Нарис з життя кровотворної тканини

Кожен знає, де у нього знаходяться біцепси, а де — серце або хребет. Всі тканини в організмі мають своє місце. І хоча самі клітини, що складають тканину або орган, весь час диференціюються, тобто набувають нових властивостей, сталість взаємного розташування складових частин організму, будь то нерви, м’язи, судини, кістки і т.д., зберігається. І тільки одна тканина – кровотворна – становить виняток з цього правила: її клітини знаходяться у вічному русі.

Кровотворна тканина має чудові властивості. Клітини її циркулюють по судинах, доставляючи іншим тканинам кисень, поживні речовини, знищуючи загиблі клітини, ведучи боротьбу з інфекціями, чужорідними включеннями. Настільки різноманітні властивості обумовлені незвичайним складом – кровотворна тканина має кілька категорій подільних клітин різного ступеня зрілості. Клітини ці, розвиваючись, починають підрозділятися, утворюючи несхожі між собою «загони» еритроцитів, кілька видів лейкоцитів, тромбоцити і кілька категорій імунологічно активних клітин лімфоїдної системи. Вся ця багатоступенева, дуже складна система працює з дивовижною точністю і з не менш дивовижною гнучкістю. Саме тому при запаленнях раптом разом збільшується число лейкоцитів, при сильних втратах крові — посилено утворюються еритроцити, при інфекціях — лімфоїдні клітини і т. д.

Ми розповімо про дивовижні реакції кровотворних клітин, які були розкриті завдяки точним експериментам вчених. Почнемо з «головної дійової особи» кровотворної тканини — з клітини-родоначальниці, або, як її прийнято тепер називати, зі стовбурової клітини.

Прародительки крові

Ще на початку минулого століття російський гістолог А. А. Максимов висунув припущення, що одна вихідна клітина кісткового мозку може в результаті послідовних поділів створювати всі інші клітини крові. Але тільки через півстоліття ця гіпотеза отримала суворе експериментальне підтвердження. Це вдалося зробити за допомогою розробленої американцями Тіллом і Мак Кулоком нової експериментальної методики. Їх метод приніс великий «урожай» нових фактів. Полягає він у наступному. Суспензію клітин кісткового мозку здорової тварини вводять внутрішньовенно іншій тварині, у якої її власна кровотворна тканина знищена опроміненням. Зауважимо, що донором зазвичай служать звірі, які мають мічені клітини, наприклад містять хромосому незвичайної будови.

Здорові кровотворні клітини заселяють кровотворні органи опроміненої істоти, в тому числі і селезінку. І ось виявилося, що саме в селезінці утворюються добре розмежовані клітинні колонії, і, що особливо цікаво, кожна колонія містить клітини тільки одного якого-небудь виду — або попередники еритроцитів, або попередники лейкоцитів, або попередники тромбоцитів. Але якщо тепер клітини з однієї такої колонії ввести наступній опроміненій тварині, то в її селезінці знову виникнуть всі типи колоній, причому спеціальними методами вдається виявити макрофаги і лімфоцити, що містять мічені хромосоми, хромосоми донора. Це означає, що з однієї початкової стовбурової клітини породжується все різноманіття клітин крові.

Розмноження стовбурових клітин, їх диференціювання в різних напрямках і подальше дозрівання нащадків — в цьому і полягає власне процес кровотворення. При цьому стовбурова клітина, яка «прийняла рішення» перейти в інший клас, загине як стовбурова. Вона проробляє кілька послідовних поділів і утворює клан еритроцитів, або гранулоцитів, або ще чого-небудь. Але як неважко зрозуміти, підтримка сталості в кровотворенні вимагає, природно, сталості і в кількості клітин-родоначальниць. Тому частина стовбурових клітин, ділячись, народжує собі подібні.

Не потрібно доводити, як важливо знати механізм регуляції процесу кровотворення. Кровотворна тканина дуже чутлива до багатьох шкідливих впливів середовища, перш за все до опромінення, розробка методів її захисту і відновлення і вимагає цих знань. Однак повернемося до дослідів по введенню здорового кісткового мозку в опромінений організм.

