Hvad er strukturen af ​​stamceller?

Mens du læser dette, er forskere over hele kloden ved deres laboratoriebænke og finder ud af, hvordan man en dag kan dyrke nyt væv og organer fra enkeltceller. Hvis du synes, det lyder som noget ud af en science fiction-film, er du ikke alene. Alligevel kan denne forskning give et videnskabeligt gennembrud, der ændrer den måde, medicinske fagfolk behandler en bred vifte af menneskelige sygdomme i den virkelige verden.

De ultimative mål for denne forskning kan være brede, men forskningsemnet er så uendeligt lille, at du ikke engang kan se det med det blotte øje. Emnet er stamceller. Takket være deres unikke egenskaber har disse fantastiske celler potentialet til at ændre fremtiden for videnskab og medicin.
Læs mere om fordele og ulemper ved stamcelleforskning.

Du ved, at seksuel reproduktion kræver, at en sædcelle og en ægcelle kommer sammen og danner en zygote via befrugtning. Denne enkelt eukaryote celle indeholder et komplet supplement af genetisk information og har potentialet til at opdele sig i en kompleks flercellet organisme som dig selv.

Men har du nogensinde spekuleret på, hvordan den enkelte celle kunne opdele sig i billioner og billioner af celler i en menneskelig krop? Og hvordan kunne bare en celle give anledning til så mange forskellige typer celler - for eksempel hudceller og hjerneceller?

Når zygoten begynder at dele sig (før den implanteres i livmoderen), er de resulterende celler faktisk stamceller. Forskere siger, at disse fleksible celler er begge proliferativ og pluripotent. Dette betyder, at cellerne let deler sig for at producere mange, mange flere celler - og de kan udvikle sig til enhver form for specialiseret celle gennem stamceller differentiering.
Læs mere om forklaringen på cellespecialisering.

Ved første øjekast ser delene af en stamcelle ikke så speciel ud på overfladen. Som alle celler i menneskekroppen deler stamceller alle nogle få fælles strukturer. Disse inkluderer:

• EN celle membran, som er et lipiddobbeltlag, der omgiver cellen, der lader nogle materialer komme ind i cellen og holder andre ude.
  
• Cytoplasma, som er den flydende bouillon inde i cellen.
  
• EN kerne, som indeholder al celleens genetiske information lagret som DNA.

Mellem befrugtning i æggelederne og implantation i livmoderen vil embryoet skifte fra et simpelt ark stamceller til en organiseret gruppe af celler - kaldet en gastrula - med tre kimlag. Disse vil i sidste ende give anledning til alle de mange celletyper, væv og organer, der udgør et helt (omend stadig meget lille) menneskeligt foster.

Det yderste lag, kaldet ektoderm, giver anledning til hudceller og nervesystemvæv. Mellemlaget, eller mesoderm, giver blodceller, bindevæv, muskelceller og placentavæv, der holder fosteret i live in utero. Det indvendige lag, kaldet endoderm, skaber foringerne i tarmen, lungerne og urogenitalkanalen.

Takket være pluripotens kan stamceller differentiere og blive nogen af ​​disse celletyper efter implantation. Disse stamceller forbundet med den normale udvikling af embryoner er en af ​​tre typer stamceller, der bruges af forskere. Forskere kalder dem humane embryonale stamcellereller hESC'er.

De embryonale stamceller, der bruges af forskere, stammer aldrig fra traditionel befrugtning inde i æggelederne hos et faktisk menneske. I stedet opretter forskere dem i reagensglas ved hjælp af in vitro befrugtning (IVF). Disse embryonale stamceller ender normalt i forskningslaboratorier, efter at folk, der bruger IVF til at skabe familier, afslutter processen og donerer de ekstra frosne embryoner til videnskaben (snarere end at ødelægge dem).

