Закладка тканей и органов

Дифференцированный на три эмбриональные закладки зародышевый материал дает начало всем тканям и органам развивающего зародыша. Расположение главнейших из них, так называемых осевых органов, намечается уже в процессе гаструляции.

В теле зародыша, покрытого эктеродермой, на дорсальной стороне формируется нервная трубка, под ней из энтодермы - хорда и кишечная трубка.

Каждый зародышевый лист дает начало только определенным органам. Так, из эктодермы развиваются:

• ткани нервной системы. Нервная система у хордовых закладывается дорсально, т. е. на спинной стороне зародыша. Нервная пластинка в составе эктодермы растет интенсивнее остальных участков и затем прогибается, образуя желобок. Размножение клеток продолжается, края желобка сливаются, образуя нервную трубку, которая тянется вдоль тела от переднего конца к заднему. На переднем конце нервной трубки путем дальнейшего роста и дифференцировки формируется головной мозг. Отростки нервных клеток центральных отделов нервной системы образуют периферические нервы;
• эпидермис и его производные - ногти, волосы и т. д.

Из энтодермы развивается:

• эпителиальная ткань, выстилающая органы пищеварительной, дыхательной и частично мочеполовой систем;
• органы желудочно-кишечного тракта, в том числе печень и поджелудочная железа.

Миотом дает начало спинной мускулатуре, нефрогонотом - органам выделения и половым железам (гонадам).

Клетки, образующие висцеральные и париетальные листки спланхнотома:

• являются источником эпителиальной выстилки вторичной полости тела - целома;
• висцеральный листок спланхнотома принимает участие в образовании сердца.

За счет элементов склеротома развивается:

• хрящевая, костная и соединительная ткань, образующие вокруг хорды осевой скелет.

Дерматом дает начало:

• соединительной ткани внутренних органов;
• кровеносным сосудам;
• гладкой мускулатуре кишечника, дыхательных и мочеполовых путей.

Железы внутренней секреции имеют различное происхождение:

• одни из них развиваются из закладок нервной системы;
• другие - из энтодермы;
• надпочечники и половые железы являются производными мезодермы.

Органогенез завершается в основном к концу эмбрионального периода развития. Однако дифференцировка и усложнение органов продолжается и в постэмбриональном периоде.

Описанные процессы связаны не только с активным клеточным размножением первичных эмбриональных закладок, но и с их значительным перемещением, изменением формы тела зародыша, образованием отверстий и полостей, а также формированием ряда временных зародышевых органов.

В ходе органогенеза одни зачатки влияют на развитие других зачатков (эмбриональная индукция). Взаимодействие частей зародыша является основой его целостности.

