Мезенхимальные стволовые клетки. Достижения и перспективы

УДК 602.9 

Волотовский, И. Д. Мезенхимальные стволовые клетки. 
Достижения и перспективы / И. Д. Волотовский ; Нац. акад. 
наук Беларуси, Ин-т биофизики и клеточной инженерии. – 
Минск : Беларуская навука, 2023. – 200 с. : ил. – ISBN 978985-08-3012-8.

Монография посвящена важной проблеме клеточной биофизики – 
структуре, функции и клиническому применению мезенхимальных стволовых клеток, имеющих для организма важное ключевое значение в течение всей его жизни, начиная от эмбриогенеза – формирования тканей 
и органов, их клеточного самообновления и репарационных процессов 
как мощного эндогенного лечебного фактора при заболеваниях и повреждениях, и кончая естественными процессами старения. Учитывая немыслимо большой массив фундаментальных и прикладных данных о мезенхимальных стволовых клетках, появившихся в течение последних 30 лет, 
автор ограничился рассмотрением нескольких узловых проблем, в области которых работал он сам и его коллектив.
Предназначена для специалистов – клеточных биофизиков, биохимиков, молекулярных генетиков, физиологов, работающих в научно-исследовательских и высших учебных заведениях, а также аспирантов, магистрантов и студентов соответствующих специальностей. 
Табл. 11. Ил. 20. Библиогр.: 302 назв.

Рецензенты:
академик НАН Беларуси, доктор биологических наук, 
профессор Л. В. Хотылева, 
член-корреспондент НАН Беларуси, доктор биологических наук, 
профессор Е. И. Слобожанина

ISBN 978-985-08-3012-8
© Институт биофизики и клеточной 
инженерии НАН Беларуси, 2023 
© Оформление. РУП «Издательский дом
«Беларуская навука», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ВСТРЕЧАЮЩИЕСЯ СОКРАЩЕНИЯ И ТЕРМИНЫ ...........................................................................................................  
6

ПРЕДИСЛОВИЕ  ..........................................................................................  
8

Глава 1. БИОГЕНЕЗ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК, ИХ ИСТОЧНИКИ 
IN VITRO, ВЫДЕЛЕНИЕ, КУЛЬТИВИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ КЛЕТОК ................................................................................  12

Глава 2. НИШИ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК 
ВО ВЗРОСЛОМ ОРГАНИЗМЕ ................................................................  22

2.1. Мезенхимальные стволовые клетки сердечной ткани  .............  22
2.2. Тканевые стволовые клетки кожи  ...............................................  43
2.3. Стволовые клетки волосяных фолликулов .................................  45

Глава 3. ГЕТЕРОГЕННОСТЬ ПОПУЛЯЦИЙ МЕЗЕНХИМАЛЬ-
НЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК ................................................................  48

Глава 4. ГИПОКСИЯ – КЛЮЧЕВОЙ ФАКТОР ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК  50

4.1. Физиологические основы гипоксии клеточного микроокружения ......................................................................................................  53
4.2. Mезенхимальные стволовые клетки костного мозга .................  55
4.3. Мезенхимальные стволовые клетки жировой ткани .................  62
4.4. Характеристики потребления кислорода в генно-инженерных системах. Потребление кислорода в 2D- и 3D-конструкциях 
мезенхимальных стволовых клеток ...................................................  63
4.5. Регуляция давления кислорода в развивающихся тканях ........  64

Глава 5. ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТКАНЕВЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК И ИХ СТАРЕНИЕ   68

5.1. ДНК-метилирование ......................................................................  71
5.2. Структура гистонов и ее модификация .......................................  73

5.3. Эпигенетическая регуляция структуры гистонов. Старение ...  74
5.4. Роль некодирующих РНК в эпигенетической регуляции функцио нирования стволовых клеток .........................................................  75
5.5. Функция длинных некодирующих РНК и их связывающих 
белков в эпигенетической регуляции стволовых клеток  ................  77

