ПРИМЕР КЕЙСА ПО БИОЛОГИИ

Кейс. Клеточная медицина. Современные медицинские технологии.

Тема занятия: Дифференциация клеток. Многоклеточный организм. Биология 10 класс.

Цель: создать условия для осмысления информации о способности клеток к дифференциации, к возможностям применения этой способности при лечении различных заболеваний человека.

Задачи:
1. Способствовать развитию у обучающихся умений работать с различными
источниками информации: текстом учебника, схемой, рисунками, Интернет -
источниками;
2. Способствовать развитию умений, работая в группе, действовать по инструкции, сообща, презентовать результаты работы;
3. Способствовать развитию умений выдвигать гипотезы, отвечать на вопросы, находить пути решения проблемных ситуаций.

Используемые педагогические технологии: технология проблемного обучения; технология развития критического мышления; личностно-ориентированная технология; кейс – технология.

Методы: словесные, наглядные.

"Женщина, 55 лет, получила тяжелые ожоги при взрыве газового баллона. Через полгода после ожогов обратилась в нашу клинику со следующими жалобами - боли по всей поверхности ожогов, ограничение подвижности руки (инвалидность 3 группы в связи с этим). 
Работоспособность резко снижена, т.к. любая одежда усиливала болевые ощущения. 
Получила три процедуры собственных стволовых клеток из жировой ткани в течение года.  После первого же введения резко снизилось чувство боли, повысилась работоспособность, рубцы побледнели, снялось воспаление.  После второго введения пораженные участки начали уменьшаться в размерах, на их месте появилась нормальная ткань, рубцы словно съеживались, подвижность руки заметно увеличилась.  После третьего введения клеток рубцовая ткань активно замещалась нормальной, подвижность руки полностью восстановилась, инвалидность снята.

На фотографиях представлены исходное состояние пациентки и результаты после первых двух процедур.
В настоящее время (после третьего введение клеток) состояние кожи значительно улучшилось.  

Электронный журнал.www.cellmed.ru 2006-2017 "Клеточная медицина

Вопросы к аудитории.

1. Каким образом клетки разных органов и тканей оказываются разными по своему строению и функциям, т.е. дифференцированными (от лат.differentia-различие)?

2. Что такое стволовые клетки. Как они работают?

3. Какие заболевания модно было бы лечить с помощью стволовых клеток?

4. С помощью каких структур происходит взаимосвязь между клетками в пределах тканей.

Информационный материал:

Многоклеточный организм - «государство клеток», сложнейшая система, складывающаяся из взаимодействий миллиардов крошечных существ, обладающих сложным поведением и общающихся между собой посредством разнообразных химических и физических сигналов. Изучение социального поведения клеток, выращиваемых в клеточных культурах, - один из путей к пониманию того, как из отдельных клеток складывается целостный организм.

Обычно под «социальным поведением» понимают согласованные действия индивидуальных организмов в коллективе (популяции, колонии, семье и т.п.). Однако этот термин вполне приложим и к отдельным клеткам, составляющим многоклеточный организм. Еще Рудольф Вирхов, знаменитый немецкий ученый XIX века, метко назвал многоклеточный организм «государством клеток».

*Глоссарий.

Ру́дольф Людвиг Карл Ви́рхов (нем. Rudolf Ludwig Karl Virchow; 13 октября 1821, Шифельбайн, Померания — 5 сентября 1902,Берлин) — немецкий учёный и политический деятель второй половины XIX столетия, врач, патологоанатом, гистолог, физиолог, один из основоположников клеточной теории в биологии и медицине, основоположник теории клеточной патологии в медицине; был известен также как археолог, антрополог и палеонтолог.

«Мы не всегда осознаем, как сложен и замечателен процесс образования многоклеточного организма из огромного числа отдельных клеток. Ведь каждая клетка - сложное существо, обладающее индивидуальным очень непростым поведением и способностью реагировать на большое количество сигналов среды…»

При выращивании клеток вне организма (в клеточной культуре) клетки, конечно, ведут себя и общаются друг с другом не совсем так, как в своей «родной» среде обитания, то есть в тканях многоклеточного организма. Однако изучать поведение клеток в культуре гораздо легче и удобнее, чем внутри живого организма, и этот экспериментальный подход позволил получить много интересных данных. Практическая применяемость полученных результатов к целостному организму - это вопрос отдельный, и во многих случаях вполне разрешимый.