For forskere er der visse fordele ved at bruge embryonale stamceller sammenlignet med andre typer stamceller. Embryonale stamceller er ret lette at komme forbi og er enkle at dyrke i kultur. Vigtigst er det, at embryonale stamceller virkelig er tomme skifer, der kan give anledning til i det væsentlige enhver celletype ved differentiering af stamceller.

Ligesom celler gør efter implantation i en levende livmoder, klumper embryonale stamceller i laboratoriet naturligt sammen til embryoide kroppe og begynder at differentiere til specialiserede celler. Forskere, der dyrker embryonale stamceller i kultur, skal opretholde specifikke betingelser i vækstmediet for at forhindre dette i at ske.

Ved at lade stamcellerne sprede sig uden at differentiere skaber forskere embryonale stamcellelinjer. Forskere kan derefter fryse disse cellelinjer og sende dem ud til andre laboratorier til forskningsprojekter eller yderligere dyrkning. For at kvalificere sig som en cellelinje skal de embryonale stamceller:

• Voks udifferentieret i cellekultur i mindst seks måneder.
• Være pluripotent eller i stand til at differentiere til enhver celletype.
• Har ingen genetiske abnormiteter.

Når forskere er klar til, at cellerne i en embryonisk stamcellelinie bliver specifikke typer celler, såsom for en specifik forskningsprojekt ændrer de simpelthen dyrkningsmediet eller injicerer specifikke gener i stamcellen for at udløse stamceller differentiering.

Det viser sig, at mange modne væv i den fuldt udviklede menneskelige krop hænger på nogle udifferentierede celler en regnvejrsdag. Disse voksne stamceller - undertiden kaldet somatisk stamceller - aktiveres, når kroppen har brug for nye celler. Dette sker for at tage højde for normal celleomsætning og vækst og også for at reparere væv efter en skade eller sygdom.

Forskere har fundet voksne stamceller i en lang række organer og væv, såsom:

• Blodårer.
• Knoglemarv.
• Hjerne.
• Tarm.
• Hjerte.
• Lever.
• Æggestokke.
• Perifert blod.
• Skelet muskel.
• Tænder.
• Testikler.

Voksne stamceller findes generelt i bestemte områder, kaldet stamcelle nicher. I modsætning til embryonale stamceller, som overhovedet kan differentiere sig til enhver celletype, er voksen stamcelledifferentiering begrænset og vævsspecifik. Dette betyder, at voksne stamceller typisk adskiller sig til kun de celletyper, der er forbundet med det væv, hvori de opholder sig.

For eksempel bliver voksne stamceller i hjernen kun nerveceller eller ikke-neuronale hjerneceller. Her er nogle andre velkendte voksne stamceller og deres specialiserede celletyper:

• Hæmatopoietiske stamceller findes i knoglemarv og giver anledning til blodlegemer, herunder røde blodlegemer og immunsystemceller.
• Mesenkymale stamceller findes i knoglemarv (og nogle andre væv) og giver anledning til knogleceller, bruskceller, fedtceller og stromaceller.
• Epitelstamceller findes dybt i tarmens foring og giver anledning til absorberende celler, pokal celler, enteroendokrin celler og Paneth celler.
• Hudstamceller findes i det basale lag af huden og giver anledning til keratinocytter der danner et beskyttende lag på overfladen af ​​huden.

Forskere har i eksperimenter observeret, at nogle voksne stamceller differentierede til specialiserede celler anden end den forventede celletype, der svarer til den værdifulde pluripotens af embryonale stamceller. Men dette transdifferentiering er sjælden og påvirker kun et lille segment af stamceller, når det forekommer. Forskere er usikre på, om det overhovedet sker hos mennesker.

Voksne stamceller har nogle ulemper for forskere. De er sjældne og vanskelige at dyrke i laboratoriet. De har også grænser for, hvor meget de kan dele, og hvilke typer celler de kan blive. Imidlertid har voksne stamceller en tydelig fordel: De er sandsynligvis mindre tilbøjelige til at udløse immunafvisning da de kunne høstes fra en patients egen krop.

