед за ними были взяты обезьяны, и оказалось, их реакции принципиально не отличались от описанных выше. Удаление тимуса спасало от вторичной болезни и наших ближайших родственников среди животных.

Итак, мы попытались показать, как работает стволовая клетка — это прародительница всех разновидностей клеток крови и лимфатической системы. Для того чтобы понять, как именно восстанавливается кроветворение в облученном организме, потребовалось поставить клетки в такие условия, когда они могли дать экспериментатору лишь однозначный ответ. Умелое сочетание разнообразных моделей, правильный подбор животных, при котором учитывались их характерные видовые особенности, дали возможность ученым ответить на ряд вопросов, имеющих принципиальную важность для понимания механизмов кроветворения. Главное в этих результатах — факт согласованности действий клеток крови и клеток микроокружения. Отсюда — новые подходы к лечению патологии кроветворения.

Эксперименты на животных, описанные в статье могут показаться жестокими, но с их помощью ученые находят многие лекарства, которые могут помочь человеку в борьбе со многими болезнями, как смертельными, так и просто очень неприятными, ведь когда кто-то мучается вопросом, вроде «что делать при обострении псориаза«, так и хочется дать такому человеку некое универсальное лекарство, которое разом бы излечило его от всех болезней, но пока увы, такое чудо лекарство еще не изобретено. Тем не менее изучение принципов работы нашего организма приближает науку к его открытию.

Автор: Т. Евгеньева, доктор биологических наук.