Гематопоез

Термін „кров”, в широкому розумінні, включає гемопоетичну тканину і периферичну кров, а у вузькому розумінні — стосується тільки периферичної крові. Периферична кров являє собою суспензію клітин в плазмі крові, що знаходиться в кровоносних судинах та серці. Усі клітин крові — червоні кров'яні тільця (еритроцити), білі клітини крові (лейкоцити) та кров'яні пластинки (тромбоцити) — утворюються гемопоетичною тканиною, а сам процес називається гемопоезом  або кровотворенням.

В дорослої людини єдиною кровотворною тканиною є червоний кістковий мозок , який розташований в кістках. В кістках дорослої людини в надлишку місця для розміщення кровотворної тканини, яка називається червоним кістковим мозком, тому більша частина кістковомозкового каналу заповнена жировою тканиною, що утворює так званий жовтий кістковий мозок. Кровотворні клітини первинно з’являються в так званій AGM ділянці ембріона, разом з клітинами попередниками для аорти, залоз та нирок (мезонефрос [mesonephros]). Протягом внутрішньоутробного розвитку вони переміщуються в печінку та селезінку, де починають кровотворну функцію, а в кінці внутрішньоутробного розвитку переходять в червоний кістковий мозок. Червоний кістковий мозок протягом внутрішньоутробного періоду та дозрівання знаходиться в усіх кістках, а в дорослих залишається переважно в стегнових кістках, хребцях, ребрах, а також грудині та всюди має однаковий склад. Жовтий кістковий мозок може трансформуватись в червоний кістковий мозок у випадку тривалої потреби в нових формених елементах. При патологічних станах в дорослих осіб селезінка та печінка можуть частково брати на себе кровотворну функцію кісткового мозку, тільки тоді коли кровотворення в кістках порушене або місце для червоного кісткового мозку атрофоване. В якихось інших органах гемопоез не відбувається. Механізми внаслідок яких гемопоез може інтенсифікуватись, це збільшення об'єму червоного кісткового мозку та скорочення часу дозрівання клітин-попередників.

Окрім гемопоетичних органів в організмі також присутні органи лімфопоезу, в яких із клітин котрі надійшли із червоного кісткового мозку утворюються клітини імунної системи, які є частиною системи гемопоезу. Основним органом лімфопоезу є червоний кістковий мозок. Наступним за значимістю органом лімфопоезу в порівнянні із іншими органами є тимус . Інші органи лімфопоезу включно із селезінкою, лімфовузлами, пеєровими бляшками, мигдаликами, являються органами, що вторинно заселюються клітинами які приносяться до них кров'ю з червоного кістково мозку та тимусу.

Переміщення з одного місця організму в зовсім інше протягом онтогенетичного періоду є унікальною особливість гемопоетичної системи. Простір всередині кровотворних органів заповнений сіткою з волокон, що синтезуються фібробластами, та утворюють строму (каркас) цих органів. Частина фібробластів проходить подальшу диференціацію до адипоцитів. Тимус має додаткову епітеліальну строму. Кровотворні клітини, прилягаючи до фібробластів, адипоцитів та волокон і частково один до одного, заповнюють ці простори. В порівнянні з іншими органами цей контакт відносно слабкий, тому це дозволяє робити забір червоного кісткового мозку методом аспірації.

Еритроцити та тромбоцити які утворюються в кровотворних органах виділяються в кров, де знаходяться протягом всього часу свого існування та виконують свою функцію. Процес виділення клітин червоним кістковим мозком регулюється клітинами ендотелію судин червоного кісткового мозку, які формують бар'єр кров–кістковий мозок, та виділяють тільки зрілі клітини. Цей бар'єр не функціонує в печінці та селезінці, якщо гематопоез туди перенесений внаслідок патологічного процесу; в цьому випадку в крові з’являються незрілі клітини.

