Jaká je struktura kmenových buněk?

Když si to přečtete, vědci z celého světa jsou ve svých laboratorních lavicích a zjišťují, jak jednoho dne mohou z jednotlivých buněk růst nové tkáně a orgány. Pokud si myslíte, že to zní jako něco ze sci-fi filmu, nejste sami. Přesto by tento výzkum mohl přinést vědecký průlom, který změní způsob, jakým lékaři léčí širokou škálu lidských nemocí v reálném světě.

Konečné cíle tohoto výzkumu mohou být široké, ale předmět výzkumu je tak nekonečně malý, že ho nevidíte ani pouhým okem. Předmětem je kmenové buňky. Díky svým jedinečným vlastnostem mají tyto úžasné buňky potenciál změnit budoucnost vědy a medicíny.
Přečtěte si více o výhodách a nevýhodách výzkumu kmenových buněk.

Víte, že sexuální reprodukce vyžaduje, aby se spermie a vajíčko spojily a vytvořily a zygota oplodněním. Tato jediná eukaryotická buňka obsahuje celou řadu genetických informací a má potenciál se rozdělit na složitý mnohobuněčný organismus, jako jste vy.

Ale přemýšleli jste někdy o tom, jak by se tato buňka mohla rozdělit na biliony a biliony buněk v lidském těle? A jak by z jediné buňky mohlo vzniknout tolik různých typů buněk - například kožních i mozkových?

Jakmile se zygota začne dělit (než se implantuje do dělohy), výsledné buňky jsou ve skutečnosti kmenové buňky. Vědci tvrdí, že tyto pružné buňky jsou obojí proliferativní a pluripotentní. To znamená, že buňky se snadno dělí a produkují mnoho, mnohem více buněk - a mohou se prostřednictvím kmenových buněk vyvinout v jakýkoli typ specializované buňky. diferenciace.
Přečtěte si více o vysvětlení buněčné specializace.

Na první pohled se části kmenové buňky nezdají na povrchu tak zvláštní. Stejně jako všechny buňky v lidském těle mají všechny kmenové buňky několik společných struktur. Tyto zahrnují:

• A buněčná membrána, což je lipidová dvojvrstva obklopující buňku, která umožňuje některým materiálům vstoupit do buňky a jiným zabránit.
  
• Cytoplazma, což je tekutý bujón uvnitř buňky.
  
• A jádro, který obsahuje všechny genetické informace buňky uložené jako DNA.

Mezi oplodněním ve vejcovodech a implantací v děloze se embryo změní z jednoduchého listu kmenových buněk na organizovanou skupinu buněk - nazývanou gastrula - se třemi zárodečné vrstvy. Ty nakonec způsobí vznik všech mnoha typů buněk, tkání a orgánů, které tvoří celý (i když stále velmi malý) lidský plod.

Nejvzdálenější vrstva zvaná ektoderm, vede ke vzniku kožních buněk a tkání nervového systému. Střední vrstva, nebo mezoderm, poskytuje krevní buňky, pojivové tkáně, svalové buňky a placentární tkáň, která udržuje plod naživu in utero. Vnitřní vrstva, zvaná endoderm, vytváří obložení střeva, plic a urogenitálního traktu.

Díky pluripotenci se kmenové buňky mohou po implantaci odlišit a stát se kterýmkoli z těchto typů buněk. Tyto kmenové buňky spojené s normálním vývojem embryí jsou jedním ze tří typů kmenových buněk používaných vědci. Vědci jim říkají lidské embryonální kmenové buňkynebo hESC.

Embryonální kmenové buňky používané vědci nikdy nepocházejí z tradičního oplodnění uvnitř vejcovodů skutečného člověka. Místo toho je vědci vytvářejí ve zkumavkách pomocí in vitro oplodnění (IVF). Tyto embryonální kmenové buňky obvykle končí ve výzkumných laboratořích poté, co lidé, kteří pomocí IVF vytvářejí rodiny, dokončí proces a darují extra zmrazená embrya vědě (místo aby je zničili).

Pro výzkumníky existují určité výhody používání embryonálních kmenových buněk ve srovnání s jinými typy kmenových buněk. Embryonální kmenové buňky se dají snadno získat a lze je snadno pěstovat v kultuře. A co je nejdůležitější, embryonální kmenové buňky jsou skutečně prázdné břidlice, které po diferenciaci kmenových buněk mohou vést k v podstatě jakémukoli typu buněk.