Розглянемо спочатку, який склад тієї суспензії, яку зазвичай вводять тварині. Для пересадки вживають кровотворну тканину кісткового мозку, в якій міститься приблизно 0,1 відсотка стовбурових клітин, 35— 40 відсотків диференційованих клітин і 60-65 відсотків припадає на зрілі клітини крові. Здавалося б, клітини, що знаходяться в стадії диференціювання (а їх, як ми бачимо, одна третина) відразу ж повинні дати популяцію зрілих клітин крові. Але цього не відбувається. Вміст їх починає рости лише через тиждень, а це означає, що кровотворення відновлюється за рахунок розвитку незначної кількості одних лише стовбурових клітин.

Внесені стовбурові клітини не цілком йдуть на «виготовлення» зрілих клітин, частина їх залишається в колишньому вигляді. Спеціальні досліди, коли вводилися різні дози кістково-мозкової тканини, показали, що стовбурові клітини диференціюються лише в тому випадку, коли в організмі набирається певна для даного виду тварини їх кількість.

Клітинам-засновницям потрібен надійний будинок

Вченими було встановлено, що введений в достатній кількості кістковий мозок відновлює кровотворення опромінених собак і мавп за півтора-два місяці. Однак тривалі спостереження за такими тваринами показали, що у них зберігаються дуже довго різні ураження всієї кровотворної системи: кількість кістково-мозкових клітин і відповідно клітин крові може раптом зменшуватися в десять разів, дрібні вогнища кровотворення іноді виявляють в невідповідних місцях, в печінці, в серці і т. д. Виявляються і ураження кісткової тканини, яка є основним місцем кровотворення, мешканцем клітин кісткового мозку.

Що ж заважає в цьому випадку нормальному кровотворенню? Чому пересаджені колись клітини так важко пристосовуються до нових умов? Ось ті питання, на які було необхідно відповісти, щоб дійсно успішно замінювати кровотворну тканину у опромінених організмів.

Професор А. Я. Фріденштейн висунув оригінальну ідею. Він висловив припущення, що успіх кровотворення залежить не тільки від стану і правильного розвитку кровотворних клітин, але і від добробуту того мікрооточення, в якому ці клітини знаходяться. Іншими словами: життєдіяльність кровотворної тканини регулюється з обов’язковою участю клітин строми — субстрату, на якому, власне, і живуть кровотворні клітини.

Перш за все, була обстежена кісткова тканина, так як нормальне кровотворення, як вже говорилося, відбувається всередині кісток. Згадаймо, що кістка відноситься до групи тканин з постійним і інтенсивним оновленням клітин. Кісткову тканину будують спеціальні клітини-остеобласти, які виробляють кісткову речовину і поступово в неї замуровуються. Самі остеобласти вже не діляться, вони утворюються з клітин-попередників, з особливих стовбурових клітин кісткової тканини. Правда, такі кісткові стовбурові клітини існували лише в теорії. Реальність їх існування ще не була доведена. І ось суспензія клітин кісткового мозку замість того, щоб пересаджувати її внутрішньовенно опроміненій тварині, стали поміщати в спеціально виготовлені дифузійні камери, стінки яких були непроникні для клітин, але пропускали навіть великі білкові молекули. Таку камеру підсаджували тварині в тіло. І з’ясувалося, що в ній клітини поводяться інакше,— умови виявилися непридатними для виживання клітин крові, замість них в камерах виникала справжня кісткова тканина.

Дослід чітко показав, що, по-перше, в трансплантатах кісткового мозку крім стовбурових клітин крові присутні і стовбурові клітини кістки, і, по-друге, умови, в які потрапляють клітини, визначають успіх виживання того чи іншого їх виду. Більш того, виявилося, що успішне кісткоутворення можливо тільки, якщо початкова щільність клітин в камері буде не дуже малою — в іншому випадку замість кісткової тканини розростаються ретикулярні волокна. Тут потрібно сказати, що самі по собі «кісткоутворювальні» можливості кісткового мозку були давно відомі. Вони легко виявляються при так званій пересадці його в невластиві для цієї тканини місця: під шкіру, в передню камеру ока, під капсулу нирки і т.д. якщо опроміненій тварині у вену вводиться суспензія кістковомозкових клітин, то з нею потрапляють не тільки клітини крові, але і стовбурові клітини кісткової тканини.