На поведение клеток как в «естественной среде», так и в культуре могут влиять три вида внешних сигналов:

1) Химические вещества, растворенные в окружающей жидкой среде (тканевой жидкости); химические сигналы могут быть «дальнодействующими» (гормоны) и «близкодействующими» (например, факторы роста);

*Глоссарий.

Гормо́ны (др.-греч. ὁρμάω — возбуждаю, побуждаю) — биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желёз внутренней секреции, поступающие в кровь, связывающиеся с рецепторами клеток-мишеней и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции. Гормоны служат гуморальными (переносимыми с кровью) регуляторами определённых процессов в различных органах и системах.

Существуют и другие определения, согласно которым трактовка понятия «гормон» более широка: «сигнальные химические вещества, вырабатываемые клетками тела и влияющие на клетки других частей тела». Это определение представляется предпочтительным, так как охватывает многие традиционно причисляемые к гормонам вещества: гормоны животных, лишённых кровеносной системы (например, экдизоны круглых червей и др.), гормоны позвоночных, которые вырабатываются не в эндокринных железах (простагландины, эритропоэтин и др.), а также гормоны растений.

Факторы роста — это естественные соединения, способные стимулировать рост, пролиферацию и/или дифференцировку живых клеток. Как правило, это пептидные или стероидные гормоны. Факторы роста функционируют как сигнальные молекулы для взаимодействия между клетками. Примерами являются цитокины и гормоны, связываемые специфическими клеточными рецепторами.

2) Контакт с внеклеточным матриксом. В «естественных» условиях клетки тканей обычно прикрепляются к матриксу; в культурах «поверхность искусственной подложки из стекла или пластика обычно покрывается выработанным посеянными клетками внеклеточным матриксом - коллагеновыми, фибронектиновыми или иными волокнами». В процессе прикрепления к матриксу клетки образуют псевдоподии, на которых образуются «фокальные контакты» в виде особых бляшек, к которым прикрепляются пучки актиновых филаментов. Прикрепляясь к матриксу, клетка «распластывается», ее форма из сферической превращается в уплощенную.

*Глоссарий.

Внеклеточный матрикс (англ. extracellular matrix, ECM) — внеклеточные структуры ткани (интерстициальный матрикс и базальные мембраны). Внеклеточный матрикс составляет основу соединительной ткани, обеспечивает механическую поддержку клеток и транспорт химических веществ. Кроме того, клетки соединительной ткани образуют с веществами матрикса межклеточные контакты (гемидесмосомы, адгезивные контакты и др.), которые могут выполнять сигнальные функции и участвовать в локомоции клеток. Так, в ходе эмбриогенеза многие клетки животных мигрируют, перемещаясь по внеклеточному матриксу, а отдельные его компоненты играют роль меток, определяющих путь миграции.

3) Контакты с другими клетками. При соприкосновении клеток между ними формируются особые контактные образования (адгезионные структуры) нескольких разных типов. Контакт с другими клетками ведет к прекращению образования псевдоподий (так называемый «контактный паралич»). Когда контактов с другими клетками много, это ведет к прекращению клеточных делений (контактное торможение размножения).

*Глоссарий.

Адгезивные контакты (англ. adherens junctions, AJ) — якорные межклеточные контакты, ассоциированные с микрофиламентами, обеспечивающие целостность и механическую прочность ткани, в частности противостояние растяжению, придающие клеткам возможность координированно использовать актиновый цитоскелет.

Псевдопо́дии, или ложноно́жки — цитоплазматические выросты у одноклеточных организмов и некоторых видов клеток многоклеточных. Используются клетками для передвижения (амёбоидное движение) и ловли крупных частиц (например, пищи или материала для строительства раковины)

Авторы описывают некоторые особенности поведения фибробластов в культуре. Один из характерных «фокусов», входящих в репертуар фибробластов, называется «заживление раны». Если удалить с подложки часть плотной однослойной культуры фибробластов (монослоя), то клетки начинают активно двигаться с края «раны» на свободную поверхность. Попав туда, клетки начинают ускоренно делиться. В результате рана быстро «заживает». После этого клетки, заполнившие рану, начинают вырабатывать фибронектин, коллаген и другие компоненты внеклеточного матрикса. Все это очень похоже на заживление дефектов соединительной ткани в организме.

