Кровотво́рення (), гематопое́з або гемопое́з – процес утворення клітин крові із гемопоетичних стовбурових клітин (інша назва – гемоцитобласти). Гемоцитобласти дають початок клітинам-попередникам, які інтенсивно діляться і поступово диференціюються у зрілі формені елементи крові. На перших етапах кровотворення розгалужується на дві лінії: мієлоїдну (дає початок еритроцитам, мегакаріоцитам, гранулоцитам та моноцитам) та лімфоїдну (дає початок В-лімфоцитам, Т-лімфоцитам та природним кілерам (NK-клітинам). В нормі в організмі людини утворюється приблизно 1011-1012 нових формених елементів на добу, для підтримання їх постійного рівня.
Місця кровотворення В організмі дорослої людини єдиним органом кровотворення є кістковий мозок. Проте, під час ембріонального розвитку гемопоез починається задовго до появи в зародка кісток. Перші етапи кровотворення відбуваються у жовтковому мішку, такий гемопоез називають «примітивним», його основне завдання – утворення еритроцитів, що сприятимуть кращому газообміну у тканинах зародка, який швидко росте. Інші клітини крові ще не утворюються. Еритроцити, на цій стадії містять ембріональний гемоглобін (HbE). У жовтковому мішку кровотворення тісно пов'язане із утворенням клітин ендотелію судин, вважається, що червоні кров’яні тільця та ендотеліоцити походять із спільного попередника — стовбурових клітин гемангіобластів.. Примітивний гемопоез у людини триває до кінця другого місяця ембріонального розвитку .
У ссавців наступним місцем кровотворення є ділянка, що оточує дорзальну аорту, її називають AGM (від , аорта-гонади-мезонефрос), тут починається дефінітивний (остаточний) гемопоез. У людини гемопоез в ділянці дорзальної аорти триває від 27 до 40 дня ембіріогенезу . Незабаром гемопоетичні стовбурові клітини мігрують у печінку та селезінку зародка, які є основними місцями кровотворення від 6 тижня до 6-7 місяця ембіріонального розвитку, продукування клітин крові на низькому рівні тут продовжується до 2-ох тижнів після народження . Кістковий мозок стає основним місцем геомопоезу на 6-7 місяць розвитку зародка, а до кінця першого місяця постнатального періоду залишається єдиним місцем, в якому утворюються нові формені елементи крові.
У ранньому дитинстві весь кістковий мозок залучений у гемопоезі, проте згодом у довгих кістках гемопоетичні клітини починаються замінюватись жировою тканиною. У дорослих людей червоний кістковий мозок, що забезпечує кровотворення зберігається в епіфізах довгих кісток та у плоских кістках, навіть тут він на 50% складається із жиру. Інколи у дорослих людей кровотворення може відновлюватись у печінці та селезінці, такий стан називається екстрамедулярним гемопоезом, і є патологічним .
Гемопоетичні стовбурові клітини
Кровотворення розпочинається із гемопоетичних стовбурових клітин (ГСК) або гемоцитобластів. В організмі людини таких клітин дуже мало, зазвичай менше ніж одна ГСК на 5×104 клітин кісткового мозку (за іншими джерелами – 1 ГСК на 2×107). Стовбурові клітини мають дві основні властивості: здатність диференціюватись у інші типи клітин та спроможність підтримувати власну популяцію на сталому рівні.
Завдяки самовідновленню кількість гемопоетичних стовбурових клітин залишається приблизно сталою впродовж всього життя особини. Проте, коли організм потребує швидких темпів кровотворення, ГСК можуть демонструвати величезну проліферативну активність. Ця їхня властивість може бути продемонстрована у досліді із мишами, яким повністю руйнують систему кровотворення, шляхом опромінення летальною дозою радіації (950 рад). Опромінені миші помирають за 10 днів, якщо їм не пересадити нормальні клітини кісткового мозку від генетично сумісного донора. Хоча нормальна миша має 3×108 клітин кісткового мозку, введення тільки 104-105 донорських клітин (тобто 0,01-0,1% від нормальної кількості) є достатнім для повного відновлення системи кровотворення, що доводить величезну здатність стовбурових клітин до проліферації та диференціації .