Яка ж їхня доля? Відповісти на це питання непросто. Тут дослідникам допомогла якраз пересадка трансплантата кісткового мозку «не туди, куди треба». Така пересадка виявилася хорошою моделлю для з’ясування взаємин між кровотворними і остеогенними клітинами.

Якщо під капсулу нирки посадити суспензію кістковомозкових клітин, то там через два тижні виникає добре сформована кісточка. І в такій знову сформованій кісточці йде активне кровотворення. Так ось досліди, що проводилися з такими кісточками на мишах, переконливо показали, що клітинні лінії для кровотворної і кісткової тканин, як правило, незалежні, причому лінія клітин, що будують кістку, не може поповнюватися за рахунок клітин господаря, лінія ж клітин крові — цілком хазяйська. Та ж картина спостерігалася і на інших кровотворних органах. Усюди гетеротропні трансплантати представляли собою химерні структури: «основа» належала донору, а заселялася вона кровотворними або лімфоїдними клітинами господаря. Але оскільки існує такий «поділ праці», можна з великою часткою ймовірності стверджувати, що поломки в кровотворенні опромінених тварин із заміщеним кістковим мозком обумовлені ушкодженнями в їх оточенні. Ті «будинки», які доводиться заселяти введеним клітинам і в яких їм доводиться жити, пошкоджені опроміненням.

Загадки “вторинної” хвороби

Добре відомо, що якщо кістковий мозок пересаджувати не близькоспорідненим тваринам, то через певний час у них розвивається вторинна хвороба. Ця вторинна хвороба (первинною хворобою називають саме опромінення) полягає в тому, що пересаджені клітини починають «нападати» на клітини господаря і знищувати їх як чужі. Організм, який вже, здавалося б, зумів впоратися з гострим променевим ураженням, гине.

Уважне вивчення вторинної хвороби виявило ряд загадкових явищ, відгадка для яких була захована в невідомих раніше властивостях стовбурових клітин крові. Як вже розповідалося, кровотворення у опромінених тварин можна відновити досить швидко. Лімфоїдна тканина в порівнянні з кровотворною відроджується набагато повільніше. Але, що дивно, сама здатність відторгати чужорідні клітини з’являється знову в організмі багато швидше, ніж відновлюється лімфа. Що ж замінює її на цей час? Передбачається два можливих пояснення цьому явищу: або швидко розвиваються активні лімфоцити зі стовбурових кровотворних клітин, або свою роботу продовжують на новому місці зрілі лімфоцити, введені поряд з іншими клітинами.

Ці дві можливості були проаналізовані та експериментально перевірені професором І.Л. Чертковим та його співробітниками. На чому ґрунтувалися вчені? Відомо, що для розвитку лімфоцитів зі стовбурових клітин необхідно, щоб вони «відвідали» тимус — вилочкову залозу. Для зрілих лімфоцитів тимус не потрібен – вони однаково активні і в нормальному організмі, і в організмі, з якого видалений тимус. Виявилося, що у опромінених тварин з попередньо видаленим тимусом терміни відторгнення чужорідної тканини різко сповільнюються, а це означає, що імунологічна активність виникає в найперші дні після пересадки здорового кісткового мозку саме тому, що в лімфоїдні клітини перетворюються у стовбурові. Коли введений кістковий мозок належить подібному в генетичному відношенні партнеру, то відновлення імунологічної компетенції організму, безумовно, позитивний факт. Але якщо уражений радіацією організм отримує кістковий мозок від несумісного донора, то відновлені лімфоцити починають робити свою чорну справу — вбивати хазяйські клітини.