*Глоссарий.

Фибробласты (от лат. fibra — волокно и греч. βλάστη — росток) — клетки соединительной ткани организма, синтезирующие внеклеточный матрикс. Фибробласты секретируют предшественники белков коллагена и эластина, а также мукополисахариды.

Фибронектин (англ. Fibronectin) —белок внеклеточного матрикса.

Эпителиальные клетки, в отличие, от фибробластов, редко существуют поодиночке: обычно они связаны в однослойные пласты. При выращивании в культуре края таких пластов начинают активно образовывать псевдоподии и «расползаться».

*Глоссарий.

Эпителий (лат. epithelium, от греч. ἐπι- — сверх- и θηλή — сосок молочной железы), или эпителиальная ткань — слой клеток, выстилающий поверхность (эпидермис) и полости тела, а также слизистые оболочки внутренних органов, пищевого тракта, дыхательной системы, мочеполовые пути. Кроме того, образует большинство желёз организма.

При этом клетки движутся не поодиночке, а в виде многоклеточных тяжей (это можно сравнить с согласованными перемещениями некоторых микроорганизмов). «При этом отдельные лидерные клетки по неизвестным причинам вырываются вперед, впрочем, не разрывая полностью контактов с соседними клетками. Клетки-лидеры тянут за собой соседние краевые и задние клетки, в результате чего на краю пласта могут образоваться многослойные выросты, «языки» различной длины

Многие особенности поведения клеток в культуре связаны с реорганизацией сигнальных систем клетки , которая, в свою очередь, ведет к преобразованию цитоскелета.

Исследования социального поведения клеток, в том числе при выращивании в культуре, помогут в конце концов решить «одну из величайших проблем биологии - проблему механизмов образования многоклеточного организма из отдельных клеток».

Стволовы́е кле́тки — недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.

Развитие многоклеточных организмов начинается с одной стволовой клетки, которую принято называть зиготой. В результате многочисленных циклов деления и процесса дифференцировки образуются все виды клеток, характерные для данного биологического вида. В человеческом организме таких видов клеток более 220. Стволовые клетки сохраняются и функционируют и во взрослом организме, благодаря им может осуществляться обновление и восстановление тканей и органов. Тем не менее, в процессе старения организма их количество уменьшается.

В современной медицине стволовые клетки человека трансплантируют, то есть пересаживают в лечебных целях. Например, трансплантация гемопоэтических стволовых клеток производится для восстановления процесса гемопоэза (кроветворения) при лечении лейкозов и лимфом.

Свойства и разновидности стволовых клеток

 Основным свойством любой стволовой клетки является ее потентность, определяемая степенью дифференцировки и пролиферации. Рассмотрим, что означают данные термины.

Потентность – это строго ограниченная способность стволовой клетки превращаться в определенные виды клеток различных органов. Чем большее количество видов клеток может образоваться из стволовой, тем выше ее потентность. Например, из фибробласта (стволовая клетка соединительной ткани) могут образовываться сосуды, жировые клетки, клетки кожи, хрящей, волос и ногтей, а из мезенхимальной стволовой клетки способны сформироваться кардиомиоциты, мышечные волокна и т.д. То есть, каждая стволовая клетка, на самом деле, имеет возможность превращаться только в ограниченный спектр клеток, которые обладают некоторыми общими свойствами и функциями. Например, мезенхимальная стволовая клетка не сможет превратиться в клетку кожи или волос. В связи с такими ограничениями потентности выделены следующие виды стволовых клеток:

Тотипотентные – способны превращаться в клетки всех без исключения органов и тканей;

Полипотентные (мультипотентные) – способны превращаться в клетки нескольких видов органов или тканей, имеющих общее эмбриональное происхождение;

 Монопотентные – способны превращаться только в разновидности клеток какого-либо одного органа.
 Использование стволовых клеток

