Milline on tüvirakkude struktuur?

Seda lugedes on teadlased kogu maailmas oma laboripinkide juures ja mõtlevad välja, kuidas ühel päeval rakkudest uusi kudesid ja elundeid kasvatada. Kui arvate, et see kõlab nagu midagi ulmefilmist, pole te üksi. Kuid see uuring võib anda teadusliku läbimurde, mis muudab viisi, kuidas meditsiinitöötajad tegelevad paljude inimeste haigustega reaalses maailmas.

Selle uurimuse lõppeesmärgid võivad olla laiad, kuid uuritav on nii lõputult väike, et te ei näe seda isegi palja silmaga. Teemaks on tüvirakud. Tänu oma ainulaadsetele omadustele võivad need hämmastavad rakud muuta teaduse ja meditsiini tulevikku.
Lisateavet tüvirakkude uurimise eeliste ja puuduste kohta.

Teate, et seksuaalseks paljunemiseks on vaja seemnerakku ja munarakku, et kokku saada ja moodustada a sügoot väetamise teel. See üksik eukarüootne rakk sisaldab täielikku täiendust geneetilisest teabest ja võib jaguneda keeruliseks mitmerakuliseks organismiks nagu teie ise.

Kuid kas olete kunagi mõelnud, kuidas saaks see üksik rakk jagada inimkeha triljoniteks ja triljoniteks rakkudeks? Ja kuidas saaks ainult üks rakk tekitada nii palju erinevaid rakke - näiteks nii naharakke kui ka ajurakke?

Kui sügoot hakkab jagunema (enne emaka implanteerimist), on saadud rakud tegelikult tüvirakud. Teadlaste sõnul on need paindlikud rakud mõlemad vohav ja pluripotent. See tähendab, et rakud jagunevad kergesti, et toota palju-palju rohkem rakke - ja nad võivad tüvirakkude kaudu areneda mis tahes tüüpi spetsiaalseteks rakkudeks eristamine.
Lisateavet rakkude spetsialiseerumise selgituse kohta.

Esmapilgul ei tundu tüviraku osad pinnal nii erilised. Nagu kõigil inimkeha rakkudel, on ka tüvirakkudel mõned ühised struktuurid. Need sisaldavad:

• A rakumembraan, mis on rakku ümbritsev kahekordne lipiidikiht, mis laseb mõnel materjalil rakku siseneda ja teisi eemal hoida.
  
• Tsütoplasma, mis on raku sees olev vedel puljong.
  
• A tuum, mis sisaldab kogu raku geneetilist teavet, mis on salvestatud DNA-na.

Munajuhade viljastumise ja emaka implantatsiooni vahel muutub embrüo lihtsast tüvirakkude lehest organiseeritud rakkude rühmaks - nn gastrula - kolmega idukihid. Nendest saavad lõpuks kõik paljud rakutüübid, koed ja elundid, mis koosnevad tervest (ehkki endiselt väga väikesest) inimloost.

Äärmine kiht, mida nimetatakse ektoderm, tekitab naharakke ja närvisüsteemi kudesid. Keskmine kiht või mesodermannab vererakke, sidekude, lihasrakke ja platsenta kude, mis hoiab loodet elus emakas. Sisekiht, mida nimetatakse endoderm, loob soolestiku, kopsude ja urogenitaaltrakti vooderdised.

Tänu pluripotentsusele võivad tüvirakud pärast implantatsiooni diferentseeruda ja saada mis tahes neist rakutüüpidest. Need embrüote normaalse arenguga seotud tüvirakud on üks kolmest tüvirakkude tüübist, mida teadlased kasutavad. Teadlased helistavad neile inimese embrüonaalsed tüvirakudvõi hESC-d.

Teadlaste kasutatavad embrüonaalsed tüvirakud ei pärine kunagi traditsioonilisest viljastamisest tegeliku inimese munajuhades. Selle asemel loovad teadlased need katseklaasidesse kasutades in vitro viljastamine (IVF). Need embrüonaalsed tüvirakud lõpetavad uurimislaborites tavaliselt pärast seda, kui inimesed, kes kasutavad perekondade loomiseks IVF-i, on protsessi lõpetanud ja annetanud ekstra külmutatud embrüod teadusele (mitte neid hävitama).

Teadlaste jaoks on embrüonaalsete tüvirakkude kasutamisel teatud eelised võrreldes teiste tüvirakkude tüüpidega. Embrüonaalseid tüvirakke on üsna lihtne saada ja neid on kultuuris lihtne kasvatada. Kõige tähtsam on see, et embrüonaalsed tüvirakud on tõeliselt tühjad tahvlid, mis võivad tüvirakkude diferentseerumisel põhjustada sisuliselt igat tüüpi rakke.

