Hva er strukturen til stamceller?

Når du leser dette, er forskere over hele kloden ved laboratoriebenkene sine og finner ut hvordan man en dag kan vokse nytt vev og organer fra enkeltceller. Hvis du synes det høres ut som noe ut av en science fiction-film, er du ikke alene. Likevel kan denne forskningen gi et vitenskapelig gjennombrudd som endrer måten medisinske fagpersoner behandler et bredt spekter av menneskelige sykdommer i den virkelige verden.

De endelige målene med denne forskningen kan være brede, men forskningsemnet er så uendelig lite at du ikke en gang kan se det med det blotte øye. Emnet er stamceller. Takket være deres unike egenskaper har disse fantastiske cellene potensial til å endre fremtiden for vitenskap og medisin.
Les mer om fordeler og ulemper ved stamcelleforskning.

Du vet at seksuell reproduksjon krever at sædceller og eggceller kommer sammen og danner en zygote via befruktning. Denne ene eukaryote cellen inneholder et fullstendig komplement av genetisk informasjon og har potensial til å dele seg i en kompleks flercellet organisme som deg selv.

Men har du noen gang lurt på hvordan den ene cellen kunne dele seg i billioner og billioner celler i en menneskekropp? Og hvordan kan bare en celle gi opphav til så mange forskjellige typer celler - for eksempel hudceller og hjerneceller?

Når zygoten begynner å dele seg (før den implanteres i livmoren), er de resulterende cellene faktisk stamceller. Forskere sier at disse fleksible cellene er begge proliferativ og pluripotent. Dette betyr at cellene lett deler seg for å produsere mange, mange flere celler - og de kan utvikle seg til alle typer spesialiserte celler gjennom stamceller differensiering.
Les mer om forklaringen på cellespesialisering.

Ved første øyekast virker ikke delene av en stamcelle så spesiell på overflaten. Som alle celler i menneskekroppen, deler stamceller noen få vanlige strukturer. Disse inkluderer:

• EN cellemembran, som er et lipiddobbelag som omgir cellen som lar noen materialer komme inn i cellen og holder andre utenfor.
  
• Cytoplasma, som er den flytende buljongen inne i cellen.
  
• EN cellekjernen, som inneholder all cellens genetiske informasjon lagret som DNA.

Mellom befruktning i egglederne og implantasjon i livmoren vil embryoet endre seg fra et enkelt ark med stamceller til en organisert gruppe celler - kalt en gastrula - med tre kimlag. Disse vil etter hvert gi opphav til alle de mange celletyper, vev og organer som utgjør et helt (om enn fremdeles veldig lite) menneskelig foster.

Det ytterste laget, kalt ektoderm, gir opphav til hudceller og nervesystemvev. Mellomlaget, eller mesoderm, gir blodceller, bindevev, muskelceller og morkakevevet som holder fosteret i live i utero. Det indre laget, kalt endoderm, skaper foringer i tarmen, lungene og urogenitale tarmkanalen.

Takket være pluripotens kan stamceller skille seg ut og bli noen av disse celletyper etter implantasjon. Disse stamcellene assosiert med normal utvikling av embryoer er en av tre typer stamceller som brukes av forskere. Forskere kaller dem menneskelige embryonale stamceller, eller hESCs.

De embryonale stamcellene som brukes av forskere, stammer aldri fra tradisjonell befruktning inne i egglederne til et faktisk menneske. I stedet lager forskere dem i prøverør ved hjelp av in vitro befruktning (IVF). Disse embryonale stamcellene ender vanligvis i forskningslaboratorier etter at folk som bruker IVF for å skape familier, fullfører prosessen og donerer ekstra frosne embryoer til vitenskapen (i stedet for å ødelegge dem).

For forskere er det visse fordeler ved å bruke embryonale stamceller sammenlignet med andre typer stamceller. Embryonale stamceller er ganske enkle å få tak i og er enkle å dyrke i kultur. Viktigst er at embryonale stamceller virkelig er tomme skifer som kan gi opphav til praktisk talt alle typer celler ved stamcelledifferensiering.

