Wat is de structuur van stamcellen?

Terwijl u dit leest, zitten onderzoekers over de hele wereld bij hun laboratoriumbanken om uit te zoeken hoe ze op een dag nieuwe weefsels en organen uit afzonderlijke cellen kunnen laten groeien. Als je denkt dat dat klinkt als iets uit een sciencefictionfilm, ben je niet de enige. Toch zou dit onderzoek een wetenschappelijke doorbraak kunnen opleveren die de manier verandert waarop medische professionals een breed scala aan menselijke ziekten in de echte wereld behandelen.

De uiteindelijke doelen van dit onderzoek zijn misschien breed, maar het onderzoeksonderwerp is zo oneindig klein dat je het niet eens met het blote oog kunt zien. Het onderwerp is stamcellen. Dankzij hun unieke eigenschappen hebben deze verbazingwekkende cellen het potentieel om de toekomst van wetenschap en geneeskunde te veranderen.
Lees meer over de voor- en nadelen van stamcelonderzoek.

Je weet dat voor seksuele voortplanting een zaadcel en een eicel nodig zijn om samen te komen en een zygoot via bevruchting. Deze enkele eukaryote cel bevat een volledige aanvulling van genetische informatie en heeft het potentieel om te delen in een complex meercellig organisme zoals jijzelf.

Maar heb je je ooit afgevraagd hoe die ene cel zich kon verdelen in de biljoenen en triljoenen cellen in een menselijk lichaam? En hoe kan uit één cel zoveel verschillende soorten cellen ontstaan, zowel huidcellen als hersencellen bijvoorbeeld?

Als de zygote zich begint te delen (voordat deze zich in de baarmoeder nestelt), zijn de resulterende cellen in feite stamcellen. Wetenschappers zeggen dat deze flexibele cellen beide zijn: proliferatief en pluripotent. Dit betekent dat de cellen zich gemakkelijk delen om veel, veel meer cellen te produceren - en ze kunnen zich via stamcel ontwikkelen tot elk type gespecialiseerde cel differentiatie.
Lees meer over de uitleg van celspecialisatie.

Op het eerste gezicht lijken de onderdelen van een stamcel aan de oppervlakte niet zo bijzonder. Zoals alle cellen in het menselijk lichaam, delen stamcellen allemaal een paar gemeenschappelijke structuren. Waaronder:

• EEN celmembraan, wat een lipide dubbellaag is die de cel omringt en die sommige materialen de cel binnenlaat en andere buiten houdt.
  
• Cytoplasma, dat is de vloeibare bouillon in de cel.
  
• EEN kern, die alle genetische informatie van de cel bevat die is opgeslagen als DNA.

Tussen de bevruchting in de eileiders en de implantatie in de baarmoeder verandert het embryo van een eenvoudig vel stamcellen in een georganiseerde groep cellen - een zogenaamde gastrula – met drie kiemlagen. Deze zullen uiteindelijk aanleiding geven tot alle vele celtypes, weefsels en organen waaruit een hele (zij het nog zeer kleine) menselijke foetus bestaat.

De buitenste laag, de ectoderm, geeft aanleiding tot huidcellen en weefsels van het zenuwstelsel. De middelste laag, of mesoderm, levert bloedcellen, bindweefsel, spiercellen en het placentaweefsel op dat de foetus in leven houdt in de baarmoeder. De binnenlaag, genaamd de endoderm, creëert de voeringen van de darm, de longen en het urogenitale kanaal.

Dankzij pluripotentie kunnen stamcellen differentiëren en na implantatie elk van deze celtypes worden. Deze stamcellen die worden geassocieerd met de normale ontwikkeling van embryo's, zijn een van de drie soorten stamcellen die door wetenschappers worden gebruikt. Onderzoekers noemen ze menselijke embryonale stamcellen, of hESC's.

De embryonale stamcellen die door wetenschappers worden gebruikt, zijn nooit afkomstig van traditionele bevruchting in de eileiders van een echte mens. In plaats daarvan maken wetenschappers ze in reageerbuizen met behulp van in vitro bevruchting (IVF). Deze embryonale stamcellen komen over het algemeen terecht in onderzoekslaboratoria nadat mensen die IVF gebruiken om gezinnen te creëren het proces hebben voltooid en de extra ingevroren embryo's aan de wetenschap hebben geschonken (in plaats van ze te vernietigen).

Voor onderzoekers zijn er bepaalde voordelen aan het gebruik van embryonale stamcellen in vergelijking met andere soorten stamcellen. Embryonale stamcellen zijn vrij gemakkelijk te verkrijgen en zijn eenvoudig te kweken in kweek. Het belangrijkste is dat embryonale stamcellen werkelijk onbeschreven leien zijn die bij stamceldifferentiatie in wezen elk type cel kunnen opleveren.