I 2006 opdagede forskere endnu en type stamcelle: inducerede pluripotente stamcellereller iPSC'er. Disse er voksne stamceller, som forskere omprogrammerer til at virke mere som embryonale stamceller. Det er dog endnu ikke klart, om der er meningsfulde kliniske forskelle mellem inducerede pluripotente stamceller og embryonale stamceller. Forskere bruger allerede iPSC'er til vigtigt arbejde, såsom lægemiddeludvikling og modellering af menneskelige sygdomme til forskningsformål.

Der er tekniske forhindringer, der skal overvindes, før forskere kan bruge disse inducerede pluripotente stamceller til mere direkte applikationer. Ud over at bekræfte, at disse stamceller ikke er fundamentalt forskellige fra embryonale stammer celler, skal forskere udtænke nye teknikker til fremstilling af inducerede pluripotente stamceller i den første placere. Den nuværende metode bruger vira som et middel til omprogrammering, som har vist alvorlige bivirkninger, såsom kræft, i dyreforsøg.

Ud over at screene nye lægemidler til medicinalindustrien og fungere som modeller for sygdomme til forskningsprojekter, mener forskere, at stamceller kan gøre nye (og spændende) cellebaserede behandlinger muligt. Dette betyder, at laboratorier en dag kan vokse nye organer og væv til mennesker, der har brug for transplantationer i stedet for at stole på organ- og vævsdonorer.

Dette kan se ud som forskere, der bruger stamceller til at fremstille hjertemuskelceller, som de kan transplantere i mennesker med kronisk hjertesygdom. Aktuelle dyreforsøg tyder på, at stromale stamceller fra knoglemarven viser løfte om denne applikation, selvom den nøjagtige mekanisme stadig er uklar. Forskere er ikke sikre på, om stamcellerne giver nye hjertemuskelceller eller blodkarceller - eller om de gør noget andet helt.

Et andet teoretisk eksempel er type 1-diabetes. Forskere håber at differentiere humane embryonale stamceller i cellerne, der producerer insulin. Immunsystemet hos mennesker med diabetes forstyrrer disse celler og forbyder dem at udføre deres job. Forskere spekulerer på, om de en dag kunne differentiere stamceller til insulinproducerende celler og transplantere dem til patienter.

Ud over hjertesygdomme og diabetes er andre menneskelige sygdomme og tilstande, som forskere mener, at dette medicinske fremskridt kan påvirke, er brede og inkluderer:

• Burns.
• Makuladegeneration, som kan forårsage synstab.
• Slidgigt og reumatoid arthritis.
• Rygmarvsskade, som kan forårsage følelsesløshed, tab af funktion eller lammelse.
• Slag.

At bringe disse nye behandlinger til egentlige patienter vil naturligvis kræve, at forskere mestrer hvert trin i denne teoretiske proces. Dette betyder, at de skal:

• Dyrk nok stamceller til fysisk at bygge vævet eller organet.
• Stimuler stamcellerne til at differentiere til den korrekte celletype.
• Sørg for, at de differentierede stamceller kan overleve inde i patientens krop.
• Sørg for, at de differentierede stamceller integreres korrekt i modtagervævet inde i patientens krop.
• Forvent med rimelighed, at det nye væv eller organ skal udføre det job, det er bygget til i løbet af hele patientens liv.
• Sørg for, at de nye celler ikke forårsager sikkerhedsskader på patienten, såsom kræft.

Ved definition af stamceller synes disse trin at være opnåelige ved hjælp af embryonale stamceller, men vil kræve mange års seriøs forskning på flere fronter. Dette er grunden til, at stamcelleforskning er et så aktivt felt inden for de professionelle videnskaber - og også hvorfor det er meget vigtigt for mange naturfagslærere og studerende.

Mens det ultimative resultat af stamcelleforskning stadig kan være på vej, øger den generelle forståelse af stamcellestruktur og hvordan stamcelledifferentiering fungerer, er en fantastisk måde at være en del af denne nye videnskab.