В настоящее время использование стволовых клеток делится на три сферы – это экспериментальные исследования, лечение различных заболеваний и омоложение. Причем сфера экспериментальных исследований занимает не менее 90% общего пула использования стволовых клеток. В ходе экспериментов врачи-биологи изучают возможность перепрограммирования и расширения потентности клеток, способы их превращения в различные специализированные клетки различных органов, методы выращивания целых органов и т.д. В экспериментальной сфере использования стволовых клеток прогресс идет буквально семимильными шагами, поскольку каждый день ученые сообщают о новых достижениях. Так, уже были выращены нормально функционирующие сердце и печень из стволовых клеток. Правда эти органы не пробовали кому-либо пересаживать, но это произойдет уже в обозримом будущем. Соответственно, решится проблема донорских органов для людей, которым требуется трансплантация. Уже реальностью является использование клапанов сосудов и сердца, выращенных из стволовых клеток, для протезирования. Использование стволовых клеток для лечения различных заболеваний проводится в рамках ограниченных клинических испытаний, когда больному предлагается данный вариант и объясняется, какие положительные моменты и риски это может повлечь. Обычно стволовые клетки применяют только для терапии тяжелых, хронических и неизлечимых другими методами заболеваний, когда шансов на выживание и хоть небольшое улучшение состояния практически нет. Благодаря таким клиническим испытаниям врачи получают возможность видеть, каковы эффекты стволовых клеток, и какие побочные действия может вызывать их использование. На основании результатов наблюдений разрабатываются наиболее безопасные и эффективные клинические протоколы, в которых прописываются рекомендованные дозировки стволовых клеток (общее вводимое количество в штуках), места и способы введения, а также оптимальные сроки терапии и ожидаемые эффекты. С целью омоложения стволовые клетки могут вводить в подкожную клетчатку или в структуры кожи, а также внутривенно. Такое применения стволовых клеток позволяет уменьшить видимые признаки возрастных изменений на некоторый промежуток времени. Для поддержания длительного эффекта стволовые клетки придется вводить периодически через индивидуально подобранные интервалы. В принципе, данная манипуляция при правильном выполнении является безопасной.
http://www.tiensmed.ru/news/stvolkletki-cd3

ОЦКБ – Донецкая областная центральная клиническая больница, старое название медицинского учреждения, которое сейчас называется ИНВХ имени Гусака (институт неотложной и восстановительной хирургии), но большинство горожан так и продолжают называть данное медицинское учреждение по-старому. Одним из самых важных центров ОЦКБ является центр кардиохирургии, в данный момент в этом учреждении проводятся уникальные операции на сердце и крупных сосудах, хирурги центра занимаются как взрослой, так и детской патологиями, в том числе исправлениями пороков, протезированием клапанов сердца, постановками кардиостимуляторов и т.д. Разработалась и внедряется методика пересадки стволовых клеток, в некротизированные участки сердца. Кардиохирургия ИНВХ не раз была отмечена на многочисленных конференциях и встречах врачей разного уровня. В данный момент данный центр расширяется, идет постройка и введение в строй отдельного детского отделения.

Особо стоит отметить отделение комбустиологии, ожоговое, и отделение пластической хирургии. В данном центре выполняются уникальные операции по пересадке кожи, лечения тяжелейших ожогов и обморожений, аллотрансплантации кожных лоскутов. Совместно с центром по исследованиям стволовых клеток, комбустиологи занимаются выращиванием кожи самого пациента из стволовых клеток.

http://donetskua.com.ua

Проверка выполнения работы:
1. Устная проверка выполнения кейса.

2. Дискуссия по поводу применения стволовых клеток с учетом неоднозначности метода.

1. Биология 10-11 класс И.Н. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов, Г.М. Дымшиц 2016 года. Глава 2. Структура и функции клетки, §7-10; Раздел 2, Глава 6. Индивидуальное развитие организмов,  §28-29

2. http://donetskua.com.ua

3. http://www.tiensmed.ru/news/stvolkletki-cd3.html

4. Электронный журнал. www.cellmed.ru 2006-2017 "Клеточная медицина