Stejně jako buňky po implantaci do živé dělohy se embryonální kmenové buňky v laboratoři přirozeně shlukují embryoidní těla a začnou se diferencovat na specializované buňky. Vědci, kteří pěstují embryonální kmenové buňky v kultuře, musí udržovat specifické podmínky v růstovém médiu, aby se tak nestalo.

Tím, že vědci nechali proliferovat kmenové buňky bez diferenciace, vytvářejí linie embryonálních kmenových buněk. Vědci pak mohou tyto buněčné linie zmrazit a poslat je do jiných laboratoří pro výzkumné projekty nebo další kultivaci. Aby se embryonální kmenové buňky kvalifikovaly jako buněčná linie, musí:

• Růst nediferencovaný v buněčné kultuře po dobu nejméně šesti měsíců.
• Být pluripotentní nebo schopný diferenciace na jakýkoli typ buňky.
• Nemáte žádné genetické abnormality.

Když jsou vědci připraveni na to, aby se buňky v linii embryonálních kmenových buněk staly specifickými typy buněk, například pro konkrétní výzkumný projekt, jednoduše změní kultivační médium nebo vstříknou specifické geny do kmenové buňky, aby spustily kmenovou buňku diferenciace.

Ukazuje se, že mnoho zralých tkání v plně vyvinutém lidském těle visí na deštivých dnech na některých nediferencovaných buňkách. Tyto dospělé kmenové buňky - někdy volal somatický kmenové buňky - aktivujte se, když tělo potřebuje nové buňky. To se děje za účelem zohlednění normálního obratu a růstu buněk a také k opravě tkáně po úrazu nebo nemoci.

Vědci našli dospělé kmenové buňky v široké škále orgánů a tkání, například:

• Cévy.
• Kostní dřeň.
• Mozek.
• Střevo.
• Srdce.
• Játra.
• Vaječníky.
• Periferní krev.
• Kosterní sval.
• Zuby.
• Testy.

Dospělé kmenové buňky se obvykle nacházejí v určitých oblastech, tzv výklenky kmenových buněk. Na rozdíl od embryonálních kmenových buněk, které se mohou diferencovat na jakýkoli buněčný typ, je diferenciace dospělých kmenových buněk omezená a tkáňově specifická. To znamená, že dospělé kmenové buňky se typicky diferencují pouze na buněčné typy spojené s tkání, ve kterém sídlí.

Například dospělé kmenové buňky v mozku se stanou pouze nervovými buňkami nebo neuronálními mozkovými buňkami. Zde jsou některé další známé dospělé kmenové buňky a jejich specializované typy buněk:

• Hematopoetické kmenové buňky se nacházejí v kostní dřeni a vytvářejí krvinky, včetně červených krvinek a buněk imunitního systému.
• Mezenchymální kmenové buňky se nacházejí v kostní dřeni (a některých dalších tkáních) a vytvářejí kostní buňky, buňky chrupavky, tukové buňky a buňky stromatu.
• Epiteliální kmenové buňky se nacházejí hluboko ve výstelce střeva a způsobují vznik absorpční buňky, pohár buňky, enteroendokrinní buňky a Paneth buňky.
• Kožní kmenové buňky se nacházejí v bazální vrstvě kůže a způsobují vznik keratinocyty které vytvářejí ochrannou vrstvu na povrchu kůže.

Vědci v experimentech pozorovali, že některé dospělé kmenové buňky se diferencovaly na specializované buňky jiný než očekávaný buněčný typ, který je podobný cenné pluripotenci embryonálních kmenových buněk. Toto však transdiferenciace je vzácný a postihuje pouze malý segment kmenových buněk, pokud k němu dojde. Vědci si nejsou jisti, zda k tomu u lidí vůbec dochází.

Dospělé kmenové buňky mají pro vědce určité nevýhody. Jsou vzácné a v laboratoři se těžko pěstují. Mají také limity, kolik se mohou rozdělit a jaké typy buněk se mohou stát. Dospělé kmenové buňky však mají jednu výraznou výhodu: je pravděpodobné, že se spustí imunitní odmítnutí protože je lze získat z vlastního těla pacienta.

