Kāda ir cilmes šūnu struktūra?

Kad jūs to lasāt, pētnieki visā pasaulē atrodas pie viņu laboratorijas soliem un izdomā, kā kādu dienu no atsevišķām šūnām audzēt jaunus audus un orgānus. Ja jūs domājat, ka tas izklausās kā kaut kas no zinātniskās fantastikas filmas, jūs neesat viens. Tomēr šis pētījums varētu dot zinātnisku sasniegumu, kas maina veidu, kādā medicīnas speciālisti reālajā pasaulē ārstē plašu cilvēku slimību klāstu.

Šī pētījuma galamērķi varētu būt plaši, taču pētāmā persona ir tik bezgalīgi maza, ka to pat nevar redzēt ar neapbruņotu aci. Priekšmets ir cilmes šūnas. Pateicoties savām unikālajām īpašībām, šīs apbrīnojamās šūnas var mainīt zinātnes un medicīnas nākotni.
Lasiet vairāk par cilmes šūnu izpētes priekšrocībām un trūkumiem.

Jūs zināt, ka dzimumaudzēšanai ir vajadzīga spermas šūna un olšūna, lai tās apvienotos un izveidotu a zigota apaugļošana. Šī vienīgā eikariotu šūna satur pilnu ģenētiskās informācijas papildinājumu un spēj sadalīties sarežģītā daudzšūnu organismā, piemēram, jūs pats.

Bet vai jūs kādreiz esat domājis, kā šī atsevišķā šūna varētu sadalīties triljonos un triljonos šūnu cilvēka ķermenī? Un kā tikai viena šūna varētu radīt tik daudz dažādu šūnu - piemēram, gan ādas, gan smadzeņu šūnas?

Kad zigota sāk dalīties (pirms tā implantējas dzemdē), iegūtās šūnas faktiski ir cilmes šūnas. Zinātnieki saka, ka šīs elastīgās šūnas ir abas proliferatīvs un pluripotents. Tas nozīmē, ka šūnas viegli sadalās, lai iegūtu daudz, daudz vairāk šūnu - un caur cilmes šūnām tās var attīstīties par jebkura veida specializētām šūnām diferenciācija.
Lasiet vairāk par šūnu specializācijas skaidrojumu.

No pirmā acu uzmetiena cilmes šūnas daļas uz virsmas nešķiet tik īpašas. Tāpat kā visām cilvēka ķermeņa šūnām, arī cilmes šūnām ir dažas kopīgas struktūras. Tie ietver:

• A šūnu membrānu, kas ir lipīdu divslānis, kas ieskauj šūnu, kas ļauj dažiem materiāliem iekļūt šūnā, bet citus - ārpus tā.
  
• Citoplazma, kas ir šķidrais buljons šūnas iekšpusē.
  
• A kodols, kas satur visu šūnas ģenētisko informāciju, kas saglabāta kā DNS.

Starp apaugļošanu olvados un implantāciju dzemdē embrijs no vienkāršas cilmes šūnu lapas pārvērtīsies par organizētu šūnu grupu - sauktu par gastrula - ar trim dīgļu slāņi. Tie galu galā radīs visus daudzos šūnu veidus, audus un orgānus, kas satur veselu (kaut arī joprojām ļoti mazu) cilvēka augli.

Ārējais slānis, ko sauc par ektoderma, rodas ādas šūnas un nervu sistēmas audi. Vidējais slānis vai mezoderma, iegūst asins šūnas, saistaudus, muskuļu šūnas un placentas audus, kas uztur augli dzīvu dzemdē. Iekšējais slānis, ko sauc par endoderma, izveido zarnu, plaušu un uroģenitālā trakta oderējumus.

Pateicoties pluripotenci, cilmes šūnas pēc implantācijas var diferencēties un kļūt par jebkuru no šiem šūnu tipiem. Šīs cilmes šūnas, kas saistītas ar normālu embriju attīstību, ir viens no trim cilmes šūnu veidiem, ko izmanto zinātnieki. Pētnieki tos sauc cilvēka embrija cilmes šūnasvai hESC.

Embriju cilmes šūnas, kuras izmanto zinātnieki, nekad nav radušās no tradicionālas apaugļošanas faktiska cilvēka olvados. Tā vietā zinātnieki tos izveido mēģenēs, izmantojot in vitro apaugļošana (IVF). Šīs embrija cilmes šūnas parasti beidzas pētniecības laboratorijās pēc tam, kad cilvēki, kas izmanto IVF, lai izveidotu ģimenes, pabeidz procesu un ziedo papildu sasaldētos embrijus zinātnei (nevis iznīcina tos).

Pētniekiem ir noteiktas priekšrocības, izmantojot embrija cilmes šūnas, salīdzinot ar cita veida cilmes šūnām. Embrija cilmes šūnas ir diezgan viegli iegūt, un tās ir viegli audzēt kultūrā. Vissvarīgākais ir tas, ka embrija cilmes šūnas ir patiesi tukši šīferi, kas pēc cilmes šūnu diferenciācijas var radīt būtībā jebkura veida šūnas.

