Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Получение, свойства и перспективы применения в биологии и медицине

Настоящий обзор посвящен индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (ИПСК), открытие которых стало одним из выдающихся достижений медико-биологической науки начала XXI в. ИПСК являются, по сути, искусственно созданным в лабораторных условиях аналогом эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), пул которых формируется в оплодотворенной яйцеклетке и затем вовлекается в чрезвычайно сложные процессы онтогенеза. Рассматривается место стволовых клеток вообще и ИПСК в частности в иерархии клеток организма.

Описаны основные свойства этих клеток, сходство и различия между ИПСК и ЭСК, перспективы их практического применения в биологии и медицине, в том числе при лечении заболеваний человека, а также механизмы индуцированной дедифференцировки как в унипотентных клетках (фибробласты, кератиноциты и др.), так и в мультипотентных гемопоэтических стволовых клетках (ГСК) и мезенхимальных стромальных клетках (МСК).

B обзоре представлена информация об используемых в мире способах получения ИПСК, описываются протоколы репрограммирования, которые различаются по способу доставки генетического материала в клетку, условиям культивирования клеток в процессе их дедифференцировки и эффективности. B качестве примера приводится описание всего цикла дедифференцировки фибробластов человека в ИПСК. Кроме того, представлены данные об уникальных свойствах ИПСК, которые позволяют изучать in vitro процессы онтогенеза, патофизиологические процессы, имеющие место при различных заболеваниях, а также использовать данный тип клеток при разработке потенциальных лекарственных препаратов.

1. Zhu, Z. Human pluripotent stem cells: an emerging model in developmental biology / Z. Zhu, D. Huangfu // Development. - 2013. - Vol. 140, N 4. - P. 705-717. https://doi.org/10.1242/dev.086165

2. Волотовский, И. Д. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, CRISPR-Cas9 (Криспер) система редактирования геномов и перспективы решения проблемы генной терапии наследственных заболеваний человека / И. Д. Волотовский, А. Г Полешко // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. бiял. навук. - 2018. - Т. 63, № 1. - С. 113-125.

3. Kolios, G. Introduction to stem cells and regenerative medicine / G. Kolios, Y. Moodley // Respir. Int. Rev. Thorac. Dis. -2013. - Vol. 85, N 1. - P. 3-10. https://doi.org/10.1159/000345615

4. Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cells: past, present, and future / S. Yamanaka // Cell Stem Cell. - 2012. - Vol. 10, N 6. - P. 678-684. https://doi.org/10.1016/j.stem.2012.05.005

5. Stadtfeld, M. Induced pluripotency: history, mechanisms, and applications / M. Stadtfeld, K. Hochedlinger // Genes Dev. - 2010. - Vol. 24, N 20. - P. 2239-2263. https://doi.org/10.1101/gad.1963910

6. Генетическое репрограммирование клеток: новая технология для фундаментальных исследований и практического использования / А. Н. Богомазова [и др.] // Генетика. - 2015. - Т. 51, № 4. - С. 466-478.

7. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки / А. И. Шевченко [и др.] // Генетика. - 2009. - Т. 45, № 2. -С. 160-168.

8. Молекулярные механизмы индуцированной плюрипотентности / И.А. Мучкаева [и др.] // Acta Naturae (русскоязычная версия). - 2012. - Т. 4, № 1 (12). - С. 12-23.

9. Boiani, M. Regulatory networks in embryo-derived pluripotent stem cells / M. Boiani, H. R. Scholer // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. - 2005. - Vol. 6, N 11. - P. 872-884. https://doi.org/10.1038/nrm1744

10. Regenerative medicine and stem cells biology / ed. El-Badri Nagwa. - Cham : Springer, 2020. - 374 p.

11. Hanna, J. H. Pluripotency and cellular reprogramming: facts, hypotheses, unresolved issues / J. H. Hanna, K. Saha, R. Jaenisch // Cell. - 2010. - Vol. 143, N 4. - P. 508-525. https://doi.org/10.1016/j.cell.2010.10.008

12. Highly efficient miRNA-mediated reprogramming of mouse and human somatic cells to pluripotency / F. Anokye-Danso [et al.] // Cell Stem Cell. - 2011. - Vol. 8, N 4. - P. 376-388. https://doi.org/10.1016/j.stem.2011.03.001