Лейкоцити в більшості випадків виконують свої функції поза кров’ю; а кров'ю транспортуються в периферичні тканини. Деякі з цих клітин (напр. тучні клітини [мастоцити], T лімфоцити з γδ рецепторами) практично повністю відсутні в крові, та знаходяться в тканинах. Це можливо завдяки тому, що кров'ю переносяться попередники цих клітин, які дозрівають на місці. Частина лімфоцитів після того як переходить з крові в тканини, а з тканин лімфатичними судинами у лімфатичні вузли, знову повертається в кров.

Усі типи клітин крові походять із стовбурових гемопоетичних клітин. Основною відмінністю цих стовбурових клітин є здатність до самовідтворення (клонування), тобто здатність утворювати внаслідок поділу ідентичну з тією яка поділилась клітину. Поділи наступних клітин відбуваються із утворенням більш дозрілих форм, допоки не буде досягнута диференціація до кінцевої форми (напр. нейтрофіли), які вже не здатні до поділу. Самовідтворення стовбурових клітин необхідне для існування системи кровотворення, принаймні протягом всього життя людини, для забезпечення існування в умовах постійного використання кінцевих форм. Другою, окрім клонування особливістю стовбурових кровотворних клітин є здатність диференціюватись. Гемопоетичні стовбурові клітини повинні формувати 11 головних клітинних рядів (мал. VI.A.1-1). Диференціювання є поступовим процесом. На першому етапі утворюються стовбурові клітини мієлопоезу і лімфопоезу . Потім із мієлоїдних стовбурових клітин формуються клітинні ряди:

1) еритроцитарний

2) мегакаріоцитарний

3) нейтрофільний

4) макрофагальний

5) еозинофільний

6) базофільний

7) мастоцитарний

Зі стовбурових клітин лімфопоезу формуються ряди В лімфоцитів, Т лімфоцитів та NK-лімфоцитів (natural killers – натуральні кілери). Один вид клітин, а саме дендритні клітини, покидає поділ на мієлопоез та лімфопоез; ці клітини утворюються як в мієлопоетичному ряді (дендритні клітини I типу, що утворюються протягом макрофагопоезу), так і в лімфопоетичному (дендритні клітини II типу, що утворюються протягом Т-лімфопоезу).

Окрім цього поділу деякі клітинні лінії мають додаткову внутрішню диференціацію. Передусім це стосується макрофагального ряду, з якого окрім дендритних клітин I типу також утворюються тканинні макрофаги, а саме: макрофаги слизових оболонок, макрофаги порожнин тіла, клітини Купфера в печінці, а також клітини які не є макрофагами, наприклад остеокласти. Серед лімфопоетичної лінії найбільш внутрішньо диференційованим є ряд T-лімфоцитів, який включає 2 головні субпопуляції Т-лімфоцитів: ряди γδ-Т-лімфоцитів та ряди αβ-Т-лімфоцитів, серед яких диференціюють CD4+ T-хелпери і CD8+ цитотоксичні Т-лімфоцити. Додатковою відмінністю В та Т лімфопоетичних рядів є клональна диференціація асоційована з їх антигенною специфічністю. Тільки серед самих В-лімфоцитів виділяють ≈100 000 клонів з іншою послідовністю генів імуноглобулінів, що дозволяє кожному з цих клонів взаємодіяти з різними антигенами. Нові кров'яні клітини утворюються з метою заміщення клітин які відпрацювали свій ресурс. Щоденно руйнується ≈200 млрд. еритроцитів і ≈100 млрд. нейтрофілів, які повинні бути замінені новими клітинами. Процес їх відтворення має свою ієрархію. Протягом диференціювання стовбурових клітин відбувається їх остаточна диференціація після чого утворюються так звані клітини-попередники гемопоезу (committed cells), які також називають прогеніторними (progenitor cells ). Прогеніторні клітини надалі залишаються незрілими формами; шляхом наступних поділів вони дозрівають до стадії бластних клітин тобто клітин попередниць, які наділені певними характерними ознаками кінцевих форм. Жодні форми стовбурових клітин, та жодні форми клітин-попередників гемопоезу не мають характерних візуальних ознак тому при світловій мікроскопії схожі на лімфоцити. В процесі дозрівання клітин спочатку відбувається збільшення кількості клітин; так зване остаточне дозрівання відноситься до клітин які втратили здатність до поділу.

