Каква е структурата на стволовите клетки?

Докато четете това, изследователите по целия свят са в своите лабораторни пейки, за да разберат как някой ден да се развият нови тъкани и органи от единични клетки. Ако мислите, че това звучи като нещо извън научно-фантастичен филм, не сте сами. И все пак това изследване може да доведе до научен пробив, който променя начина, по който медицинските специалисти лекуват широк спектър от човешки заболявания в реалния свят.

Крайните цели на това изследване може да са широки, но темата на изследването е толкова безкрайно малка, че дори не можете да го видите с просто око. Темата е стволови клетки. Благодарение на своите уникални характеристики, тези невероятни клетки имат потенциала да променят бъдещето на науката и медицината.
Прочетете повече за предимствата и недостатъците на изследванията на стволови клетки.

Знаете, че сексуалното размножаване изисква сперматозоиди и яйцеклетка да се съберат и да образуват зигота чрез оплождане. Тази единична еукариотна клетка съдържа пълен набор от генетична информация и има потенциала да се раздели на сложен многоклетъчен организъм като вас.

Но замисляли ли сте се някога как тази единична клетка може да се раздели на трилиони и трилиони клетки в човешкото тяло? И как само една клетка може да породи толкова много различни видове клетки - както кожни клетки, така и мозъчни клетки например?

Тъй като зиготата започва да се дели (преди да имплантира в матката), получените клетки всъщност са стволови клетки. Учените казват, че тези гъвкави клетки са и двете пролиферативно и плюрипотентен. Това означава, че клетките лесно се делят, за да произведат много, много повече клетки - и те могат да се превърнат във всякакъв вид специализирана клетка чрез стволови клетки диференциация.
Прочетете повече за обяснението на клетъчната специализация.

На пръв поглед частите от стволови клетки не изглеждат толкова специални на повърхността. Подобно на всички клетки в човешкото тяло, всички стволови клетки имат няколко общи структури. Те включват:

• A клетъчната мембрана, който представлява липиден двуслой, заобикалящ клетката, който позволява на някои материали да влязат в клетката и да предпазва други.
  
• Цитоплазма, който е течният бульон вътре в клетката.
  
• A ядро, който съдържа цялата генетична информация на клетката, съхранявана като ДНК.

Между оплождането във фалопиевите тръби и имплантирането в матката ембрионът ще се промени от обикновен лист стволови клетки в организирана група клетки - наречена гаструла - с три зародишни слоеве. Те в крайна сметка ще дадат началото на всички многобройни клетъчни типове, тъкани и органи, които съставляват цял ​​(макар и все още много малък) човешки плод.

Най-външният слой, наречен ектодерма, поражда кожни клетки и тъкани на нервната система. Средният слой, или мезодерма, дава кръвни клетки, съединителна тъкан, мускулни клетки и плацентарната тъкан, която поддържа плода жив вътреутробно. Вътрешният слой, наречен ендодерма, създава обвивките на червата, белите дробове и урогениталния тракт.

Благодарение на плюрипотентността, стволовите клетки могат да се диференцират и да станат всеки от тези клетъчни типове след имплантиране. Тези стволови клетки, свързани с нормалното развитие на ембрионите, са един от трите вида стволови клетки, използвани от учените. Изследователите ги наричат човешки ембрионални стволови клеткиили hESCs.

Ембрионалните стволови клетки, използвани от учените, никога не произхождат от традиционното оплождане във фалопиевите тръби на действителен човек. Вместо това учените ги създават в епруветки, използвайки инвитро оплождане (IVF). Тези ембрионални стволови клетки обикновено завършват в изследователски лаборатории, след като хората, използващи IVF за създаване на семейства, завършват процеса и даряват допълнително замразените ембриони на науката (вместо да ги унищожават).

За изследователите има определени ползи от използването на ембрионални стволови клетки в сравнение с други видове стволови клетки. Ембрионалните стволови клетки са доста лесни за намиране и са лесни за отглеждане в култура. Най-важното е, че ембрионалните стволови клетки са наистина празни плочи, които могат да доведат до практически всеки тип клетки при диференциация на стволови клетки.