V roce 2006 vědci objevili ještě jeden typ kmenových buněk: indukované pluripotentní kmenové buňkynebo iPSC. Jedná se o dospělé kmenové buňky, které vědci přeprogramují tak, aby fungovaly spíše jako embryonální kmenové buňky. Zatím však není jasné, zda existují významné klinické rozdíly mezi indukovanými pluripotentními kmenovými buňkami a embryonálními kmenovými buňkami. Vědci již používají iPSC pro důležitou práci, jako je vývoj léků a modelování lidských nemocí pro výzkumné účely.

Existují technické překážky, které je třeba překonat, než mohou vědci použít tyto indukované pluripotentní kmenové buňky pro přímější aplikace. Kromě potvrzení, že tyto kmenové buňky se zásadně neliší od embryonálních kmenů Vědci musí vyvinout nové techniky pro výrobu indukovaných pluripotentních kmenových buněk místo. Současná metoda používá viry jako prostředek pro přeprogramování, které ve studiích na zvířatech prokázalo závažné vedlejší účinky, jako je rakovina.

Vedle screeningu nových léků pro farmaceutický průmysl a sloužících jako modely nemocí pro výzkumné projekty se vědci domnívají, že kmenové buňky mohou být nové (a vzrušující) buněčné léčby možný. To znamená, že jednoho dne mohou laboratoře pěstovat nové orgány a tkáně pro lidi, kteří potřebují transplantace, místo aby se spoléhali na dárce orgánů a tkání.

Mohlo by to vypadat, že vědci používají kmenové buňky k výrobě buněk srdečního svalu, které mohou transplantovat lidem s chronickým srdečním onemocněním. Současné studie na zvířatech naznačují, že stromální kmenové buňky z kostní dřeně ukazují slib pro tuto aplikaci, ačkoli přesný mechanismus je stále nejasný. Vědci si nejsou jisti, zda z kmenových buněk vznikají nové buňky srdečního svalu nebo buňky krevních cév - nebo jestli dělají něco jiného úplně.

Dalším teoretickým příkladem je cukrovka 1. typu. Vědci doufají, že diferencují lidské embryonální kmenové buňky na buňky produkující inzulín. Imunitní systém lidí s diabetem tyto buňky narušuje a zakazuje jim vykonávat svou práci. Vědci se ptají, zda by jednoho dne mohli rozlišit kmenové buňky na buňky produkující inzulín a transplantovat je pacientům.

Vedle srdečních chorob a cukrovky jsou další lidské nemoci a stavy, které vědci věří, že tento lékařský pokrok může ovlivnit, široké a zahrnují:

• Popáleniny.
• Makulární degenerace, která může způsobit ztrátu zraku.
• Osteoartróza a revmatoidní artritida.
• Poranění míchy, které může způsobit necitlivost, ztrátu funkce nebo ochrnutí.
• Mrtvice.

Přinést tyto nové terapie skutečným pacientům bude samozřejmě vyžadovat, aby vědci zvládli každý krok tohoto teoretického procesu. To znamená, že musí:

• Pěstujte dostatek kmenových buněk k fyzickému vytvoření tkáně nebo orgánu.
• Stimulujte kmenové buňky k diferenciaci na správný typ buněk.
• Zajistěte, aby diferencované kmenové buňky mohly přežít uvnitř těla pacienta.
• Zajistěte, aby se diferencované kmenové buňky správně integrovaly do tkání příjemce v těle pacienta.
• Důvodně očekávejte, že nová tkáň nebo orgán budou dělat práci, pro kterou jsou vytvořeny, po celou dobu života pacienta.
• Ujistěte se, že nové buňky nezpůsobují pacientovi žádné vedlejší škody, například rakovinu.

Podle definice kmenových buněk se tyto kroky zdají dosažitelné pomocí embryonálních kmenových buněk, ale budou vyžadovat mnoho let seriózního výzkumu na více frontách. Proto je výzkum kmenových buněk tak aktivním oborem v odborných vědách - a také proto je pro mnoho učitelů přírodovědných předmětů a studentů nejdůležitější.

Zatímco konečný výsledek výzkumu kmenových buněk může být stále na cestě, což zvyšuje obecné porozumění struktury kmenových buněk a jak funguje diferenciace kmenových buněk, je skvělý způsob, jak se stát součástí tohoto vznikajícího Věda.