Net zoals cellen doen na implantatie in een levende baarmoeder, klonteren embryonale stamcellen in het laboratorium van nature samen in embryoïde lichamen en beginnen te differentiëren tot gespecialiseerde cellen. Wetenschappers die embryonale stamcellen in kweek kweken, moeten specifieke omstandigheden in het groeimedium handhaven om te voorkomen dat dit gebeurt.

Door de stamcellen te laten prolifereren zonder te differentiëren, creëren wetenschappers embryonale stamcellijnen. Wetenschappers kunnen deze cellijnen vervolgens invriezen en naar andere laboratoria sturen voor onderzoeksprojecten of verder kweken. Om als cellijn te kwalificeren, moeten de embryonale stamcellen:

• Groei ongedifferentieerd in celcultuur gedurende ten minste zes maanden.
• Wees pluripotent, of in staat om te differentiëren in elk celtype.
• Heb geen genetische afwijkingen.

Wanneer onderzoekers klaar zijn om de cellen in een embryonale stamcellijn specifieke celtypes te laten worden, zoals voor een specifieke onderzoeksproject, ze veranderen gewoon het kweekmedium of injecteren specifieke genen in de stamcel om stamcel te activeren differentiatie.

Het blijkt dat veel volwassen weefsels in het volledig ontwikkelde menselijk lichaam zich op een regenachtige dag vastklampen aan enkele ongedifferentieerde cellen. Deze volwassen stamcellen - soms genoemd somatisch stamcellen – activeren wanneer het lichaam nieuwe cellen nodig heeft. Dit gebeurt om rekening te houden met normale celvernieuwing en -groei en ook om weefsel te herstellen na een verwonding of ziekte.

Wetenschappers hebben volwassen stamcellen gevonden in een grote verscheidenheid aan organen en weefsels, zoals:

• Aderen.
• Beenmerg.
• Hersenen.
• Darm.
• Hart.
• Lever.
• Eierstokken.
• Perifeer bloed.
• Skeletachtige spier.
• Tanden.
• Testes.

Volwassen stamcellen worden over het algemeen gevonden in specifieke gebieden, genaamd stamcel niches. In tegenstelling tot embryonale stamcellen, die tot elk celtype kunnen differentiëren, is differentiatie van volwassen stamcellen beperkt en weefselspecifiek. Dit betekent dat volwassen stamcellen typisch differentiëren in alleen de celtypen die geassocieerd zijn met het weefsel waarin ze zich bevinden.

Volwassen stamcellen in de hersenen worden bijvoorbeeld alleen zenuwcellen of niet-neuronale hersencellen. Hier zijn enkele andere bekende volwassen stamcellen en hun gespecialiseerde celtypen:

• Hematopoëtische stamcellen worden aangetroffen in het beenmerg en geven aanleiding tot bloedcellen, waaronder rode bloedcellen en cellen van het immuunsysteem.
• Mesenchymale stamcellen worden aangetroffen in het beenmerg (en sommige andere weefsels) en geven aanleiding tot botcellen, kraakbeencellen, vetcellen en stromale cellen.
• Epitheliale stamcellen worden diep in het darmslijmvlies aangetroffen en geven aanleiding tot absorberend cellen, beker cellen, entero-endocriene cellen en Paneth cellen.
• Huid stamcellen worden gevonden in de basale laag van de huid en geven aanleiding tot keratinocyten die een beschermende laag op het huidoppervlak vormen.

Wetenschappers hebben in experimenten waargenomen dat sommige volwassen stamcellen zich differentieerden tot gespecialiseerde cellen anders dan het verwachte celtype, dat vergelijkbaar is met de waardevolle pluripotentie van embryonale stamcellen. Echter, dit transdifferentiatie is zeldzaam en treft slechts een klein deel van de stamcellen als het zich voordoet. Onderzoekers zijn er niet zeker van of het überhaupt bij mensen voorkomt.

Volwassen stamcellen hebben enkele nadelen voor wetenschappers. Ze zijn zeldzaam en moeilijk te kweken in het laboratorium. Ze hebben ook grenzen aan hoeveel ze kunnen delen en wat voor soort cellen ze kunnen worden. Volwassen stamcellen hebben echter één duidelijk voordeel: ze zullen waarschijnlijk minder snel triggeren immuunafstoting omdat ze uit het eigen lichaam van een patiënt kunnen worden geoogst.