Глава 6. ДИФФЕРЕНЦИРОВОЧНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК. РОЛЬ ТРАНСКРИПЦИОННЫХ ФАКТОРОВ  ...............................................................................  82

6.1. Механизмы дифференцировки мезенхимальных стволовых 
клеток ......................................................................................................  88
6.1.1. Остеогенная дифференцировка  .........................................  89
6.1.2. Хондрогенная дифференцировка  ......................................  90
6.1.3. Адипогенная дифференцировка  ........................................  91
6.1.4. Миогенная дифференцировка. Клетки скелетной мускулатуры ........................................................................................  93
6.1.5. Эндотелиальная дифференцировка  ..................................  95

Глава 7. ИСКУССТВЕННЫЕ ЭМБРИОНАЛЬНЫЕ СТВОЛОВЫЕ 
КЛЕТКИ. ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПЛЮРИПОТЕНТНЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ. ПРОРЫВ В КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ ............  99

7.1. Источники индуцированных плюрипотентных стволовых 
клеток ......................................................................................................  104
7.2. Вторая генерация. Прямое клеточное репрограммирование 
in vivo ......................................................................................................  105
7.3. Типы дифференцированных клеток и генетическая память ....  106
7.4. Индуцирование плюрипотентности при модификациях генома  107
7.5. Конструирование комплексов новых векторов с факторами 
репрограммирования ............................................................................  108
7.6. Стимулирование плюрипотентности иПСК биомолекулами 
и генетической сигнализацией ............................................................  108
7.7. Индукция и стимулирование репрограммирования клеток 
РНК-сигналами ......................................................................................  109
7.8. Индукция и стимулирование плюрипотентности иПСК химическими соединениями ....................................................................  110
7.9. Сохранение и модификация плюрипотентности и геномной 
стабильности в иПСК ...........................................................................  110
7.10. Использование условий культивирования без подложки и 
ксенобиотиков ........................................................................................  112
7.11. Биоматериалы ................................................................................  115
7.12. Применение 3D-клеточных технологий и биопечати ..............  116

7.13. Применение стволовых клеток, находящихся в нижней цепи 
событий в системе регенеративного процесса, скрининге лекарств, моделировании заболеваний и в качестве лекарственного 
средства ..................................................................................................  117

Глава 8. ПРОФИЛЬ, ФУНКЦИИ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК И ИХ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ........  120

8.1. Механизмы, лежащие в основе клеточной терапии ...................  123
8.2. Иммуномодуляторные свойства стволовых клеток ..................  133
8.3. Растворимые факторы иммунной модуляции ............................  134
8.4. Паракринные свойства мезенхимальных стволовых клеток ...  135
8.5. Антиапоптозные факторы .............................................................  137
8.6. Факторы антиокисления  ...............................................................  138
8.7. Внеклеточные везикулы (экзосомы).............................................  139

Глава 9. БИОМЕДИЦИНСКИЕ КЛЕТОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ (БМКП)  143

9.1. Типы биодеградируемых носителей мезенхимальных стволовых клеток. Требования к биодеградируемым носителям ..............  144
9.2. Создание БМКП-носителей животного и неживотного происхождения ............................................................................................  145

Глава 10. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ КЛЕТОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛЕЧЕНИЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ ЧЕЛОВЕКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АУТОЛОГИЧНЫХ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК .............................................................................................  147

10.1. Трофические язвы голени ............................................................  147
10.2. Стрессовое недержание мочи у женщин ...................................  151
10.3. Пародонтозы  .................................................................................  155
10.4. Дистрофические поражения роговицы глаза ............................  160
10.5. Профилактика послеоперационного образования рубцов на 
матке и бесплодия  ................................................................................  166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................  173

ЛИТЕРАТУРА ...............................................................................................  179

НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ВСТРЕЧАЮЩИЕСЯ 
СОКРАЩЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

