Рис. 82. Строение глаза и расположение лимб

Кишечник и роговица подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды, поэтому их зрелые клетки активно изнашиваются, а стволовые клетки размножаются относительно быстро. Многие другие ткани находятся в гораздо менее жестких условиях, и их зрелые клетки могут жить месяцы или даже годы. Стволовые клетки, обслуживающие такие ткани, делятся очень редко, но они все равно очень важны, особенно если нужен крупномасштабный ремонт после инфекции или травмы. Хорошим примером такой популяции являются стволовые клетки почек.

В почечных канальцах здорового человека клетки, как правило, живут долго, но они могут получить сильные повреждения и погибнуть в результате инфекции или отравления. При развитии почек (глава 10) длинные, сложные трубочки нефронов формировались из групп клеток, которые собирались вместе и образовывали цистообразный шар, который затем удлинялся и изгибался, формируя трубку. Этот процесс формирования новых канальцев из клеток, которые изначально не были частью нефронов, происходит только при эмбриональном развитии. После рождения в организме человека новые канальцы не могут образовываться с нуля, но, судя по всему, клетки канальцев могут заменяться за счет маленькой популяции стволовых клеток, существующей в особой зоне каждой трубочки, между клубочком и самой трубочкой (рис. 83).[342]

В здоровом организме уровень пролиферации этих стволовых клеток очень низок. Когда стволовые клетки «улавливают» повреждение клубочка или канальца (какими-то пока неизвестными способами), они делятся, и их дочерние клетки перемещаются в каналец или в клубочек, по мере своего продвижения переставая быть стволовыми клетками и приобретая свойства дифференцированных клеток. Добравшись до места назначения, они заполняют пробитую повреждением брешь.

Рис. 83. Местоположение стволовых клеток в канальцах зрелых почек (стволовые клетки могут также находиться в других местах)

На данный момент есть одна система, в которой нам известны по крайней мере некоторые сигналы. Это популяция стволовых клеток крови. Кровь в системе кровообращения содержит несколько типов зрелых клеток. Наиболее распространены эритроциты, содержащие гемоглобин – пигмент, который переносит кислород и придает крови ее характерный цвет. В гораздо меньших количествах в крови присутствуют различные клетки иммунной системы, в том числе фагоциты, В-клетки и Т-клетки (глава 17), а также кровяные пластинки (тромбоциты), играющие важную роль в процессе свертывания крови. На ранней стадии развития первые клетки крови образовались при взаимодействии тканей рядом с временными почками (глава 9), но затем эти ткани исчезли, и поддержание кровеносной системы переключилось на использование механизма, основанного на стволовых клетках. На какое-то время стволовые клетки поселяются в печени эмбриона, а после появления длинных костей перемещаются в их центральную часть. Стволовые клетки и развивающиеся клетки крови образуют большую часть костного мозга.

Как и в случае кишечника, сами стволовые клетки (гематопоэтические стволовые клетки, или ГСК) находятся в основании разветвленного древа разных типов дочерних клеток (рис. 84). Популяция ГСК делится медленно, поддерживая себя и давая начало дочерним клеткам, которые затем выбирают путь созревания. Дочерние клетки размножаются быстро и создают постоянно растущие колонии клеток, которые позже изберут свою судьбу, пройдя ряд определенных этапов (рис. 84). И в этом случае пролиферация клеток должна соответствовать потребностям организма – на смену погибающим клеткам крови должно приходить то же количество новых. Если бы в костном мозге образовалось слишком много новых клеток, кровь превратилась бы в густой «суп», а если бы клеток образовалось слишком мало, кровь не могла бы переносить достаточное количество кислорода или эффективно защищать организм. Баланс типов клеток тоже должен тщательно регулироваться и может меняться в зависимости от обстоятельств: например, во время поражения организма инфекциями количество защитных клеток увеличивается.

Рис. 84. «Генеалогическое древо» клеток, образующихся в костном мозге из гематопоэтических стволовых клеток (ГСК). Популяция этих стволовых клеток постоянно самоподдерживается и дает начало клеткам, расположенным выше на схеме. Эти клетки тоже размножаются, и поэтому каждое деление ГСК в нижней части «древа» приводит к образованию огромного количества терминально дифференцированных, зрелых клеток

Хитроумные эксперименты с клетками костного мозга, выращенными в лабораторных условиях, позволили выявить множество сигнальных молекул, влияющих на скорость пролиферации клеток костного мозга. Каждый тип клеток реагирует на определенный набор сигналов. Клетки, которые уже приняли решение стать эритроцитами, несут на своих поверхностях рецепторы для гормона эритропоэтина. При низком содержании этого гормона клетки делятся очень неактивно – можно сказать, выжидают. Если эритропоэтина мало, клетки энергично пролиферируют, и их дочерние клетки превращаются в новые эритроциты. Сам эритропоэтин производится в основном в той части почки, где кровоснабжение по анатомическим причинам довольно скудно даже у здорового человека. Клетки почек «ощущают» концентрацию кислорода вокруг них, используя ту же молекулярную систему, что и клетки, «запрашивающие» новые кровеносные сосуды (глава 9). Чем ниже концентрация кислорода, тем больше эритропоэтина выделяют и высвобождают клетки почек. Этот эритропоэтин идет к костному мозгу, где стимулирует пролиферацию клеток и, следовательно, производство новых эритроцитов. В результате кровь переносит больше кислорода, и его содержание в тканях повышается. Чувствуя это, клетки почек сокращают производство эритропоэтина, и система приостанавливает свою работу, так что производство эритроцитов только балансирует потери и поддерживает оптимальное число этих клеток.

Таким образом, система в целом самоорганизуется и производит ровно столько новых эритроцитов, сколько нужно. При этом ее отдельные компоненты не должны ничего «знать», а должны только правильно реагировать на простой химический сигнал. Этот механизм вполне надежен, если единственный источник эритропоэтина находится в здоровых тканях организма, но может нарушаться при болезненных состояниях, создающих ложные сигналы. Когда кровоснабжение почки снижается (например, при болезни или повреждении почечной артерии), клетки почки испытывают острую нехватку кислорода, в то время как остальные ткани организма находятся в полном порядке. Тогда клетки почек производят эритропоэтин в очень больших количествах, и новых эритроцитов производится слишком много. Аналогичным образом, если в организм вводят дополнительное количество эритропоэтина, костный мозг ведет себя так, как если бы количество эритроцитов достигло критически малого уровня, и производит новые клетки. Целый ряд спортивных скандалов последнего времени связан с тем, что спортсмены использовали эритропоэтин, чтобы увеличить кислородную емкость крови и, следовательно, максимальную мощность мышц.

Производство клеток иммунной системы и их предшественников в костном мозге также регулируется сигналами организма. Например, под действием микробного заражения существующие защитные клетки – Т-клетки и фагоциты (глава 17) – производят сигнальные молекулы дальнего действия. Они распространяются через кровеносную систему по всему организму и достигают костного мозга, где стимулируют клетки вырабатывать «коктейль» локальных сигнальных молекул. Эти сигналы запускают пролиферацию клеток, уже вступивших на путь дифференцировки в клетки иммунной системы, а также активируют быстрое созревание клеток иммунной системы. Таким образом костный мозг реагирует на заражение в любом месте организма и быстро посылает туда подкрепление.