Точно както правят клетките след имплантирането в жива матка, ембрионалните стволови клетки в лабораторията естествено се скупчват ембриоидни тела и започват да се диференцират в специализирани клетки. Учените, които отглеждат ембрионални стволови клетки в културата, трябва да поддържат специфични условия в растежната среда, за да не се случва това.

Позволявайки на стволовите клетки да се размножават, без да се диференцират, учените създават линии на ембрионални стволови клетки. След това учените могат да замразят тези клетъчни линии и да ги изпратят в други лаборатории за изследователски проекти или по-нататъшно култивиране. За да се квалифицират като клетъчна линия, ембрионалните стволови клетки трябва:

• Растат недиференцирани в клетъчната култура за поне шест месеца.
• Бъдете плюрипотентни или способни да се диференцират във всякакъв тип клетки.
• Да нямат генетични аномалии.

Когато изследователите са готови клетките в ембрионална стволова клетъчна линия да се превърнат в специфични видове клетки, като например за конкретни изследователски проект, те просто променят хранителната среда или инжектират специфични гени в стволовата клетка, за да задействат стволови клетки диференциация.

Оказва се, че много зрели тъкани в напълно развитото човешко тяло се закачат на някои недиференцирани клетки за един дъждовен ден. Тези възрастни стволови клетки - понякога се нарича соматична стволови клетки - активират се, когато тялото се нуждае от нови клетки. Това се случва, за да се отчете нормалният клетъчен оборот и растеж, а също и за възстановяване на тъканите след нараняване или заболяване.

Учените са открили стволови клетки за възрастни в голямо разнообразие от органи и тъкани, като например:

• Кръвоносни съдове.
• Костен мозък.
• Мозък.
• Червата.
• Сърце.
• Черен дроб.
• Яйчници.
• Периферна кръв.
• Скелетна мускулатура.
• Зъби.
• Тестисите.

Възрастните стволови клетки обикновено се намират в специфични области, т.нар ниши на стволови клетки. За разлика от ембрионалните стволови клетки, които изобщо могат да се диференцират във всякакъв тип клетки, диференциацията на възрастни стволови клетки е ограничена и специфична за тъканите. Това означава, че възрастните стволови клетки обикновено се диференцират само в клетъчните типове, свързани с тъканта, в която живеят.

Например възрастните стволови клетки в мозъка ще станат само нервни клетки или не-невронни мозъчни клетки. Ето някои други добре познати стволови клетки за възрастни и техните специализирани видове клетки:

• Хематопоетични стволови клетки се намират в костния мозък и пораждат кръвни клетки, включително червени кръвни клетки и клетки на имунната система.
• Мезенхимни стволови клетки се намират в костния мозък (и някои други тъкани) и пораждат костни клетки, хрущялни клетки, мастни клетки и стромални клетки.
• Епителни стволови клетки се намират дълбоко в лигавицата на червата и пораждат абсорбиращ клетки, бокал клетки, ентероендокринни клетки и Панет клетки.
• Кожни стволови клетки се намират в основния слой на кожата и пораждат кератиноцити които правят защитен слой върху повърхността на кожата.

Учените са наблюдавали в експерименти, че някои възрастни стволови клетки се диференцират в специализирани клетки различен от очаквания тип клетки, който е подобен на ценната плюрипотентност на ембрионалните стволови клетки. Това обаче трансдиференциация е рядко и засяга малък сегмент от стволови клетки само когато се случи. Изследователите не са сигурни дали това се случва изобщо при хората.

Възрастните стволови клетки имат някои недостатъци за учените. Те са редки и трудни за отглеждане в лабораторията. Те също имат ограничения за това колко могат да се разделят и какви типове клетки могат да станат. Въпреки това, възрастните стволови клетки имат едно ясно предимство: Вероятно е по-малко вероятно те да се задействат отхвърляне на имунитета тъй като те могат да бъдат събрани от собственото тяло на пациента.