Tāpat kā šūnas to dara pēc implantācijas dzīvā dzemdē, embriju cilmes šūnas laboratorijā dabiski saplūst kopā embriju ķermeņi un sāk diferencēties specializētās šūnās. Zinātniekiem, kuri kultūrā audzē embrija cilmes šūnas, augšanas vidē jāuztur īpaši apstākļi, lai tas nenotiktu.

Ļaujot cilmes šūnām pavairot bez atšķirības, zinātnieki rada embrija cilmes šūnu līnijas. Pēc tam zinātnieki var sasaldēt šīs šūnu līnijas un nosūtīt tās citām laboratorijām pētījumu projektiem vai tālākai kultivēšanai. Lai kvalificētos kā šūnu līnija, embrija cilmes šūnām:

• Šūnu kultūrā nediferencēti aug vismaz sešus mēnešus.
• Esi pluripotents vai spējīgs diferencēties jebkura veida šūnā.
• Nav ģenētisku patoloģiju.

Kad pētnieki ir gatavi, lai embrija cilmes šūnu līnijas šūnas kļūtu par specifiskiem šūnu tipiem, piemēram, par konkrētu pētniecības projektā viņi vienkārši maina barotni vai injicē cilmes šūnā specifiskus gēnus, lai iedarbinātu cilmes šūnu diferenciācija.

Izrādās, ka daudzi nobrieduši audi pilnībā attīstītajā cilvēka ķermenī lietainai dienai karājas pie dažām nediferencētām šūnām. Šie pieaugušo cilmes šūnas - dažreiz sauc somatisks cilmes šūnas - aktivizējas, kad ķermenim nepieciešamas jaunas šūnas. Tas notiek, lai ņemtu vērā normālu šūnu apriti un augšanu, kā arī atjaunotu audus pēc traumas vai slimības.

Zinātnieki ir atraduši pieaugušo cilmes šūnas visdažādākajos orgānos un audos, piemēram:

• Asinsvadi.
• Kaulu smadzenes.
• Smadzenes.
• Zarnas.
• Sirds.
• Aknas.
• Olnīcas.
• Perifērās asinis.
• Skeleta muskulis.
• Zobi.
• Sēklas.

Pieaugušo cilmes šūnas parasti atrodas noteiktos apgabalos, ko sauc cilmes šūnu nišas. Atšķirībā no embrija cilmes šūnām, kuras vispār var diferencēties jebkura veida šūnās, pieaugušo cilmes šūnu diferenciācija ir ierobežota un specifiska audiem. Tas nozīmē, ka pieaugušo cilmes šūnas parasti diferencējas tikai šūnu tipos, kas saistīti ar audiem, kuros tās dzīvo.

Piemēram, pieaugušās cilmes šūnas smadzenēs kļūs tikai par nervu šūnām vai neironu smadzeņu šūnām. Šeit ir daži citi labi zināmi pieaugušo cilmes šūnas un to specializētie šūnu veidi:

• Hematopoētiskās cilmes šūnas ir atrodami kaulu smadzenēs un rada asins šūnas, ieskaitot sarkanās un imūnsistēmas šūnas.
• Mesenchymal cilmes šūnas ir atrodami kaulu smadzenēs (un dažos citos audos) un rada kaulu šūnas, skrimšļa šūnas, tauku šūnas un stromas šūnas.
• Epitēlija cilmes šūnas ir atrodami dziļi zarnu apvalkā un rada absorbējošs šūnas, kauss šūnas, enteroendokrīnā šūnas un Panets šūnas.
• Ādas cilmes šūnas ir atrodami ādas bazālajā slānī un rada keratinocīti kas uz ādas virsmas veido aizsargslāni.

Zinātnieki eksperimentos ir novērojuši, ka dažas pieaugušo cilmes šūnas diferencējās specializētās šūnās izņemot paredzamo šūnu tipu, kas ir līdzīgs embriju cilmes šūnu vērtīgajai pluripotenci. Tomēr tas transdiferenciācija ir reti sastopama un skar tikai nelielu cilmes šūnu segmentu, kad tas notiek. Pētnieki nav pārliecināti, vai tas vispār notiek cilvēkiem.

Pieaugušo cilmes šūnām ir daži zinātnieku trūkumi. Tie ir reti un laboratorijā tos grūti audzēt. Viņiem ir arī ierobežojumi, cik daudz viņi var sadalīt un kāda veida šūnas var kļūt. Tomēr pieaugušo cilmes šūnām ir viena izteikta priekšrocība: tās, visticamāk, neizraisīs imūno noraidījums jo tos varēja novākt no paša pacienta ķermeņa.