13. Maherali, N. Guidelines and techniques for the generation of induced pluripotent stem cells / N. Maherali, K. Hoched-linger // Cell Stem Cell. - 2008. - Vol. 3, N 6. - P. 595-605. https://doi.org/10.1016/j.stem.2008.11.008

14. Malik, N. A review of the methods for human iPSC derivation / N. Malik, M. S. Rao // Meth. Mol. Biol. - New York, 2013. - Vol. 997 : Pluripotent Stem Cells. Methods and Protocols / ed. : U. Lakshmipathy, M. C. Vemuri. - P. 23-33.

15. Lin, T. p53 switches off pluripotency on differentiation / T. Lin, Y. Lin // Stem Cell Res. Ther. - 2017. - Vol. 8, N 1. -P. 44. https://doi.org/10.1186/s13287-017-0498-1

16. Research and therapy with induced pluripotent stem cells (iPSCs): social, legal, and ethical considerations / M. Sharif [et al.] // Stem Cell Res. Ther. - 2019. - Vol. 10, N 1. - Art. 341. https://doi.org/10.1186/s13287-019-1455-y

17. A mesenchymal-to-epithelial transition initiates and is required for the nuclear reprogramming of mouse fibroblasts / R. Li [et al.] // Cell Stem Cell. - 2010. - Vol. 7, N 2. - P. 51-63. https://doi: 10.1016/j.stem.2010.04.014

18. BMPs functionally replace Klf4 and support efficient reprogramming of mouse fibroblasts by Oct4 alone / J. Chen [et al.] // Cell Res. - 2011. - Vol. 21, N 1. - P. 205-212. https://doi.org/10.1038/cr.2010.172

19. Apostolou, E. Chromatin dynamics during cellular reprogramming / E. Apostolou, K. Hochedlinger // Nature. - 2013. -Vol. 502, N 7472. - P. 462-471. https://doi.org/10.1038/nature12749

20. Maturation, not initiation, is the major roadblock during reprogramming toward pluripotency from human fibroblasts / K. Tanabe [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2013. - Vol. 110, N 30. - P. 12172-12179. https://doi.org/10.1073/pnas.1310291110

21. Tang, Y. JAK-STAT3 and somatic cell reprogramming / Y. Tang, X. C. Tian // JAK-STAT. - 2013. - Vol. 2, N 4. -P. e24935. https://doi.org/10.4161/jkst.24935

22. Stage-specific regulation of reprogramming to induced pluripotent stem cells by Wnt signaling and T cell factor proteins / R. Ho [et al.] // Cell Rep. - 2013. - Vol. 3, N 6. - P. 2113-2126. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2013.05.015

23. iPSC modeling of severe aplastic anemia reveals impaired differentiation and telomere shortening in blood progenitors / D. Melguizo-Sanchis [et al.] // Cell Death Dis. - 2018. - Vol. 9, N 2. - P. 128. https://doi.org/10.1038/s41419-017-0141-1

24. Generating patient-specific induced pluripotent stem cells-derived cardiomyocytes for the treatment of cardiac diseases / D. Jeziorowska [et al.] // Expert Opin. Biol. Ther. - 2015. - Vol. 15, N 10. - P. 1399-1409. https://doi.org/10.1517/14712598.2015.1064109

25. Induced pluripotent stem cells: fundamentals and applications of the reprogramming process and its ramifications on regenerative medicine / B. Walia [et al.] // Stem Cell Rev. - 2012. - Vol. 8, N 1. - P. 100-115. https://doi.org/10.1007/s12015-011-9279-x

26. Induced pluripotent stem cells from highly endangered species / Inbar Friedrich Ben-Nun [et al.] // Nat. Meth. - 2011. -Vol. 8, N 10. - P. 829-831. https://doi.org/10.1038/nmeth.1706

27. Некрасов, Е. Д. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки как модель для изучения болезней человека / Е. Д. Некрасов, М. А. Лагарькова, С. Л. Киселев // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. -2011. - Т. 6, № 2. - С. 32-37.