В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития происходит в конкретных условиях среды. В период эмбрионального развития зародыш очень чувствителен к влиянию факторов среды. Такие вредные воздействия, как алкоголь, табак, наркотики, могут нарушить ход развития и привести к различным уродствам. Взаимодействие генов и среды можно описать на следующей модели. Эмбриональное развитие можно сравнить с шариком, катящимся по наклонной поверхности с разными желобками. Такое представление эмбрионального развития, названное эпигенетическим ландшафтом, был предложен Кондратом Уоддингтоном. Самый глубокий желобок (соответствующий наиболее вероятному пути) определяет нормальное развитие организма. Но у основного желобка есть много разветвлений, менее глубоких, соответствующих патологии, аномальному развитию организма, по ним шарик покатится с меньшей долей вероятности. Мутации меняют соотношение вероятностей разных путей (на рисунке – меняется глубина желобков), и увеличивают вероятность развития по "неправильному" патологическому пути. Однако в части случаев воздействие среды (лечение) может скомпенсировать дефект и вернуть организм на нормальный путь развития. Например, фенилкетонурия – наследственная болезнь, которую можно лечить. Суть болезни заключается в том, что у больных отсутствует фермент фенилаланингидроксилаза, превращающий аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту, тирозин. При блокировании нормальных путей катаболизма фенилаланина его превращение идет другими путями, обычно играющими второстепенную роль. Фенилаланин превращается в кетокислоту фенилпируват (фенилпировиноградная кислота) и другие продукты. Избыточные количества фенилпирувата легко определить по анализу мочи, и такой анализ проводится всем новорожденным в нашей стране. Одним из симптомов этой болезни является развитие умственной отсталости, которое во взрослом состоянии уже необратимо. Лечить болезнь можно в детстве специальной диетой, при которой в организме не из чего будет вырабатывать пировиноградную кислоту. Частота заболевания около 1:10 000 новорожденных, и чем раньше начато лечение – тем лучше результаты. Именно поэтому проводится тотальная диагностика новорожденных. Интересно то, что если ребенок перестает придерживаться лечебной диеты, то болезнь опять станет прогрессировать. Поэтому диету надо соблюдать до остановки физиологического роста, примерно до 20 лет, когда токсичное воздействие будет менее опасным. Больные фенилкетонурией при беременности обязательно должны соблюдать диету, так как иначе плод будет отравлен из-за нарушения обмена веществ у матери. Таким образом, при лечении, то есть полезном воздействии внешней среды, можно вернуть развитие организма в нормальное русло. Но действие окружающей среды может быть и вредным, то есть у организма под действием внешней среды возникают отклонения развития при совершенно нормальных генах. Для примера рассмотрим один случай. В 60-х годах в Германии было сильно разрекламировано новое снотворное под названием талидомид. Среди принимавших новое лекарство были беременные женщины. Спустя некоторое время было замечено, что в стране стало рождаться много детей с патологией конечностей. У них отсутствовали длинные кости конечностей, то есть прямо от основания тела начинались кисти или ступни. Раньше такое заболевание встречалась один раз на несколько тысяч новорожденных, и вдруг такой всплеск. Начали проводиться исследования, и выяснилось, что причина в новом лекарстве. Как оказалось, талидомид имеет большое сродство к гуанину. Взаимодействуя с ДНК, он может приводить к функциональным нарушениям. Промотор гена, отвечающего за рост и развитие длинных конечностей, содержит большое количество гуанина, таким образом, талидомид нарушает работу этих генов, и зачатки костей длинных конечностей так и не начинают развиваться. Многие из этих детей не выжили, часть из тех, кто выжил, ведут жизнь инвалидов, но есть среди них люди, которые, несмотря на инвалидность, реализовали свои возможности. После талидомидной трагедии все новые лекарства проверяют на тератогенную (вызывающую нарушения развития плода) активность, и для каждого препарата указано, можно ли его принимать беременным. Однако следует учитывать, что во время беременности, особенно на ранних этапах, женщина не должна принимать лекарства, не посоветовавшись с врачом, из-за возможных вредных воздействий на плод. В настоящее время уровень тяжелых врожденных уродств составляет 1-2%, из них около трети по генетическим причинам, около трети – из-за воздействий среды, и для трети причина неизвестна. Подбирая условия среды, соответствующие индивидуальным особенностям организма, можно скомпенсировать часть врожденных дефектов. Взаимодействие генов и среды в процессе индивидуального развития можно сравнить с игрой в карты: хороший игрок может выиграть и с плохими картами. Постэмбриональное или послезародышевое развитие Постэмбриональное или послезародышевое развитие начинается с момента рождения или выхода из яйцевых оболочек и длится до смерти организма. Оно бывает двух типов: прямое и непрямое.

При прямом развитии родившиеся потомки во всем сходны с взрослыми особями, обитают в той же среде и питаются той же пищей, что обостряет внутривидовую конкуренцию (птицы, пресмыкающиеся, млекопитающие, некоторые насекомые и др.).

