Wie sind Stammzellen aufgebaut?

Während Sie dies lesen, sitzen Forscher auf der ganzen Welt an ihren Labortischen und versuchen herauszufinden, wie man eines Tages aus einzelnen Zellen neues Gewebe und neue Organe züchten kann. Wenn Sie denken, dass das wie etwas aus einem Science-Fiction-Film klingt, sind Sie nicht allein. Diese Forschung könnte jedoch zu einem wissenschaftlichen Durchbruch führen, der die Art und Weise verändert, wie Mediziner eine breite Palette menschlicher Krankheiten in der realen Welt behandeln.

Die ultimativen Ziele dieser Forschung mögen weitreichend sein, aber das Forschungsobjekt ist so verschwindend klein, dass man es nicht einmal mit bloßem Auge sehen kann. Das Thema ist Stammzellen. Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften haben diese erstaunlichen Zellen das Potenzial, die Zukunft von Wissenschaft und Medizin zu verändern.
Lesen Sie mehr über die Vor- und Nachteile der Stammzellforschung.

Sie wissen, dass für die sexuelle Fortpflanzung eine Samenzelle und eine Eizelle erforderlich sind, um zusammenzukommen und sich zu bilden

Aber haben Sie sich jemals gefragt, wie sich diese einzelne Zelle in die Billionen von Zellen in einem menschlichen Körper teilen kann? Und wie können aus einer einzigen Zelle so viele verschiedene Zelltypen entstehen – sowohl Hautzellen als auch Gehirnzellen?

Wenn sich die Zygote zu teilen beginnt (bevor sie sich in die Gebärmutter einnistet), sind die resultierenden Zellen tatsächlich Stammzellen. Wissenschaftler sagen, dass diese flexiblen Zellen beides sind proliferativ und pluripotent. Dies bedeutet, dass sich die Zellen leicht teilen, um viele, viel mehr Zellen zu produzieren – und sie können sich durch Stammzellen zu jeder Art von spezialisierten Zellen entwickeln Unterscheidung.
Lesen Sie mehr über die Erklärung der Zellspezialisierung.

Auf den ersten Blick erscheinen die Teile einer Stammzelle oberflächlich nicht besonders. Wie alle Zellen im menschlichen Körper haben auch Stammzellen einige gemeinsame Strukturen. Diese schließen ein:

• EIN Zellmembran, das ist eine Lipiddoppelschicht, die die Zelle umgibt, die einige Materialien in die Zelle eindringen lässt und andere fernhält.
  
• Zytoplasma, das ist die flüssige Brühe in der Zelle.
  
• EIN Kern, das alle genetischen Informationen der Zelle enthält, die als DNA gespeichert sind.

Zwischen der Befruchtung in den Eileitern und der Einnistung in die Gebärmutter verwandelt sich der Embryo von einem einfachen Stammzellblatt in eine organisierte Zellgruppe – genannt a Gastrula – mit drei Bakterienschichten. Daraus entstehen schließlich all die vielen Zelltypen, Gewebe und Organe, die einen ganzen (wenn auch noch sehr kleinen) menschlichen Fötus umfassen.

Die äußerste Schicht, genannt Ektodermie, führt zu Hautzellen und Geweben des Nervensystems. Die mittlere Schicht, oder Mesodermie, liefert Blutzellen, Bindegewebe, Muskelzellen und das Plazentagewebe, das den Fötus am Leben erhält in utero. Die innere Schicht, genannt Endodermie, bildet die Auskleidung des Darms, der Lunge und des Urogenitaltrakts.

Dank der Pluripotenz können sich Stammzellen nach der Implantation differenzieren und zu einem dieser Zelltypen werden. Diese Stammzellen, die mit der normalen Entwicklung von Embryonen in Verbindung stehen, sind eine von drei Arten von Stammzellen, die von Wissenschaftlern verwendet werden. Forscher nennen sie menschliche embryonale Stammzellen, oder hESCs.

Die von Wissenschaftlern verwendeten embryonalen Stammzellen stammen nie aus der traditionellen Befruchtung in den Eileitern eines echten Menschen. Stattdessen erstellen Wissenschaftler sie in Reagenzgläsern mit in vitro Befruchtung (IVF). Diese embryonalen Stammzellen landen im Allgemeinen in Forschungslabors, nachdem Menschen, die IVF verwenden, um Familien zu gründen, den Prozess abgeschlossen haben und die zusätzlichen gefrorenen Embryonen der Wissenschaft spenden (anstatt sie zu zerstören).

Für Forscher hat die Verwendung embryonaler Stammzellen im Vergleich zu anderen Stammzelltypen gewisse Vorteile. Embryonale Stammzellen sind relativ leicht zu bekommen und einfach in Kultur zu züchten. Am wichtigsten ist, dass embryonale Stammzellen wirklich leere Schiefertafeln sind, die bei der Stammzelldifferenzierung im Wesentlichen zu jedem Zelltyp führen können.