В дорослих людей стовбурові клітини постійно циркулюють в крові переміщаючись поміж окремими місцями з активним гемопоезом. Це означає, що одні стовбурові клітини постійно покидають своє місце розташування та переходять у кров, натомість інші переходять з крові займаючи відмінне від попереднього місце активного гемопоезу.

Так само як і гемопоез — гемопоетична строма має власні стовбурові клітини, що називаються мезенхімальними стовбуровими клітинами.

Гемопоез з однієї сторони детермінований внутрішнім генетичним кодом гемопоетичних стовбурових клітин, з іншої сторони детермінований взаємодією поміж клітинами. Клітини взаємодіють за допомогою двох основних типів молекул, це молекули клітинної адгезії та цитокіни. Молекули клітинної адгезії передають інформацію щодо локалізації клітини, а цитокіни — як клітина повинна функціонувати. В процесі передавання інформації поміж клітинами також беруть участь позаклітинні молекули, що називаються лігандами, а також рецептори які зв’язуються з ними на поверхні клітин. Цитокіни це ліганди, які зв’язуються із своїми рецепторами. Молекули клітинної адгезії гемопоезу виконують функцію рецепторів по відношенню до стромальних гемопоетичних білків чи адгезивних молекул інших клітин. Як правило рецептори є трансмембранними, а їх внутрішньоклітинна частка передає інформацію далі. Наступною ланкою є цитоплазматичні протеїнкінази, найчастіше тирозинкіназа та серин-треонін кіназа. Вони натомість активують фактори транскрипції в клітинному ядрі. Фактори транскрипції складаються із двох основних частин: одна дозволяє з’єднуватись із визначеним місцем ДНК в клітинному ядрі, а інша робить можливим початок транскрипції конкретного гена (або генів). Як наслідок це призводить до утворення в клітині нових білків та зміни її функціонального стану, включно із поділом чи реалізацією конкретної функції.

Більшість гемопоетичних цитокінів, так званих гемопоетинів, часто називають факторами росту, через їх здатність до стимуляції росту гемопоетичних колоній з клітин червоного кісткового мозку в умовах культивування ex vivo. Ця функція є необхідною для формування системи та підтримки постійного утворення клітин відповідного типу, а в дорослої людини вона доповнена функцією регулювання заміщення вже існуючих клітин. Нормальні клітини до моменту заміщення вимагають постійного надходження відповідних для даного типу клітини цитокінів. Без таких сигналів вони будуть скеровані в напрямку запрограмованої смерті клітини, тобто апоптозу.

Цитокіни для клітин - це насамперед фактори виживання, і тільки у більших концентрація вони стають факторами росту. Залежність виживання клітин від постійного поступлення специфічних для них цитокінів є основним механізмом підтримання нормального клітинного гомеостазу організму та його багаторічне існування у майже незмінній зовні формі. Це діє таким чином, що в конкретному місці секретуються цитокіни в концентрації яка забезпечує існування напр. 100 клітин. Коли з'являється 101. клітина, тоді або вона має загинути, або апоптозу зазнає одна з раніше існуючих клітин.

Організм також синтезує незначну кількість «цитокінів запрограмованої смерті» основною функцією яких є активація клітинного апоптозу. До таких цитокінів зокрема належить фактор некрозу клітин-α (TNF-α, інший синонім кахектин).