АФК – активные формы кислорода
ВКМ – внутриклеточный матрикс
ГСК – гемопоэтические стволовые клетки
ЖТ – жировая ткань
иПСК – индуцированная плюрипотентная стволовая клетка
кДНК – комплементарная ДНК
КМЦ – кардиомиоциты
Кроссток – понятие, заимствованное из политики и означающее многосторонние взаимодействия между компонентами в гетерогенной биологической среде с участием разнообразных физических и химических сил 
ЛСК – лимбальные стволовые клетки
МСК – мезенхимальные стволовые клетки
Ниша – структурно-функциональное микроокружение ТСК в ткани или 
органе
НК – натуральный киллер
Праймирование – экспрессия большого числа МСК, ассоциированных 
с разными системами дифференцировки клеток
Прогениторные клетки – клетки, коммитированные к дифференцировке 
стволовой клетки
ПЦР – полимеразная цепная реакция
СНМ – стрессорное недержание мочи
ССЗ – сердечно-сосудистые заболевания
ТСК – тканевые (зрелые -adult) стволовые клетки, входящие в состав ниш
ХСН – хроническая сердечная недостаточность
ЭСК – эмбриональные стволовые клетки
AGE – усовершенствованные конечные продукты гликирования 
AP – щелочная фосфатаза 
BMP – костный морфогенетический белок 
BMSC – стволовые клетки костного мозга
BSP – костный сиалопротеин 

CD – кластер дифференцировки 
CFU-F – колониеобразующие фибробласты
EDG – ген эндотелиальной дифференцировки
EGF – эпидермальный фактор роста
FABP4 – белок связывания жирных кислот 
FGF – фактор роста фибробластов
FIH1 – фактор, ингибирующий HIF-1
GAG – гликозаминогликаны 
HFG – гепацитарный фактор роста 
HIG – гипоксией индуцированный ген
HLA – лейкоцитарный антиген 
IGF – инсулиновый фактор роста 
IL – интерлейкин 
Lin – маркеры клеток 
LnсRNA – некодирующие РНК
LPL – липопротеинлипаза лимфоидной и миелоидной линий 
MAPC – мультипотентные тканевые прогениторные клетки
MCP – моноцитарный хемоаттрактантный белок 
MPC – предшественники мезенхимальных стволовых клеток 
NO – оксид азота
PD – удвоение популяции 
PDGF-BB – тромбоцитарный фактор роста 
pg(piggi)RNA – прегеномная РНК
PG – протеогликан 
PHD – пропил-4-гидроксилаза 
PPAR – активированный рецептор пероксисомной пролиферации 
Sca-1 – антиген стволовых клеток 1
siRNA – малые интерферирующие РНК
SSEA – специфический эмбриональный антиген 
STC – станиокальцин
STRO-1 – стромальный антиген 1 
TIMP – тканевой ингибитор металлопротеиназы 
VCAM-1 – сосудистый антиген адгезии 1 
VEGF – сосудистый эндотелиальный фактор роста
VHL – белок von Hippel Linda 
↑ – увеличение 
↓ – уменьшение 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В наши дни биология переживает бурный прогресс. И это 
результат объективного развития этого чрезвычайно важного 
для человека и привлекательного для исследователя направления современной науки. Расцвет биологии обусловлен несколькими выдающимися достижениями, связанными с ее 
превращением из науки, занимающейся регистрацией биологической феноменологии на макроуровне, в науку, которая 
направила все усилия на проникновение в тайны процессов 
жизнедеятельности на микроуровне, благодаря чему биология превратилась из науки качественной в науку количественную. Первым знаменательным событием явились представления о вторичной структуре ДНК – двойной спирали, 
представленные в 1953 г. Криком и Уотсоном. Затем Кендрью 
и др. установили детальное строение белков: как они устроены и что следует понимать под их первичной, вторичной, 
третичной и четвертичной структурами. Следующим аналитическим этапом развития биологии явилась разработка уникальных методов определения первичной структуры белков 
и ДНК, представления о генетическом коде, строении генов, 
их транскрипции и трансляции. 
На фоне описанных достижений клеточная биология 
оставалась в тени, хотя уже были известны стволовые клетки, но их роль в организме оставалась непонятной и не привлекала особого внимания. Прорыв произошел в 90-е годы 
прошлого столетия. Стали понятными источники стволовых 