Genau wie Zellen nach der Implantation in eine lebende Gebärmutter verklumpen embryonale Stammzellen im Labor auf natürliche Weise zu embryoide Körper und beginnen sich in spezialisierte Zellen zu differenzieren. Wissenschaftler, die embryonale Stammzellen in Kultur züchten, müssen bestimmte Bedingungen im Nährmedium aufrechterhalten, um dies zu verhindern.

Indem die Stammzellen sich ohne Differenzierung vermehren können, schaffen Wissenschaftler embryonale Stammzelllinien. Wissenschaftler können diese Zelllinien dann einfrieren und an andere Labore für Forschungsprojekte oder weitere Kultivierungen schicken. Um sich als Zelllinie zu qualifizieren, müssen die embryonalen Stammzellen:

• Wachsen Sie undifferenziert in Zellkultur für mindestens sechs Monate.
• Seien Sie pluripotent oder in der Lage, sich in jeden Zelltyp zu differenzieren.
• Keine genetischen Anomalien haben.

Wenn Forscher bereit sind, dass die Zellen einer embryonalen Stammzelllinie zu bestimmten Zelltypen werden, z Forschungsprojekt verändern sie einfach das Nährmedium oder injizieren spezifische Gene in die Stammzelle, um Stammzellen auszulösen Unterscheidung.

Es stellt sich heraus, dass viele reife Gewebe im voll entwickelten menschlichen Körper für einen regnerischen Tag an einigen undifferenzierten Zellen hängen bleiben. Diese adulte Stammzellen – manchmal genannt somatisch Stammzellen – aktivieren, wenn der Körper neue Zellen braucht. Dies geschieht, um den normalen Zellumsatz und das normale Wachstum zu berücksichtigen und auch um Gewebe nach einer Verletzung oder Krankheit zu reparieren.

Wissenschaftler haben adulte Stammzellen in einer Vielzahl von Organen und Geweben gefunden, wie zum Beispiel:

• Blutgefäße.
• Knochenmark.
• Gehirn.
• Darm.
• Herz.
• Leber.
• Eierstöcke.
• Peripheren Blut.
• Skelettmuskulatur.
• Zähne.
• Hoden.

Adulte Stammzellen werden im Allgemeinen in bestimmten Bereichen gefunden, die als bezeichnet werden Stammzellnischen. Im Gegensatz zu embryonalen Stammzellen, die sich in jeden Zelltyp differenzieren können, ist die Differenzierung von adulten Stammzellen begrenzt und gewebespezifisch. Das bedeutet, dass adulte Stammzellen typischerweise nur in die Zelltypen differenzieren, die mit dem Gewebe assoziiert sind, in dem sie sich befinden.

Zum Beispiel werden adulte Stammzellen im Gehirn nur zu Nervenzellen oder nicht-neuronalen Gehirnzellen. Hier sind einige andere bekannte adulte Stammzellen und ihre spezialisierten Zelltypen:

• Hämatopoetische Stammzellen kommen im Knochenmark vor und bilden Blutkörperchen, einschließlich roter Blutkörperchen und Zellen des Immunsystems.
• Mesenchymale Stammzellen kommen im Knochenmark (und einigen anderen Geweben) vor und bilden Knochenzellen, Knorpelzellen, Fettzellen und Stromazellen.
• Epitheliale Stammzellen befinden sich tief in der Darmschleimhaut und verursachen absorbierend Zellen, Kelch Zellen, enteroendokrin Zellen und Paneth Zellen.
• Hautstammzellen Skin befinden sich in der Basalschicht der Haut und führen zu Keratinozyten die eine Schutzschicht auf der Hautoberfläche bilden.

Wissenschaftler haben in Experimenten beobachtet, dass sich einige adulte Stammzellen zu spezialisierten Zellen differenzieren anders als der erwartete Zelltyp, der der wertvollen Pluripotenz embryonaler Stammzellen ähnelt. Dies ist jedoch Transdifferenzierung ist selten und betrifft nur ein kleines Segment der Stammzellen, wenn es auftritt. Forscher sind sich nicht sicher, ob es beim Menschen überhaupt vorkommt.

Adulte Stammzellen haben für Wissenschaftler einige Nachteile. Sie sind selten und schwer im Labor zu züchten. Sie haben auch Grenzen, wie viel sie sich teilen können und zu welchen Zelltypen sie werden können. Allerdings haben adulte Stammzellen einen entscheidenden Vorteil: Sie werden wahrscheinlich weniger auslösen Immunabstoßung da sie aus dem eigenen Körper eines Patienten gewonnen werden könnten.