Як протікає вторинна хвороба? У перші шість днів після трансплантації генетично нерідного кісткового мозку ніякої діяльності пересаджених клітин проти тканин господаря встановити не вдається. Але на сьому-восьму добу в крові таких тварин різко зростає кількість лейкоцитів. Вона збільшується виключно за рахунок лімфоцитів — імунологічно активних клітин, прямих ворогів організму, що прихистив їх. Але так як бореться з «агресорами» весь організм, чужі лімфоцити швидко гинуть, і, що цікаво, більше не відновлюються. Створюється враження, що за час «атаки» витрачаються всі введені клітини-попередники. Деякий час здається, що тварини, які пережили гострий період, вижили, їм вже нічого не загрожує. Проте… проходить кілька днів, і вони гинуть.

Фатальне пристосування

У чому ж справа? Чому тварини вмирають, коли пересаджений кістковий мозок вже не має клітин, готових до боротьби з їх тканинами? Аналіз показав, що гинуть вони не від гострої вторинної хвороби, а від повного виснаження введеного мозку. Кровотворні клітини зникають з нього. Це зайвий раз доводить, що в основі всіх видів клітин, в тому числі і лімфоїдних, лежать стовбурові кровотворні клітини. У нормальних умовах вони розмножуються, збільшуючи спочатку склад власної популяції, а потім частина з них вступає на шлях диференціювання.

Якщо ж стовбурові клітини потрапляють в чужий організм, вони розпізнають вороже оточення і без зволікання вступають на шлях виробництва «солдатів»-лімфоцитів. Ця мета поглинає їх цілком, і стовбурові клітини втрачають «почуття самозбереження». Найважливіша функція – функція боротьби з чужорідним білком — вимагає якомога більшої кількості імунологічно активних клітин, і ось стовбурові клітини вступають на шлях «убивчого», вірніше «самогубного», диференціювання. Саме тому імунологічна реакція, що розвивається така короткочасна і кінцева — вона припиняється через відсутність стовбурових клітин, здатних до самопідтримання. З цієї ж причини у таких тварин відсутнє і нормальне кровотворення – всі стовбурові клітини вичерпані.

Ось так цілком, здавалося б, розумна відповідь стовбурових клітин на потужний ворожий сигнал закінчується трагічно і для них самих, і для організму в цілому. Таке пояснення, висунуте Чертковим, дозволило однозначно пояснити всі факти, які спостерігаються при пересадках імунологічно несумісного кісткового мозку опроміненим тваринам. Неважко зрозуміти, що ці експериментальні дані висунули принципово новий підхід до лікування вторинної хвороби.

Як вже говорилося, здатність до розпізнавання чужорідного білка купується нащадками стовбурових клітин тільки в тому випадку, якщо вони пройдуть через тимус — цей найважливіший орган імунітету. Значить, якщо видалити тимус, то нащадки цих клітин не зможуть розпізнати чуже оточення. Так і виявилося в дослідах Чорткова. У бестимусних собак ніякої вторинної хвороби не спостерігалося, а кровотворення підтримувалося на нормальному рівні. Результати цих дослідів були великою вдачею – вони з’явилися вагомим доказом, що гостра вторинна хвороба викликається саме стовбуровими кровотворними клітинами.

Звичайно, було дуже важливо встановити, наскільки загальний характер носить виявлене явище. Адже досліди велися спочатку лише на собаках. Слідом за ними були взяті мавпи, і виявилося, їх реакції принципово не відрізнялися від описаних вище. Видалення тимуса рятувало від вторинної хвороби і наших найближчих родичів серед тварин.

Отже, ми спробували показати, як працює стовбурова клітина — ця прародителька всіх різновидів клітин крові і лімфатичної системи. Для того щоб зрозуміти, як саме відновлюється кровотворення в опроміненому організмі, треба було поставити клітини в такі умови, коли вони могли дати експериментатору лише однозначну відповідь. Вміле поєднання різноманітних моделей, правильний підбір тварин, при якому враховувалися їх характерні видові особливості, дали можливість вченим відповісти на ряд питань, що мають принципову важливість для розуміння механізмів кровотворення. Головне в цих результатах – факт узгодженості дій клітин крові і клітин мікрооточення. Звідси нові підходи до лікування патології кровотворення.

Автор: Т.Євгеньєва, доктор біологічних наук.