In 2006 ontdekten onderzoekers nog een type stamcel: geïnduceerde pluripotente stamcellen, of iPSC's. Dit zijn volwassen stamcellen die wetenschappers herprogrammeren om zich meer als embryonale stamcellen te gedragen. Het is echter nog niet duidelijk of er significante klinische verschillen zijn tussen geïnduceerde pluripotente stamcellen en embryonale stamcellen. Wetenschappers gebruiken iPSC's al voor belangrijk werk, zoals de ontwikkeling van geneesmiddelen en het modelleren van menselijke ziekten voor onderzoeksdoeleinden.

Er zijn technische hindernissen te overwinnen voordat onderzoekers deze geïnduceerde pluripotente stamcellen kunnen gebruiken voor meer directe toepassingen. Naast het bevestigen dat deze stamcellen niet fundamenteel verschillen van embryonale stamcellen cellen, moeten onderzoekers eerst nieuwe technieken bedenken om geïnduceerde pluripotente stamcellen te maken plaats. De huidige methode gebruikt virussen als vehikel voor herprogrammering, wat in dierstudies ernstige bijwerkingen heeft aangetoond, zoals kanker.

Naast het screenen van nieuwe medicijnen voor de farmaceutische industrie en het dienen als modellen voor ziekte voor onderzoeksprojecten, geloven wetenschappers dat stamcellen nieuwe (en opwindende) celgebaseerde behandelingen mogelijk. Dit betekent dat laboratoria op een dag nieuwe organen en weefsels kunnen laten groeien voor mensen die transplantaties nodig hebben in plaats van te vertrouwen op orgaan- en weefseldonoren.

Dit zou kunnen lijken op wetenschappers die stamcellen gebruiken om hartspiercellen te maken die ze kunnen transplanteren naar mensen met chronische hartaandoeningen. Huidige dierstudies suggereren dat stromale stamcellen uit het beenmerg veelbelovend zijn voor deze toepassing, hoewel het precieze mechanisme nog steeds onduidelijk is. Wetenschappers weten niet zeker of de stamcellen aanleiding geven tot nieuwe hartspiercellen of bloedvatcellen, of dat ze iets anders doen.

Een ander theoretisch voorbeeld is diabetes type 1. Wetenschappers hopen menselijke embryonale stamcellen te differentiëren tot de cellen die insuline produceren. Het immuunsysteem van mensen met diabetes verstoort deze cellen en verhindert hen hun werk te doen. Wetenschappers vragen zich af of ze op een dag stamcellen kunnen differentiëren tot insulineproducerende cellen en deze in patiënten kunnen transplanteren.

Naast hartaandoeningen en diabetes, zijn andere menselijke ziekten en aandoeningen waarvan wetenschappers denken dat deze medische vooruitgang van invloed kan zijn, breed en omvatten:

• Brandwonden.
• Maculaire degeneratie, die verlies van het gezichtsvermogen kan veroorzaken.
• Artrose en reumatoïde artritis.
• Ruggenmergletsel, dat gevoelloosheid, functieverlies of verlamming kan veroorzaken.
• Beroerte.

Om deze nieuwe therapieën naar echte patiënten te brengen, moeten wetenschappers natuurlijk elke stap van dit theoretische proces beheersen. Dit betekent dat ze:

• Kweek voldoende stamcellen om het weefsel of orgaan fysiek op te bouwen.
• Stimuleer de stamcellen om te differentiëren naar het juiste celtype.
• Zorg ervoor dat de gedifferentieerde stamcellen kunnen overleven in het lichaam van de patiënt.
• Zorg ervoor dat de gedifferentieerde stamcellen goed integreren in de ontvangende weefsels in het lichaam van de patiënt.
• Verwacht redelijkerwijs dat het nieuwe weefsel of orgaan gedurende het hele leven van de patiënt het werk zal doen waarvoor het is gebouwd.
• Zorg ervoor dat de nieuwe cellen geen bijkomende schade toebrengen aan de patiënt, zoals kanker.

Volgens de definitie van stamcellen lijken deze stappen haalbaar met behulp van embryonale stamcellen, maar ze zullen vele jaren van serieus onderzoek op meerdere fronten vergen. Daarom is stamcelonderzoek zo'n actief veld in de professionele wetenschappen – en ook waarom het bij veel bètadocenten en -studenten hoog in het vaandel staat.

Hoewel het uiteindelijke resultaat van stamcelonderzoek misschien nog op komst is, vergroot het algemene begrip van stamcelstructuur en hoe stamceldifferentiatie werkt, is een geweldige manier om deel uit te maken van deze opkomende wetenschap.