Kakva je struktura matičnih stanica?

Dok ovo čitate, istraživači širom svijeta nalaze se u svojim laboratorijskim klupama i smišljaju kako jednog dana izrasti nova tkiva i organi iz pojedinačnih stanica. Ako mislite da to zvuči kao nešto iz znanstveno-fantastičnog filma, niste sami. Ipak, ovo bi istraživanje moglo donijeti znanstveni proboj koji mijenja način na koji medicinski radnici liječe širok spektar ljudskih bolesti u stvarnom svijetu.

Krajnji ciljevi ovog istraživanja mogli bi biti široki, ali predmet istraživanja je toliko beskrajno malen da ga ne možete vidjeti ni golim okom. Tema je Matične stanice. Zahvaljujući svojim jedinstvenim karakteristikama, ove nevjerojatne stanice imaju potencijal promijeniti budućnost znanosti i medicine.
Pročitajte više o prednostima i nedostacima istraživanja matičnih stanica.

Znate da za spolno razmnožavanje treba da se spermija i jajna stanica okupe i stvore zigota putem oplodnje. Ova jedina eukariotska stanica sadrži punu genetsku informaciju i ima potencijal da se podijeli u složeni višećelijski organizam kakav ste vi.

Ali jeste li se ikad zapitali kako se ta pojedinačna stanica može podijeliti na bilijune i bilijune stanica u ljudskom tijelu? I kako bi samo jedna stanica mogla stvoriti toliko različitih vrsta stanica - na primjer, i stanice kože i stanice mozga?

Kako se zigota počinje dijeliti (prije nego što se ugradi u maternicu), rezultirajuće stanice zapravo su matične stanice. Znanstvenici kažu da su ove fleksibilne stanice obje proliferativni i pluripotentni. To znači da se stanice lako dijele kako bi proizvele mnogo, mnogo više stanica - i mogu se razviti u bilo koju vrstu specijalizirane stanice putem matičnih stanica diferencijacija.
Pročitajte više o objašnjenju specijalizacije stanica.

Na prvi pogled dijelovi matične stanice na površini se ne čine toliko posebnima. Kao i sve stanice u ljudskom tijelu, i matične stanice imaju nekoliko zajedničkih struktura. To uključuje:

• A stanična membrana, koji je lipidni dvoslojni sloj koji okružuje stanicu, a koji propušta neke materijale u stanicu, a druge sprečava.
  
• Citoplazma, koji je tekuća juha unutar stanice.
  
• A jezgra, koji sadrži sve genetske podatke stanice pohranjene kao DNA.

Između oplodnje u jajovodima i implantacije u maternicu, embrij će se iz jednostavnog lista matičnih stanica promijeniti u organiziranu skupinu stanica - nazvanu gastrula - s tri klicni slojevi. Na kraju će nastati sve brojne vrste stanica, tkiva i organi koji čine cjelovit (iako još uvijek vrlo mali) ljudski fetus.

Najudaljeniji sloj, nazvan ektoderm, stvara stanice kože i tkiva živčanog sustava. Srednji sloj, ili mezoderma, daje krvne stanice, vezivno tkivo, mišićne stanice i placentno tkivo koje održava fetus na životu u maternici. Unutarnji sloj, nazvan endoderm, stvara obloge crijeva, pluća i urogenitalnog trakta.

Zahvaljujući pluripotenciji, matične stanice mogu se diferencirati i postati bilo koji od ovih tipova stanica nakon implantacije. Ove matične stanice povezane s normalnim razvojem embrija jedna su od tri vrste matičnih stanica koje koriste znanstvenici. Zovu ih istraživači matične stanice ljudskog embrijaili hESC.

Embrionalne matične stanice koje koriste znanstvenici nikada ne potječu od tradicionalne gnojidbe unutar jajovoda stvarnog čovjeka. Umjesto toga, znanstvenici ih stvaraju u epruvetama koristeći in vitro oplodnja (IVF). Ove embrionalne matične stanice obično završe u istraživačkim laboratorijima nakon što ljudi koji koriste IVF za stvaranje obitelji završe postupak i doniraju suviše smrznute embrije znanosti (umjesto da ih unište).

Za istraživače postoje određene koristi od upotrebe embrionalnih matičnih stanica u usporedbi s drugim vrstama matičnih stanica. Do embrionalnih matičnih stanica prilično je lako doći i uzgoj ih je jednostavan u kulturi. Što je najvažnije, embrionalne matične stanice uistinu su prazne pločice koje mogu stvoriti u osnovi bilo koju vrstu stanica nakon diferencijacije matičnih stanica.