2006. gadā pētnieki atklāja vēl vienu cilmes šūnu veidu: izraisītas pluripotentās cilmes šūnasvai iPSC. Tās ir pieaugušo cilmes šūnas, kuras zinātnieki pārprogrammē, lai tās darbotos vairāk kā embrija cilmes šūnas. Tomēr vēl nav skaidrs, vai starp inducētām pluripotentām cilmes šūnām un embrija cilmes šūnām ir nozīmīgas klīniskās atšķirības. Zinātnieki jau izmanto iPSC svarīgiem darbiem, piemēram, zāļu izstrādei un cilvēku slimību modelēšanai pētniecības nolūkos.

Pirms pētnieki var izmantot šīs inducētās pluripotentās cilmes šūnas tiešākai izmantošanai, ir jāpārvar tehniski šķēršļi. Papildus apstiprinājumam, ka šīs cilmes šūnas būtiski neatšķiras no embrija cilmes šūnām, pētniekiem vispirms jāizstrādā jaunas metodes inducētu pluripotentu cilmes šūnu veidošanai vieta. Pašreizējā metodē vīrusi tiek izmantoti kā pārprogrammēšanas līdzeklis, kas pētījumos ar dzīvniekiem ir parādījis nopietnas blakusparādības, piemēram, vēzi.

Papildus jaunu zāļu pārbaudei farmācijas nozarē un kalpo kā slimību modeļi pētniecības projektiem, zinātnieki uzskata, ka cilmes šūnas var padarīt jaunas (un aizraujošas) uz šūnām balstītas procedūras iespējams. Tas nozīmē, ka kādreiz laboratorijās varētu izaugt jauni orgāni un audi cilvēkiem, kuriem nepieciešama transplantācija, nevis paļauties uz orgānu un audu donoriem.

Tas varētu izskatīties kā zinātnieki, izmantojot cilmes šūnas, lai izveidotu sirds muskuļa šūnas, kuras tās var pārstādīt cilvēkiem ar hronisku sirds slimību. Pašreizējie pētījumi ar dzīvniekiem liecina, ka stromas cilmes šūnas no kaulu smadzenēm liecina par šo lietojumu, lai gan precīzais mehānisms joprojām nav skaidrs. Zinātnieki nav pārliecināti, vai cilmes šūnas rada jaunas sirds muskuļa šūnas vai asinsvadu šūnas, vai arī tās vispār dara kaut ko citu.

Cits teorētisks piemērs ir 1. tipa cukura diabēts. Zinātnieki cer cilvēka embrija cilmes šūnas diferencēt šūnās, kas ražo insulīnu. Diabēta slimnieku imūnsistēma izjauc šīs šūnas un aizliedz tām veikt savu darbu. Zinātniekiem rodas jautājums, vai viņi kādu dienu varētu diferencēt cilmes šūnas insulīnu ražojošās šūnās un pārstādīt tās pacientiem.

Papildus sirds slimībām un diabētam, citas cilvēku slimības un apstākļi, pēc zinātnieku domām, šī medicīniskā attīstība varētu ietekmēt, ir plaša un ietver:

• Apdegumi.
• Makulas deģenerācija, kas var izraisīt redzes zudumu.
• Osteoartrīts un reimatoīdais artrīts.
• Muguras smadzeņu traumas, kas var izraisīt nejutīgumu, funkciju zudumu vai paralīzi.
• Insults.

Protams, šo jauno terapiju nonākšana pie faktiskajiem pacientiem prasīs, lai zinātnieki apgūtu visus šī teorētiskā procesa soļus. Tas nozīmē, ka viņiem ir:

• Audzējiet pietiekami daudz cilmes šūnu, lai fiziski izveidotu audus vai orgānu.
• Stimulējiet cilmes šūnas, lai diferencētos pareizajā šūnu tipā.
• Pārliecinieties, ka diferencētās cilmes šūnas var izdzīvot pacienta ķermenī.
• Pārliecinieties, ka diferencētās cilmes šūnas pareizi integrējas saņēmēja audos pacienta ķermenī.
• Saprātīgi sagaidiet, ka jaunie audi vai orgāni veiks visu pacienta dzīves laiku tam paredzēto darbu.
• Pārliecinieties, ka jaunās šūnas nerada papildu kaitējumu pacientam, piemēram, vēzi.

Pēc cilmes šūnu definīcijas šīs darbības šķiet sasniedzamas, izmantojot embrija cilmes šūnas, taču tām būs vajadzīgi daudzu gadu nopietni pētījumi vairākās frontēs. Tāpēc cilmes šūnu izpēte ir tik aktīva joma profesionālajās zinātnēs - un arī tāpēc tas daudziem zinātnes skolotājiem un studentiem ir galvenais prāts.

Kaut arī cilmes šūnu izpētes galīgais rezultāts joprojām var būt ceļā, palielinot vispārējo izpratni cilmes šūnu struktūras un kā darbojas cilmes šūnu diferenciācija, ir lielisks veids, kā būt daļa no šīs topošās zinātne.