През 2006 г. изследователите откриха още един тип стволови клетки: индуцирани плурипотентни стволови клеткиили iPSC. Това са стволови клетки за възрастни, които учените препрограмират, за да действат по-скоро като ембрионални стволови клетки. Все още обаче не е ясно дали има значими клинични разлики между индуцираните плурипотентни стволови клетки и ембрионалните стволови клетки. Учените вече използват iPSCs за важна работа, като разработване на лекарства и моделиране на човешки заболявания за изследователски цели.

Има технически препятствия, които трябва да се преодолеят, преди изследователите да могат да използват тези индуцирани плурипотентни стволови клетки за по-директни приложения. В допълнение към потвърждаването, че тези стволови клетки не са коренно различни от ембрионалните стволови клетки, изследователите трябва да разработят нови техники за създаване на индуцирани плурипотентни стволови клетки в първата място. Настоящият метод използва вируси като средство за препрограмиране, което показва сериозни странични ефекти, като рак, при проучвания върху животни.

В допълнение към скрининга на нови лекарства за фармацевтичната индустрия и служещи като модели за болести за изследователски проекти, учените вярват, че стволовите клетки могат да създадат нови (и вълнуващи) клетъчно лечение възможен. Това означава, че някой ден лабораториите могат да развият нови органи и тъкани за хора, които се нуждаят от трансплантации, вместо да разчитат на донори на органи и тъкани.

Това може да изглежда като учени, които използват стволови клетки, за да направят клетки на сърдечния мускул, които могат да трансплантират на хора с хронични сърдечни заболявания. Настоящите проучвания върху животни показват, че стромалните стволови клетки от костния мозък показват обещание за това приложение, въпреки че точният механизъм все още не е ясен. Учените не са сигурни дали стволовите клетки пораждат нови клетки на сърдечния мускул или клетките на кръвоносните съдове - или изобщо правят нещо друго.

Друг теоретичен пример е диабет тип 1. Учените се надяват да разграничат човешките ембрионални стволови клетки в клетките, които произвеждат инсулин. Имунната система на хората с диабет нарушава тези клетки и им забранява да вършат работата си. Учените се чудят дали някой ден биха могли да диференцират стволови клетки в клетки, произвеждащи инсулин, и да ги трансплантират на пациенти.

В допълнение към сърдечните заболявания и диабета, други човешки заболявания и състояния учените смятат, че този медицински напредък може да повлияе, са широки и включват:

• Изгаряния.
• Дегенерация на макулата, която може да причини загуба на зрение.
• Остеоартрит и ревматоиден артрит.
• Травма на гръбначния мозък, която може да причини изтръпване, загуба на функция или парализа.
• Удар.

Разбира се, предоставянето на тези нови терапии на реални пациенти ще изисква учените да овладеят всяка стъпка от този теоретичен процес. Това означава, че трябва да:

• Растете достатъчно стволови клетки, за да изградите физически тъканта или органа.
• Стимулирайте стволовите клетки, за да се диференцират в правилния тип клетки.
• Уверете се, че диференцираните стволови клетки могат да оцелеят в тялото на пациента.
• Уверете се, че диференцираните стволови клетки се интегрират правилно в реципиентните тъкани в тялото на пациента.
• Разумно очаквайте новата тъкан или орган да свърши работата, за която е създадена, през целия живот на пациента.
• Уверете се, че новите клетки не причиняват никаква допълнителна вреда на пациента, като рак.

По дефиниция на стволови клетки тези стъпки изглеждат постижими с помощта на ембрионални стволови клетки, но ще изискват много години сериозни изследвания на множество фронтове. Ето защо изследванията на стволовите клетки са толкова активна област в професионалните науки - а също и защо това е най-важното за много учители и студенти по природни науки.

Въпреки че крайният резултат от изследванията на стволовите клетки може все още да е по пътя, увеличавайки общото разбиране на структурата на стволовите клетки и как работи диференциацията на стволовите клетки е чудесен начин да бъдете част от това нововъзникващо наука.