Цитокіни гемопоезу можна умовно розділити на ті, що діють на плюрипотентні клітини та на конкретні клітинні лінії. Деякі цитокіни які діють на плюрипотентні клітини також демонструють вплив на більш зрілі клітини окремих рядів. Найбільш вивчені фактори, що діють на плюрипотентні клітини це: KIT Ligand (KL), тобто Steel фактор (SLF), який інколи неправильно називають фактором стовбурових клітин (stem cell factor [SCF]), а також FLT-3 (STK-1) Ligand і інтерлейкін-3 (IL-3). Найважливіші цитокіни які діють на прогеніторні клітини, клітини попередниці та кінцеві зрілі форми це: еритропоетин , тромбопоетин, гранулоцитарний колонієстимулюючий фактор (G-CSF), гранулоцитарно-макрофагальний колонієстимулюючий фактор (GM-CSF ), макрофагальний колонієстимулюючий фактор (M-CSF ), IL-5, IL-2 і IL-4, а також тромбоцитарний фактор росту (PDGF).

Прикладом адгезивних молекул, що мають для системи гемопоезу є: CD34 і VLA-4. CD34 це адгезивна молекула фізіологічне значення якої досі не з'ясоване, знаходиться на гемопоетичних клітинах та є дуже корисною в якості їх маркера, що придатний для визначення їх кількості та виділення. VLA-4 (very late antigen) це ліганд адгезивної молекули VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule), яка розташована на гемопоетичних стромальних клітинах. Вона виконує основну роль в адгезії гемопоетичних клітин до строми. Анти-VLA-4 антитіла призводять до виходу гемопоетичних клітин на периферію.

Оскільки гемопоетичні цитокіни відповідають за виживання та проліферацію клітин крові, а молекули адгезії за їх контакт зі стромою, то їх переміщення відбувається під впливом спеціального типу цитокінів — хемокінів. Вони діють завдяки формуванню градієнтів концентрацій вздовж яких переміщуються клітини. На даний час ідентифіковано >50 різних хемокінів, а також ≥18 їх рецепторів, це означає, що окремі рецептори можуть активуватись 2 чи навіть більшою кількістю хемокінів. Також відомо, що хемокіном який відіграє головну роль в керуванні переміщенням гемопоетичних клітин є — SDF-1 (стромальний клітинний фактор). CXCR4 є рецептором цього хемокіну та розташований на поверхні стовбурових клітин. Це має значне практичне значення, тому що блокування цього рецептора призводить до вивільнення гемопоетичних клітин в периферичну кров. Саме цей рецептор ВІЛ використовує для потрапляння в клітину.

Деякі рецептори цитокінів (FLT-3, KIT, M-CSF рецептор, PDGF рецептор) мають власну тирозинкіназу, а інші з метою передачі інформації про стимул повинні використовувати цитоплазматичні тирозинкінази, а саме JAK2, ABL, SRC та інші. У випадку мутацій генів цих кіназ виникає їх постійна активація і вони трансформуються в онкогени та відіграють значну роль в розвитку лімфом та інших пухлин системи гематопоезу. Рецептори цитокінів також можуть додатково стимулювати сигнальний шлях так званих білків G (для адгезивних молекул та хемокінів це основний сигнальний шлях). У випадку мутації, що викликає активацію гену одного із білків цього шляху (RAS) теж може індукувати пухлинну поведінку клітин, так само як гени факторів транскрипції.