У схожому досліді була доведена мультипотентність ГСК: клітини донора перед введенням в організм опроміненої миші мітились спеціальними генетичними маркерами. Такі маркери можуть вводитись у клітини за допомогою ретровірусних векторів (як і всі ретровіруси вони можуть вбудовувати свій геном у геном клітини, але не здатні до утворення вірусного потомства). Через деякий час після введення мічених клітин миші, її кров'яні тільця перевіряються на наявність відповідної генетичної мітки. Оскільки всі формені елементи крові у миші-реципієнта були міченими, це свідчить про, те що вони є нащадками мультипотентних стовбурових клітин, введених від донора . Маркери диференціації гемопоетичних стовбурових клітин Маркери (або кластери) диференціації – це молекули, які наявні тільки на поверхні одного або кількох видів клітин. Використання флюоресцентно мічених антитіл до маркерів диференціації дозволяє отримувати майже чисті препарати одного типу клітин за допомогою методу протокова цитометрії, а саме флуоресцентно-активованого сортування клітин ().
Перші спроби виділити популяцію гемопоетичних стовбурових клітин у 1988 році здійснив Вайсман () та колеги. Їхній підхід базувався на негативній селекції: оскільки маркери диференціації для ГСК були невідомі, але відомі для інших типів клітин, то із препаратів кісткового мозку за допомогою флуоресцентно-активованого сортування видалялись всі зрілі клітини крові. Після цього клітини, що залишились тестувались на здатність відновлювати кровотворення в опромінених мишей. Використання негативної селекції дозволило досягнути такого рівня концентрації ГСК, за якого всього тридцяти клітин із очищеного препарату було достатньо для відновлення гемопоезу . Також було з’ясовано, що на поверхні гемоцитобластів мишей наявний поверхневий антиген Sca-1 (stem-cell antigen 1).
Пізніше був відкритий маркер диференціації CD34, наявний на поверхні невеликої популяції (близько 1 %) людських клітин залучених до кровотворення, яка охоплює і стовбурові клітини. Відкриття цього маркера дозволило зробити процедуру виділення ГСК досить простою і досягати рівнів очищення, за яких навіть одна клітина із певною імовірністю може відновити всю систему кровотворення .
Відомі кластери диференціації для гемопоетичних стовбурових клітин мишей та людей наведені у таблиці. Таблиця маркерів диференціації геомопоетичних ствобурових клітин Stem cell information від The National Institutes of Health resource for stem cell researchМиша Людина CD34low/- CD34+ Sca1+ CD59+ 1 Thy1+/low Thy1+ CD38+ CD38low/- C-kit+ C-kit-/low lin- 2 lin- 2 1 Була оцінена тільки одна родина CD59 маркерів
2 На lin- клітинах відсутні від 13 до 14 макреів диференціювання зрілих клітин крові
Моделі для вивчення гемопоетичних стовбурових клітин людини Основною моделлю для виявлення та дослідження властивостей людських ГСК є миші із важким комбінованим імунодефіцитом (). В них не працює специфічна імунна система (відсутні Т і В лімфоцити), що бере участь у відторгненні чужорідних клітин, тканин і органів. Через це людські тканини кісткового мозку, що містять ГСК, а також тканини тимуса добре приживаються у мишей із SCID. Після введення дослідним тваринам різних субпопуляцій людських CD34+ клітин із кісткового мозку, досліджується розвиток клітин крові людини. За відсутності людських факторів росту розвивається тільки невелика кількість клітин-попередників гранулоцитів та макрофагів. Проте, якщо в організм миші ввести разом із популяцією CD34+ еритропоетин та інші цитокіни, спостерігається утворення клітин-попередників та зрілих клітин мієлоїдного, лімфоїдного та еритроїдного рядів.