Baš kao što to čine stanice nakon implantacije u živu maternicu, embrionalne matične stanice u laboratoriju prirodno se sliježu embrioidna tijela i počinju se diferencirati u specijalizirane stanice. Znanstvenici koji uzgajaju embrionalne matične stanice u kulturi moraju održavati određene uvjete u rastnom mediju kako se to ne bi dogodilo.

Dopuštajući matičnim stanicama da se umnožavaju bez razlikovanja, znanstvenici stvaraju linije embrionalnih matičnih stanica. Znanstvenici tada mogu zamrznuti ove stanične linije i poslati ih u druge laboratorije radi istraživačkih projekata ili daljnjeg uzgoja. Da bi se kvalificirale kao stanična linija, embrionalne matične stanice moraju:

• Razvijajte se nediferencirano u kulturi stanica najmanje šest mjeseci.
• Budite pluripotentni ili sposobni za diferencijaciju u bilo koji tip stanica.
• Nemaju genetske abnormalnosti.

Kad su istraživači spremni da stanice u liniji embrionalnih matičnih stanica postanu specifične vrste stanica, kao što su određene istraživački projekt, oni jednostavno mijenjaju medij za kulturu ili ubrizgavaju određene gene u matičnu stanicu kako bi pokrenuli matične stanice diferencijacija.

Ispada da se mnoga zrela tkiva u potpuno razvijenom ljudskom tijelu kišovito drže na nekim nediferenciranim stanicama. Ovi matične stanice odraslih - ponekad se zove somatski matične stanice - aktiviraju se kad tijelu trebaju nove stanice. To se događa kako bi se objasnio normalan promet i rast stanica, a također i da bi se popravilo tkivo nakon ozljede ili bolesti.

Znanstvenici su pronašli matične stanice odraslih u širokom spektru organa i tkiva, kao što su:

• Krvne žile.
• Koštana srž.
• Mozak.
• Crijevo.
• Srce.
• Jetra.
• Jajnici.
• Periferna krv.
• Mišić kostura.
• Zubi.
• Testisi.

Matične stanice odraslih obično se nalaze u određenim područjima, tzv niše matičnih stanica. Za razliku od embrionalnih matičnih stanica, koje se uopće mogu diferencirati u bilo koji tip stanica, diferencijacija matičnih stanica odraslih ograničena je i specifična za tkivo. To znači da se matične stanice odraslih obično razlikuju samo u tipove stanica povezanih s tkivom u kojem borave.

Na primjer, odrasle matične stanice u mozgu postat će samo živčane stanice ili moždane stanice koje nisu neuronske. Evo nekih drugih dobro poznatih matičnih stanica odraslih i njihovih specijaliziranih tipova stanica:

• Matične stanice hematopoeze nalaze se u koštanoj srži i stvaraju krvne stanice, uključujući crvene krvne stanice i stanice imunološkog sustava.
• Mezenhimske matične stanice nalaze se u koštanoj srži (i nekim drugim tkivima) i stvaraju stanice kostiju, stanice hrskavice, masne stanice i stromalne stanice.
• Matične stanice epitela nalaze se duboko u sluznici crijeva i stvaraju upijajući Stanice, pehar Stanice, enteroendokrini stanice i Paneth Stanice.
• Matične stanice kože nalaze se u bazalnom sloju kože i stvaraju keratinociti koji čine zaštitni sloj na površini kože.

Znanstvenici su u pokusima primijetili da su se neke odrasle matične stanice diferencirale u specijalizirane stanice osim očekivanog tipa stanica, što je slično vrijednoj pluripotenciji embrionalnih matičnih stanica. Međutim, ovo transdiferencijacija je rijetka i utječe na mali segment matičnih stanica samo kada se dogodi. Istraživači nisu sigurni događa li se to uopće kod ljudi.

Matične stanice odraslih imaju nekih nedostataka za znanstvenike. Rijetki su i teško ih je uzgajati u laboratoriju. Također imaju ograničenja koliko se mogu podijeliti i kakve vrste stanica mogu postati. Međutim, odrasle matične stanice imaju jednu izrazitu prednost: vjerojatno je da će ih vjerojatno pokrenuti imunološko odbacivanje budući da bi se mogli ubrati iz vlastitog tijela pacijenta.