При непрямом развитии новый организм появляется на свет в виде личинки, претерпевающей в своем развитии ряд превращений - метаморфозов (амфибии, многие насекомые). Метаморфоз связан с разрушением личиночных органов и возникновением органов, присущих взрослым животным. Например, у головастика в процессе метаморфоза, происходящего под влиянием гормона щитовидной железы, исчезает боковая линия, рассасывается хвост, появляются конечности, развиваются легкие и второй круг кровообращения. Рассмотрим на примере мухи-дрозофилы этот процесс. В развитии мухи происходит последовательная смена форм, значительно отличающихся друг от друга: яйцо, личинка, куколка и имаго (взрослая особь). Такое развитие называется развитием с метаморфозом (метаморфоз – греч. "изменение формы"). Цитоплазма яйцеклетки не гомогенна, в ней асимметрично распределены различные биологически активные компоненты. У эмбриона уже определены оси тела, число и ориентация сегментов тела, из которых затем развиваются части тела взрослой мухи. Эти процесс контролируются различными наборами генов, которые называются морфогены. Они кодируют белки, которые регулируют экспрессию других генов, отвечающих за формирование органов. Градиент концентрации белков-морфогенов определяет передне-заднюю и дорсо-вентральную (спино-брюшную) оси тела. У дрозофилы в определении дорсо-вентральной оси тела участвуют 12, главный из них ген dorsal. Белок Dorsal сконцентрирован в цитоплазме на той стороне эмбриона, которая станет спинной, и проникает в ядро клеток на брюшной стороне, активируя группы генов, продукты которых необходимы для определения осей тела. Детерминация передне-задней оси тела контролируется другими генами. Один из них называется bicoid, его мРНК сконцентрирована в цитоплазме передней части яйца (фиксирована своим 3'-концом). В результате при трансляции возникает градиент концентрации белка Bicoid от переднего к заднему концу яйца. Градиент поддерживается продолжительным периодом синтеза белка и его коротким временем жизни. Bicoid, так же как и Dorsal, морфоген, он активирует гены, которые необходимы для развития головы и грудных структур. Его экспрессия ингибируется продуктом гена nanos, сконцентрированного на заднем конце эмбриона. На следующем этапе включаются гены сегментации. Они контролируют дифференциацию эмбриона на индивидуальные сегменты. После оплодотворения транскрибируется около 25 генов сегментации, их экспрессия регулируется градиентами белков Bicoid и Nanos. Гомеозисные гены. После сегментации и установления ориентации сегментов активируются так называемые геомеозисные гены. Различные их наборы активируются специфическими соотношениями концентраций белков, упоминавшихся выше. Продукты гомеозисных генов активируют другие гены, которые определяют сегмент-специфичные особенности. Глаза в норме возникают только на головном сегменте, а ноги – только на грудных сегментах. Гомеозисные гены кодируют регуляторные белки, связывающиеся с ДНК. Каждый из них содержит кластер нуклеотидов, называемый гомеобоксом, которые сходен во всех гомеотических генах. Он содержит 180 нуклеотидов и кодирует 60 аминокислот, функционирующих как ДНК-связывающий домен.У дрозофилы имеется два основных кластера гомеотических генов: комплекс Antennapedia (5 генов у дрозофилы) который определяет развитие головы и передних торакальных сегментов, и комплекс Bithorax (3 гена) который контролирует развитие задних торакальных и брюшных сегментов. Порядок расположения генов тот же, что и сегментов, в которых они экспрессируются. Впервые мутации гомеозисных генов были идентифицированы в 1894 году, когда Уильям Бэтсон заметил, что у растений иногда части цветка появляются на неправильных местах. Гомеозисные гены как бы определяют адрес клетки в конкретном сегменте, сообщая клеткам, в каком районе они находятся. Когда они мутируют, клетки получают "ложный адрес" и ведут себя так, будто они находятся в другом месте эмбриона. Нарушения в работе гомеозисных генов (вызванные мутациями или внешними воздействиями) нарушают формирование структур тела и могут привести, например, к образованию глаз на лапках у мухи, или к тому, что вместо антенн на голову у нее вырастут ноги (как это показано на рисунке). У человека найдены мутации в гомеозисных генах, приводящие к недоразвитию зубов, например, и к другим, более тяжелым нарушениям. Значение метаморфоза:

Личинки могут самостоятельно питаться, расти и накапливать вещества для формирования постоянных органов, обитая в среде, нехарактерной для взрослых особей. Личинки могут играть важную роль в расселении организмов. Например, личинки двухстворчатых моллюсков. Разная среда обитания снижает интенсивность внутривидовой борьбы за существование.