Nii nagu rakud pärast implanteerimist elavasse emakasse, klombivad laboris embrüonaalsed tüvirakud loomulikult kokku embrüoidsed kehad ja hakkavad eristuma spetsialiseeritud rakkudeks. Embrüonaalseid tüvirakke kultuuris kasvatavad teadlased peavad kasvukeskkonnas säilitama konkreetsed tingimused, et seda ei juhtuks.

Lubades tüvirakkudel paljuneda ilma diferentseerumiseta, loovad teadlased embrüonaalsed tüvirakuliinid. Seejärel saavad teadlased need rakuliinid külmutada ja saata teistesse laboritesse uurimisprojektide või edasise kultiveerimise eesmärgil. Rakuliiniks kvalifitseerumiseks peavad embrüonaalsed tüvirakud:

• Kasva rakukultuuris eristamata vähemalt kuus kuud.
• Olema pluripotentne või suuteline eristuma mis tahes rakutüübiks.
• Ei oma geneetilisi kõrvalekaldeid.

Kui teadlased on valmis loote tüvirakuliini rakkudest muutuma teatud tüüpi rakkudeks, näiteks teatud rakkudeks uurimisprojekt, muudavad nad lihtsalt kasvukeskkonda või süstivad tüvirakku käivitamiseks spetsiifilisi geene eristamine.

Selgub, et paljud arenenud inimkeha küpsed koed ripuvad vihmaseks päevaks mõne diferentseerumata raku küljes. Need täiskasvanud tüvirakud - vahel helistatakse somaatiline tüvirakud - aktiveeruvad, kui keha vajab uusi rakke. See juhtub selleks, et võtta arvesse rakkude normaalset voolu ja kasvu ning parandada kudet pärast vigastust või haigust.

Teadlased on leidnud täiskasvanud tüvirakke paljudes elundites ja kudedes, näiteks:

• Veresooned.
• Luuüdi.
• Aju.
• Soolestik.
• Süda.
• Maks.
• Munasarjad.
• Perifeerne veri.
• Skeletilihas.
• Hambad.
• Munandid.

Täiskasvanud tüvirakke leidub tavaliselt kindlates piirkondades, nn tüvirakkude nišše. Erinevalt embrüonaalsetest tüvirakkudest, mis võivad üldse igasuguseks rakutüübiks diferentseeruda, on täiskasvanud tüvirakkude diferentseerumine piiratud ja koespetsiifiline. See tähendab, et täiskasvanud tüvirakud eristuvad tavaliselt ainult rakkudeks, mis on seotud nende kudedega, milles nad elavad.

Näiteks saavad täiskasvanu aju tüvirakud ainult närvirakkudeks või mitte-neuronaalseteks ajurakkudeks. Siin on mõned teised tuntud täiskasvanud tüvirakud ja nende spetsialiseerunud rakutüübid:

• Vereloome tüvirakud on leitud luuüdis ja tekitavad vererakke, sealhulgas punaseid vereliblesid ja immuunsüsteemi rakke.
• Mesenhümaalsed tüvirakud neid leidub luuüdis (ja mõnes muus koes) ning need põhjustavad luurakke, kõhrerakke, rasvarakke ja strooma rakke.
• Epiteeli tüvirakud leitakse sügavalt soole vooderdis ja tekitavad neelav rakud, pokaal rakud, enteroendokriinne rakud ja Paneth rakke.
• Naha tüvirakud leidub naha basaalkihis ja tekitavad keratinotsüüdid mis moodustavad naha pinnale kaitsekihi.

Teadlased on katsetes täheldanud, et mõned täiskasvanud tüvirakud diferentseerusid spetsiaalseteks rakkudeks peale eeldatava rakutüübi, mis sarnaneb embrüonaalsete tüvirakkude väärtusliku pluripotentsusega. Kuid see transdiferentseerumine on haruldane ja mõjutab tüvirakkude väikest segmenti ainult siis, kui see juhtub. Teadlased pole kindlad, kas see inimestel üldse juhtub.

Täiskasvanud tüvirakkudel on teadlastele mõned puudused. Neid on harva ja neid on laboris raske kasvatada. Neil on ka piirid, kui palju nad saavad jagada ja millist tüüpi rakkudeks võivad saada. Täiskasvanud tüvirakkudel on siiski üks selge eelis: tõenäoliselt vallanduvad need vähem immuunsuse tagasilükkamine kuna neid saab koristada patsiendi enda kehast.