Гемопоетичні кровотворні клітини характеризуються відносно інтенсивною проліферацією, а кожен поділ клітин асоційований із виникненням мутацій. Цей процес асоційований із віком — клітини немовляти зазвичай мають 0–1 таку мутацію, клітини людини віком 40–50 років — 4–7 мутацій, а клітини людини віком 70–80 років — 8–12 мутацій. Вони не мають практичного значення оскільки не відносяться до генів котрі значимі для проліферативної активності чи виживання цих клітин. В інших випадках, вони надають клітинам нащадкам проліферативну перевагу, що призводить до розмноження клону мутованих клітин. На початку, а інколи протягом тривалого часу в цього клону відсутні онкологічні ознаки тому він не викликає жодних патологічних наслідків. Це явище стосується як лімфо-, так і мієлопоезу (мал. VI.A.1-2). Утворення клону зазнає подальшої еволюції і всередині нього утворюються клітини, в яких як внаслідок первинних (ініціюючих) мутацій нашаровуються наслідки вторинних мутацій. Це ситуації при яких можна спостерігати передракові стани, та їх прогресування в рак. Мутації які малігнізують певний субклон називаються драйверними, а мутації які посилюють малігнізацію — модифікуючими. Зазвичай первинні (ініціюючі) мутації надають клону проліферативну перевагу, драйверні мутації (зазвичай утворення онкогену) — незалежність від обмежень росту, а модифікуючі мутації – резистентність до токсичних факторів, включно з лікарськими засобами. Модифікуючі мутації можуть виникати перед драйверними, окрім того, в різних клітинах одного клону можуть виникати інші драйверні мутації. Першим ідентифікованим передраковим клональним станом була моноклональна гаммапатія невизначеного значення (MGUS — розд. VI.G.5.1), другим — пароксизмальна нічна гемоглобінурія (ПНГ [PNH] — розд. VI.D.6.2.4), третім – моноклональний В-клітинний лімфоцитоз (MBL — розд. VI.G.2.1), та недавно — клональний гемопоез з невизначеним значенням (CHIP).

З віком підвищується число осіб, в яких присутній невеликий клон неправильних, мутованих клітин, однак гемопоез не демонструє якихось значимих патологічних симптомів. Клітини такого клону мають мутації генів які визначені раніше в гострій фазі гострого мієлобластного лейкозу (ГМЛ [AML]) і мієлодиспластичних синдромах (МДС [MDS]). Ситуації при яких спостерігаються такі явища власне і названо клональним гемопоезом з невизначеним значенням — CHIP. Люди які є носіями такого клону складають навіть кільканадцять відсотків в віковій групі >80 років, натомість у людей віком <40 років — <1%. Найчастіше, мутованим є ген ДНК-метилтрансферази (DNMT3A), рідше TET2, ASXL1 і інші. Мутації першого відіграють найбільшу роль в малігнізації ПНГ. Натомість, у осіб без ПНГ, але носіїв клону з мутацією одного із вище наведених генів ризик виникнення протягом року МДС або ГМЛ становить 0,5–1%. Тому CHIP за визначенням є станом при якому в системі гемопоезу можна визначити (з частотою яка перевищує 2%) клон мутованих клітин, але при дослідження кісткового мозку не визначаються ознаки типові для МДС, чи підвищене число бластів, що характерне для ГМЛ, чи клітин з мутацією PIGA характерних для ПНГ.

В більшості випадків клональні передракові стани не викликають жодних симптомів захворювань та вимагають лише спостереження (напр. загальний аналіз крові, зазвичай кожні 3 міс.) з метою раннього виявлення їх малігнізації в пухлинний процес який вимагатиме лікування. Однак, в деяких випадках, продукти такого клону можуть викликати хвороби з відмінними від новоутворів наслідками, тобто виникати внаслідок надмірної кількості клітин певного типу. Наприклад моноклональний білок, що синтезується клоном MGUS може пошкоджувати нирки (т. зв., моноклональна гамапатія неуточненого генезу), а клон ПНГ може викликати важку анемію та тромботичні ускладнення. Такі стани потребують лікування. MBL зазвичай не супроводжується жодними симптомами хвороби, а CHIP інколи викликає помірну цитопенію здорових клітин, а також підвищує серцево-судинний ризик, в основному ризик інфаркту міокарда. Останнє явище, пояснюється індукцією атеросклеротичних змін спричиненою активованими внаслідок вище наведеної мутації макрофагами.

Знання біології гемопоетичних клітин має фундаментальне значення для таких терапевтичних методів як трансплантація червоного кісткового мозку, що по суті і є трансплантацією цих клітин (інші клітини червоного кісткового мозку виконують допоміжну роль). Гемопоетичні стовбурові клітини можна отримувати безпосередньо із червоного кісткового мозку або після їх мобілізації цитокінами, цитостатиками та інгібіторами CXCR4 з периферичної крові.