Непрямое развитие особей является важным приспособлением, возникшим в ходе эволюции

Стволовые клетки

В средние века алхимики искали “философский камень”, с помощью которого можно было бы превращать любое вещество в золото, а медики во все времена искали и ищут по сей день панацею – универсальное лекарство от всех болезней, которое сделало бы человека бессмертным.
В настоящее время учёные считают, что клетки ранних человеческих зародышей могут быть такой панацеей от многих болезней человека. Из этих клеток, как из ствола ветви и веточки, происходят все остальные типы клеток. Поэтому клетки ранних человеческих зародышей и называют стволовыми клетками (см. рисунок сверху, где показаны несколько эмбриональных стволовых клеток на острие иглы).
Обычные (неполовые) клетки живых организмов узко специализированы, то есть, предназначены для выполнения каких-либо определённых функции:
• клетки костной ткани формируют скелет,
• мышечные клетки умеют сокращаться по нашему желанию, двигая наши кости и сокращая сердце, перекачивающее кровь,
• клетки крови разносят кислород и отвечают за иммунитет,
• нервные клетки проводят электрический импульс, сообщая этим наши желания, например, мышечным клеткам, а
• клетки кожи защищают все остальные от внешнего мира.
Однако всё это великое многообразие клеток имеет весьма скромное начало - оплодотворенную клетку (зиготу). За 9 месяцев из одной клетки образуется 10¹³ клеток новорожденного! Но не только зигота может превращаться в любые клетки. В растущем организме у зиготы появляются двойники - так называемые, эмбриональные стволовые клетки. Эмбриональные стволовые клетки не только "хранят" в своих хромосомах информацию обо всем организме, как впрочем, и все клетки, но и "знают", как ею воспользоваться, чтобы размножиться в миллиарды клеток растущего живого существа. Никакие другие клетки "не умеют" этого делать.
Эмбриональные стволовые клетки человека впервые были выделены американскими учёными Д.Томпсоном и Д.Беккером в 1998 году, и это открытие является третьим по важности событием в биологии ХХ века после открытия двойной спирали ДНК и расшифровки генома человека.

Подпись к рисунку. Появление и трансформация стволовых клеток при эмбриональном развитии. Справа – налево, развитие из оплодотворённой яйцеклетки (1) сначала бластоцисты (2), а потом гаструлы (3), показанных в разрезе. Стрелкой показано, как плюрипотентные стволовые клетки из бластоцисты переносят в искусственную среду (питательный раствор, налитый в чашку Петри), в которой они могут долго храниться и размножаться. Стрелки, выходящие из гаструлы, показывают, как три типа мультипотентных стволовых клеток могут превращаться в различные органы, клетки и ткани организма. Рисунок взят из Sci.Am, June 2004.

Когда оплодотворённая яйцеклетка (зигота) начинает делиться, образуются первые тотипотентные стволовые клетки, т. е., способные образовывать клетки любых типов. Примерно через пять дней стволовые клетки становятся непохожими друг на друга (происходит их дифференциация) и вместе они образуют бластоцисту, (см. рисунок внизу) внутри которой находится уже около сотни клеток.

Подпись к рисунку. Разорванная бластоциста с несколькими стволовыми клетками (красные), оставшимися внутри. Рисунок взят из Sci. Am., Dec 2001.

Однако тотипотентных клеток в бластоцисте уже нет. Там находятся уже другие стволовые клетки - плюрипотентные, которые могут превращаться в почти все типы клеток, но не во все. Из плюрипотентных стволовых клеток, расположенных внутри эмбриона, в дальнейшем образуются различные органы будущего организма. Позднее бластоциста превращается в гаструлу, а плюрипотентные стволовые клетки – в мультипотентные. Одни из них могут впоследствии превратиться в различные внутренние органы, другие – в мышцы и кровь, а третьи – в кожу и нервные клетки.
Таким образом, каждая эмбриональная стволовая клетка может превратиться в один из 350 возможных типов клеток. Эмбриональная стволовая клетка лишь ждет специального "сигнала", чтобы начать одно из своих превращений.
При пересадке эмбриональных стволовых клеток в какой-либо орган из них всегда образуются только клетки этого органа, что позволяет использовать эмбриональные стволовые клетки для восстановления поврежденных органов и тканей, лечения множества тяжелых заболеваний.
Следует отметить, что даже у новорождённого эмбриональных стволовых клеток очень мало - всего сотые доли процента, вот почему исследователям так трудно было получить их в "чистом виде".
Во взрослом организме стволовые клетки находятся, в основном, в костном мозге. Это т.н. кроветворные стволовые клетки, которые превращаются в различные клетки крови и стромальные стволовые клетки, из которых вырастает костная, жировая и мышечная ткань (см. рисунок внизу). Кроме того, в очень небольших количествах во всех органах присутствуют, т.н. “региональные” стволовые клетки.