Памяти моего учителя 
академика В. С. Конева  
посвящается

клеток, их свойства, физиологическая роль и возможное использование на практике. Их разделили на гемопоэтические, 
мезенхимальные и тканевые, хотя у них был общий предшественник – эмбриональные стволовые клетки – клеточная 
масса бластоцисты – продукт превращения яйцеклетки после 
ее оплодотворения и бурного деления клеток. Предметом рассмотрения в предлагаемой монографии являются мезенхимальные и тканевые стволовые клетки, обладающие уникальной способностью самообновляться и дифференцироваться, 
т. е. превращаться в соматические клетки различных органов 
и тканей. Сложилась и их иерархия. Ранние мезенхимальные стволовые клетки участвуют в процессах эмбриогенеза, 
формирования функционально активного организма. На более поздних этапах развития основная структурно-функциональная нагрузка ложится на так называемые тканевые стволовые клетки, находящиеся в органах и тканях и входящие 
в состав особых многоклеточных структур, получивших название ниш. Функции тканевых стволовых клеток сводятся 
к самообновлению и дифференцировке в органах и тканях, 
и как проявление метаболических процессов обновлению их 
клеточного состава в течение всей жизни организма. Следует 
отметить еще одно важное обстоятельство – свои функциональные свойства стволовые клетки проявляют в нишах только той ткани, в которой они располагаются и, следовательно, 
характеризуются тканевой специфичностью. С возрастом количество стволовых клеток в тканях и органах падает и это 
приводит к торможению процессов самообновления, что выражается в снижении их репаративной активности и является признаком старости. Рассматривая практические аспекты проблемы стволовых клеток, наиболее привлекательной 
представляется ожидаемая возможность их использования 
в качестве универсального средства против самых разнообразных соматических заболеваний и травм органов и тканей, а также средств для возможного омоложения организма 
и применения в косметологии.

Интерес к стволовым клеткам был настолько высок, что 
их изучением во всем мире стало заниматься большое количество исследователей. Иллюстрацией этого может стать гигантское количество публикаций по мезенхимальным стволовым клеткам. Так, в поисковой системе PubMed на данный 
момент приводится несколько сот тысяч англоязычных публикаций, большое количество монографий. Но все они коллективные и это не случайно: изложить в книге очень объемную и исчерпывающую информацию о стволовых клетках 
и обо всех аспектах проблемы одному автору чрезвычайно 
трудно. Большая часть исследований посвящена клиническому использованию мезенхимальных стволовых клеток при 
лечении различных заболеваний практически всех систем 
организма человека. На постсоветском пространстве сформировались и приобрели большую известность несколько 
крупных научно-исследовательских коллективов, занимающихся фундаментальными и прикладными исследованиями мезенхимальных стволовых клеток, в Москве, Минске, 
Санкт-Петербурге, Пущино-на-Оке, Казани, Новосибирске 
и др. Активные исследования в данном направлении ведутся 
за рубежом [1] и в России [2, 3]. Следует отметить крупные 
и активно работающие по этой проблеме лаборатории в Москве (МГУ – В. А. Ткачук, Е. В. Парфенова, М. А. Лагарькова, 
НМЦУАГП – Г. Т. Сухих, 2-й государственный медицинский 
университет – М. А. Пальцев, Институт медико-биологических проблем – Л. В. Буравкова и др.), Санкт-Петербурге (Институт цитологии РАН, НМИЦ им. Алмазова – Е. В. Шляхто и др.), Томске, Новосибирске (В. В. Власов, С. М. Закиян), 
Пущино-на-Оке (Е. Е. Фесенко). Несмотря на некоторое разочарование, связанное с отрицательными результатами клинических испытаний и невоплощением в реальность ожидаемых 
результатов, интерес к мезенхимальным стволовым клеткам 
не ослаб, а, наоборот, усилился, поскольку к исследованиям 
наряду с Западными коллективами присоединились китайские и японские ученые, явившиеся участниками второго