2006. istraživači su otkrili još jednu vrstu matičnih stanica: inducirane pluripotentne matične staniceili iPSCs. Radi se o matičnim stanicama odraslih koje znanstvenici reprogramiraju kako bi djelovale više poput embrionalnih matičnih stanica. Međutim, još nije jasno postoje li značajne kliničke razlike između induciranih pluripotentnih matičnih stanica i embrionalnih matičnih stanica. Znanstvenici već koriste iPSC za važan posao, poput razvoja lijekova i modeliranja ljudskih bolesti u istraživačke svrhe.

Postoje tehničke prepreke koje treba prevladati prije nego što istraživači mogu koristiti ove inducirane pluripotentne matične stanice za izravnije primjene. Osim što potvrđuju da se ove matične stanice u osnovi ne razlikuju od embrionalnih stanice, istraživači moraju osmisliti nove tehnike za stvaranje induciranih pluripotentnih matičnih stanica u prvom mjesto. Trenutna metoda koristi viruse kao sredstvo za reprogramiranje, što je pokazalo ozbiljne nuspojave, poput raka, u istraživanjima na životinjama.

Osim što pregledavaju nove lijekove za farmaceutsku industriju i služe kao modeli bolesti za istraživačke projekte, znanstvenici vjeruju da matične stanice mogu stvoriti nove (i uzbudljive) tretmani na bazi stanica moguće. To znači da će jednog dana laboratoriji možda uzgajati nove organe i tkiva ljudima koji trebaju transplantacije, a ne oslanjati se na darivatelje organa i tkiva.

To bi moglo izgledati kao da znanstvenici koriste matične stanice za stvaranje stanica srčanog mišića koje mogu presaditi ljudima s kroničnim bolestima srca. Trenutna ispitivanja na životinjama sugeriraju da stromalne matične stanice iz koštane srži obećavaju ovu primjenu, iako precizan mehanizam još uvijek nije jasan. Znanstvenici nisu sigurni stvaraju li matične stanice nove stanice srčanog mišića ili stanice krvnih žila - ili rade li uopće nešto drugo.

Sljedeći je teoretski primjer dijabetes tipa 1. Znanstvenici se nadaju da će diferencirati ljudske embrionalne matične stanice u stanice koje proizvode inzulin. Imunološki sustav osoba s dijabetesom remeti ove stanice i zabranjuje im da rade svoj posao. Znanstvenici se pitaju bi li mogli jednog dana diferencirati matične stanice u stanice koje proizvode inzulin i presaditi ih pacijentima.

Osim bolesti srca i dijabetesa, i druge ljudske bolesti i stanja znanstvenici vjeruju da bi ovaj medicinski napredak mogao utjecati široki i uključuju:

• Opekline.
• Makularna degeneracija, koja može uzrokovati gubitak vida.
• Osteoartritis i reumatoidni artritis.
• Ozljeda kralježnične moždine, koja može prouzročiti utrnulost, gubitak funkcije ili paralizu.
• Moždani udar.

Naravno, donošenje ovih novih terapija stvarnim pacijentima zahtijevat će znanstvenike da savladaju svaki korak ovog teorijskog procesa. To znači da trebaju:

• Razvijte dovoljno matičnih stanica za fizičku izgradnju tkiva ili organa.
• Potaknite matične stanice da se diferenciraju u pravilan tip stanica.
• Osigurajte da diferencirane matične stanice mogu preživjeti u tijelu pacijenta.
• Pazite da se diferencirane matične stanice pravilno integriraju u tkiva primatelja unutar tijela pacijenta.
• Razumno očekujte da novo tkivo ili organ rade posao za koji su izgrađeni tijekom cijelog tijeka pacijentovog života.
• Pazite da nove stanice ne uzrokuju kolateralnu štetu pacijentu, poput raka.

Prema definiciji matičnih stanica, čini se da su ovi koraci ostvarivi pomoću embrionalnih matičnih stanica, ali zahtijevat će dugogodišnja ozbiljna istraživanja na više frontova. Zbog toga je istraživanje matičnih stanica tako aktivno područje u profesionalnim znanostima - a također je i razlog zašto su mnogi nastavnici i studenti prirodoslovlja.

Iako je konačni rezultat istraživanja matičnih stanica možda još uvijek na putu, povećavajući opće razumijevanje strukture matičnih stanica i kako funkcionira diferencijacija matičnih stanica izvrstan je način da budete dio ovoga koji nastaje znanost.