Подпись к рисунку. Трансформация кроветворных (КК) и стромальных (СК) стволовых клеток взрослого человека, находящихся в его костном мозге (КМ). Рисунок взят из Sci.Am, June 2004.

Стволовые клетки обеспечивают восстановление поврежденных участков органов и тканей. Стволовые клетки, получив сигнал о какой-либо "неполадке", по кровяному руслу устремляются к по раженному органу. Стромальные стволовые клетки могут восстановить практически любое повреждение, превращаясь на месте в необходимые организму клетки (костные, гладкомышечные, печеночные, сердечной мышцы или даже нервные). Попадая в поражённое инфарктом сердце, они преобразуются в клетки сердечной мышцы, в поражённом инсультом головном мозгу - в нейроны и глиальные клетки. Стволовые клетки могут превращаться в клетки печени, костного мозга и т. д. Это даёт надежду на излечение огромного количества самых различных заболеваний.
Однако запас стволовых клеток взрослого организма очень невелик. Поэтому случается так, что обновить утраченные клетки организм самостоятельно уже не в состоянии - или очаг поражения слишком велик, или организм ослаблен, или возраст уже не тот.
Когда мы рождаемся, у нас в костном мозге на 10 тысяч стволовых кроветворных клеток приходится одна стромальная клетка. У подростков стромальных клеток уже в 10 раз меньше. К 50-ти годам на полмиллиона стволовых - одна стромальная клетка, а в 70 лет отбирать пробу костного мозга просто бессмысленно - там всего лишь одна стромальная клетка на миллион стволовых. То есть, сдавать костный мозг имеет смысл только в молодом возрасте. Ну, а вообще, донорские стромальные клетки удобнее всего получать прямо при рождении из пуповины и плаценты, где они тоже содержатся в достаточном количестве.
Подпись к рисунку. Стволовые клетки пуповинной крови новорожденного ребенка могут стать своеобразной страховкой на время его долгой и счастливой жизни от многих болезней. Рисунок взят из Sci.Am., Apr. 2001.

Хранение пуповина при температурах ниже -130^оС может осуществляться в течение многих десятков (и даже сотен) лет. Это позволяет хранить детские стволовые клетки донора до возникновения потребности в них при заболевании или в старости. Реакция отторжения на собственные стволовые клетки исключена полностью. Поскольку использование стволовых клеток весьма эффективно при почти любых заболеваниях, связанных со старением можно ожидать, что их сохранение от рождения до соответствующего возраста позволит отодвинуть наступление старческих изменений и радикально продлить жизнь.

Подпись к рисунку. Пуповина, плацента и кровь новорожденного в морозилке. Многие родители в США и Европе уже с 1992 года хранят в специальных морозилках пуповины своих детей. Рисунок взят из Sci.Am., Apr. 2001.

Химео - и лучевая терапия, используемые для уничтожения раковых клеток, убивает и стволовые клетки. В результате, больной, вылечившийся от рака, может умереть сразу же от пневмонии, так как из-за отсутствия стволовых клеток он лишён иммунитета. Поэтому, чтобы не лишать больного иммунитета, перед противораковой терапией у него забирают стволовые клетки, а после химео - или лучевой терапии вводят ему обратно стволовые клетки, взятые у него до этого.
Уже сейчас многие российские клиники обещают "излечить все недуги и омолодить" всех желающих стволовыми клетками. Но всегда надо иметь ввиду:

1. До сих пор не разработана методика получения (клонирования) стволовых клеток, именно, для Вас,
2. клинический опыт применения стволовых клеток чрезвычайно мал или вообще отсутствует;
3. отдаленные последствия лечения стволовыми клетками неизвестны;
4. существует риск заболеть раковыми заболеваниями;
5. опасность инфицирования при терапии стволовыми клетками, т.к. часто неизвестно, где, как и из чего были получены эти стволовые клетки и тестировались ли они на инфекционную безопасность.
И всё-таки есть надежда, что в БУДУЩЕМ с помощью стволовых клеток можно будет помочь больному излечиться от цирроза, инсульта, паралича, диабета, ряда заболеваний нервной системы. Для этого из взвеси клеток костного мозга больного выделят некоторое количество стволовых клеток, размножат их, а потом увеличенное их число “положат на место”. При этом нет опасности иммунного отторжения вводимых клеток, т.к. они «свои»!