Im Jahr 2006 entdeckten Forscher einen weiteren Stammzelltyp: induzierte pluripotente Stammzellen, oder iPSCs. Dabei handelt es sich um adulte Stammzellen, die Wissenschaftler so umprogrammieren, dass sie sich eher wie embryonale Stammzellen verhalten. Es ist jedoch noch nicht klar, ob es signifikante klinische Unterschiede zwischen induzierten pluripotenten Stammzellen und embryonalen Stammzellen gibt. Wissenschaftler verwenden iPSCs bereits für wichtige Arbeiten wie die Entwicklung von Medikamenten und die Modellierung von menschlichen Krankheiten für Forschungszwecke.

Bevor Forscher diese induzierten pluripotenten Stammzellen für direktere Anwendungen nutzen können, sind technische Hürden zu überwinden. Zusätzlich zur Bestätigung, dass sich diese Stammzellen nicht grundlegend von embryonalen Stammzellen unterscheiden Zellen müssen Forscher neue Techniken entwickeln, um in erster Linie induzierte pluripotente Stammzellen herzustellen Platz. Die aktuelle Methode verwendet Viren als Vehikel für die Umprogrammierung, die in Tierstudien schwerwiegende Nebenwirkungen wie Krebs gezeigt haben.

Neben dem Screening neuer Medikamente für die pharmazeutische Industrie und der Bereitstellung von Krankheitsmodellen für Forschungsprojekte glauben Wissenschaftler, dass Stammzellen neue (und spannende) zellbasierte Behandlungen möglich. Dies bedeutet, dass Labore eines Tages möglicherweise neue Organe und Gewebe für Menschen züchten, die eine Transplantation benötigen, anstatt sich auf Organ- und Gewebespender zu verlassen.

Dies könnte so aussehen, als würden Wissenschaftler Stammzellen verwenden, um Herzmuskelzellen herzustellen, die sie Menschen mit chronischen Herzerkrankungen transplantieren können. Aktuelle Tierstudien legen nahe, dass stromale Stammzellen aus dem Knochenmark vielversprechend für diese Anwendung sind, obwohl der genaue Mechanismus noch unklar ist. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, ob aus den Stammzellen neue Herzmuskelzellen oder Blutgefäßzellen entstehen – oder ob sie etwas ganz anderes tun.

Ein weiteres theoretisches Beispiel ist Typ-1-Diabetes. Wissenschaftler hoffen, menschliche embryonale Stammzellen in die Zellen zu differenzieren, die Insulin produzieren. Das Immunsystem von Menschen mit Diabetes stört diese Zellen und hindert sie daran, ihre Arbeit zu verrichten. Wissenschaftler fragen sich, ob sie eines Tages Stammzellen in insulinproduzierende Zellen differenzieren und sie Patienten transplantieren könnten.

Neben Herzkrankheiten und Diabetes glauben Wissenschaftler, dass dieser medizinische Fortschritt auch andere menschliche Krankheiten und Zustände betreffen könnte, und umfassen:

• Verbrennungen.
• Makuladegeneration, die zu Sehverlust führen kann.
• Arthrose und rheumatoide Arthritis.
• Rückenmarksverletzung, die zu Taubheit, Funktionsverlust oder Lähmung führen kann.
• Schlaganfall.

Um diese neuartigen Therapien tatsächlich Patienten zur Verfügung zu stellen, müssen die Wissenschaftler natürlich jeden Schritt dieses theoretischen Prozesses beherrschen. Dies bedeutet, dass sie:

• Züchten Sie genug Stammzellen, um das Gewebe oder Organ physisch aufzubauen.
• Stimulieren Sie die Stammzellen, sich in den richtigen Zelltyp zu differenzieren.
• Stellen Sie sicher, dass die differenzierten Stammzellen im Körper des Patienten überleben können.
• Stellen Sie sicher, dass sich die differenzierten Stammzellen richtig in das Empfängergewebe im Körper des Patienten integrieren.
• Erwarten Sie vernünftigerweise, dass das neue Gewebe oder Organ die Aufgabe erfüllt, für die es während des gesamten Lebens des Patienten gebaut wurde.
• Stellen Sie sicher, dass die neuen Zellen dem Patienten keine Kollateralschäden wie Krebs verursachen.

Nach der Definition von Stammzellen scheinen diese Schritte mit embryonalen Stammzellen erreichbar zu sein, erfordern jedoch viele Jahre ernsthafter Forschung an mehreren Fronten. Aus diesem Grund ist die Stammzellforschung ein so aktives Feld in den Fachwissenschaften – und auch für viele naturwissenschaftliche Lehrende und Studierende im Vordergrund.

Auch wenn das endgültige Ergebnis der Stammzellforschung möglicherweise noch aussteht, wird das allgemeine Verständnis verbessert der Stammzellstruktur und wie die Stammzelldifferenzierung funktioniert, ist eine großartige Möglichkeit, ein Teil dieser Entwicklung zu sein Wissenschaft.