Комітовані клітини-попередники
На перших етапах кровотворення, мультипотентні стовбурові клітини можуть диференціюватись по одному із двох шляхів, даючи початок або клітині-попереднику лімфоїдного ряду, або клітині-попереднику мієлоїдного ряду. На цей процес впливає мікрооточення, зокрема наявність та концентрація певних факторів росту. Клітини-попередники лімфоїдного чи мієлоїдного ряду відрізняються від ГСК своєю нездатністю до самовідновлення, а також тим, що вони комітовані до певного клітинного ряду (тобто їхня доля вже визначена): Комітована клітина-попередник лімфоїдного ряду дає початок Т і В лімфоцитам, а також NK-клітинам () та деяким дендритним клітинам; Комітована клітина попередник мієлоїдного ряду дає початок іншим клітинам крові – еритроцитам (червоним кров'яним тільцям), більшості лейкоцитів (нейтрофілам, еозинофілам, базофілам, моноцитам, мастоцитам та дендритним клітинам) та мегакаріоцитам (від яких відшнуровуються тромбоцити).
Комітування є поступовим процесом. До того, як клітина-попередник перестане проліферувати і стане зрілою, вона встигає багато разів поділитись і дати початок великій кількості відповідних спеціалізованих клітин. Через це, внаслідок всього лише одного поділу ГСК, може утворитись кілька тисяч зрілих клітин різних типів. Саме тому ГСК становлять тільки дуже невеличку частину від загальної популяції клітин кісткового мозку. Із цієї ж причини можливо підтримувати високі темпи кровотворення навіть за умов дуже повільного поділу стовбурових клітин. А це важливо для того, щоби зменшити ризик виникнення мутацій у стовбурових клітинах, яке могло би мати наслідком постійне утворення колоній мутантних клітин в організмі. Повільний поділ ГСК також потрібний, щоб уникнути реплікативного старіння. Гемоцитобласти, модифіковані таким чином, що вони діляться швидко (наприклад шляхом нокауту гену Gfi 1, який обмежує швидкість проліферації) не можуть забезпечувати кровотворення впродовж всієї тривалості життя організму.
Роль клітин строми у кровотворенні
Крім кровотвірних клітин до кісткового мозку входять також і клітини строми (остеобласти, жирові клітини, ендотеліальні клітини, фібробласти та макрофаги), що утворюють гемопоез-індукуюче мікрооточення, потрібне для росту та диференціації ГСК і клітин-попередників. Гемопоез-індукуюче оточення складається із власне клітинного матриксу та гемопоетичних ростових факторів. Більшість із цих факторів є розчинними агентами, що досягають своєї мішені шляхом дифузії, інші ж можуть бути мембранозв'язаними і для реалізації свого ефекту потребувати безпосереднього клітинного контакту .
Клітини строми, зокрема остеобласти, також потрібні для підтримання гемоцитобластами статусу недиференційованих стовбурових клітин. Гемопоетичні стовбурові клітини можуть існувати у кістковому мозку тільки в окремих нішах, що створюються стромою. Основна властивість цієї ніші полягає у тому, що мікрооточення стимулює в ГСК сигнальний шлях Wnt (шлях, необхідний для підтримання стовбуровості). Також були виявлені інші сигнальні шляхи, задіяні в цьому процесі. Зокрема у мишей із специфічним синдромом, що включав анемію внаслідок нестачі еритроцитів, стерильність через відсутність гамет та нестачу пігментних клітин, спостерігались мутації у одному із двох генів: гені рецепторної тирозинкінази Kit або її ліганду. Було встановлено, що ліганд Kit експресується на поверхні стромальних клітин, і повинен бути мембранозв'язаним для того, щоб виконувати свою роль у підтриманні популяції стовбурових клітин. Інша назва цього білка - фактор стовбурових клітин (), він також може існувати і в розчинній формі, діючи не тільки не гемоцитобласти, а й на більш диференційовані клітини . Рецепторна тирозин-кіназа Kit присутня на поверхні стовбурових клітин (зокрема ГСК).
Роль цитокінів у кровотворенні