2006. aastal avastasid teadlased veel ühe tüvirakkude tüübi: indutseeritud pluripotentsed tüvirakudvõi iPSC-sid. Need on täiskasvanud tüvirakud, mille teadlased programmeerivad ümber, et toimida rohkem nagu embrüonaalsed tüvirakud. Siiski pole veel selge, kas indutseeritud pluripotentsete tüvirakkude ja embrüonaalsete tüvirakkude vahel on olulisi kliinilisi erinevusi. Teadlased kasutavad iPSC-sid juba oluliseks tööks, näiteks ravimite väljatöötamiseks ja inimeste haiguste modelleerimiseks teadusuuringute eesmärgil.

Enne kui teadlased saavad neid indutseeritud pluripotentseid tüvirakke otsesemaks kasutamiseks rakendada, tuleb ületada tehnilisi takistusi. Lisaks kinnitamisele, et need tüvirakud ei erine põhimõtteliselt embrüonaalsetest tüvedest rakud, peavad teadlased kõigepealt välja töötama uued meetodid indutseeritud pluripotentsete tüvirakkude valmistamiseks koht. Praegune meetod kasutab viiruseid ümberprogrammeerimise vahendina, mis on loomkatsetes näidanud tõsiseid kõrvaltoimeid, näiteks vähk.

Lisaks farmaatsiatööstuse uute ravimite skriinimisele ja uurimisprojektide haiguste mudelitele on teadlased arvamusel, et tüvirakud võivad muuta uued (ja põnevad) rakupõhised ravimeetodid võimalik. See tähendab, et kunagi võivad laborid kasvatada uusi elundeid ja kudesid siirdamist vajavatele inimestele, selle asemel et tugineda elundi- ja koedoonoritele.

See võib tunduda teadlastena, kes kasutavad tüvirakke südamelihasrakkude valmistamiseks, mida nad saavad siirdada kroonilise südamehaigusega inimestele. Praegused loomkatsed näitavad, et luuüdist pärinevad strooma tüvirakud näitavad selle rakenduse lubadust, ehkki täpne mehhanism on endiselt ebaselge. Teadlased pole kindlad, kas tüvirakkudest tekivad uued südamelihasrakud või veresoonerakud - või teevad nad üldse midagi muud.

Teine teoreetiline näide on 1. tüüpi diabeet. Teadlased loodavad inimese embrüonaalsed tüvirakud eristada insuliini tootvateks rakkudeks. Diabeediga inimeste immuunsüsteem rikub neid rakke ja keelab neil oma tööd teha. Teadlased mõtlevad, kas nad saaksid ühel päeval tüvirakud insuliini tootvateks rakkudeks diferentseerida ja patsientidele siirdada.

Lisaks südamehaigustele ja diabeedile leiavad teadlased, et see meditsiiniline areng võib mõjutada ka teisi inimeste haigusi ja seisundeid, hõlmates järgmist:

• Põletab.
• Makulaarne degeneratsioon, mis võib põhjustada nägemise kadu.
• Osteoartriit ja reumatoidartriit.
• Seljaaju vigastus, mis võib põhjustada tuimust, funktsiooni kaotust või halvatus.
• Insult.

Muidugi nõuab nende uudsete raviviiside viimine tegelike patsientideni teadlastele selle teoreetilise protsessi kõigi sammude valdamist. See tähendab, et nad peavad:

• Kasvatage piisavalt tüvirakke, et koe või elund füüsiliselt üles ehitada.
• Stimuleerige tüvirakke, et diferentseeruda õigeks rakutüübiks.
• Veenduge, et diferentseerunud tüvirakud suudaksid patsiendi kehas ellu jääda.
• Veenduge, et diferentseerunud tüvirakud integreeruvad korralikult patsiendi keha retsipientkudedesse.
• Mõistlikult eeldage, et uus kude või elund teeb kogu patsiendi elu jooksul tööd, mille jaoks see on ehitatud.
• Veenduge, et uued lahtrid ei põhjustaks patsiendile lisakahjustusi, näiteks vähki.

Tüvirakkude määratluse järgi näivad need etapid embrüonaalsete tüvirakkude abil saavutatavad, kuid vajavad mitu aastat tõsiseid uuringuid mitmel rindel. Seetõttu on tüvirakkude uurimine kutseteadustes nii aktiivne valdkond - ja seetõttu on see paljude teadusõpetajate ja üliõpilaste jaoks meeltmööda.

Ehkki tüvirakkude uurimise lõpptulemus võib siiski olla teel, suurendades üldist arusaama tüvirakkude struktuurist ja sellest, kuidas tüvirakkude diferentseerumine toimib, on suurepärane võimalus saada sellest tekkivast osast teadus.