Akkurat som celler gjør etter implantasjon i en levende livmor, klumper embryonale stamceller i laboratoriet seg naturlig sammen embryoide kropper og begynner å skille seg ut i spesialiserte celler. Forskere som dyrker embryonale stamceller i kultur må opprettholde spesifikke forhold i vekstmediet for å forhindre at dette skjer.

Ved å la stamcellene spre seg uten å differensiere, skaper forskere embryonale stamcellelinjer. Forskere kan deretter fryse disse cellelinjene og sende dem ut til andre laboratorier for forskningsprosjekter eller videre dyrking. For å kvalifisere som en cellelinje, må de embryonale stamcellene:

• Voks udifferensiert i cellekultur i minst seks måneder.
• Vær pluripotent, eller i stand til å skille deg ut i hvilken som helst celletype.
• Har ingen genetiske abnormiteter.

Når forskere er klare for at cellene i en embryonal stamcellelinje skal bli spesifikke typer celler, for eksempel for en spesifikk forskningsprosjekt, endrer de bare kulturmediet eller injiserer spesifikke gener i stamcellen for å utløse stamceller differensiering.

Det viser seg at mange modne vev i den fullt utviklede menneskekroppen henger på noen udifferensierte celler for en regnfull dag. Disse voksne stamceller - noen ganger kalt somatisk stamceller - aktiveres når kroppen trenger nye celler. Dette skjer for å gjøre rede for normal celleomsetning og vekst, og også for å reparere vev etter en skade eller sykdom.

Forskere har funnet voksne stamceller i et bredt utvalg av organer og vev, for eksempel:

• Blodårer.
• Beinmarg.
• Hjerne.
• Mage.
• Hjerte.
• Lever.
• Eggstokker.
• Perifert blod.
• Skjelettmuskulatur.
• Tenner.
• Testikler.

Voksne stamceller finnes vanligvis i bestemte områder, kalt stamcelle nisjer. I motsetning til embryonale stamceller, som i det hele tatt kan skille seg ut i hvilken som helst celletype, er voksen stamcelledifferensiering begrenset og vevsspesifikk. Dette betyr at voksne stamceller vanligvis skiller seg ut i bare celletyper assosiert med vevet de ligger i.

For eksempel vil voksne stamceller i hjernen bare bli nerveceller eller ikke-neuronale hjerneceller. Her er noen andre kjente voksne stamceller og deres spesialiserte celletyper:

• Hematopoietiske stamceller finnes i beinmarg og gir opphav til blodceller, inkludert røde blodlegemer og immunsystemceller.
• Mesenkymale stamceller finnes i beinmarg (og noen andre vev) og gir opphav til beinceller, bruskceller, fettceller og stromaceller.
• Epitelstamceller finnes dypt i tarmens foring og gir opphav til absorberende celler, beger celler, enteroendokrine celler og Paneth celler.
• Stamceller i huden finnes i det basale laget av huden og gir opphav til keratinocytter som lager et beskyttende lag på overflaten av huden.

Forskere har i eksperimenter observert at noen voksne stamceller differensierte i spesialiserte celler annet enn den forventede celletypen, som ligner på den verdifulle pluripotensen til embryonale stamceller. Imidlertid dette transdifferensiering er sjelden og påvirker bare et lite segment av stamceller når det forekommer. Forskere er usikre på om det i det hele tatt skjer hos mennesker.

Voksne stamceller har noen ulemper for forskere. De er sjeldne og vanskelig å dyrke i laboratoriet. De har også grenser for hvor mye de kan dele og hvilke typer celler de kan bli. Imidlertid har voksne stamceller en tydelig fordel: De er sannsynligvis mindre sannsynlig å utløse immunavvisning siden de kunne høstes fra pasientens egen kropp.

I 2006 oppdaget forskere en type stamcelle til: induserte pluripotente stamcellereller iPSCer. Dette er voksne stamceller som forskere omprogrammerer for å fungere mer som embryonale stamceller. Det er imidlertid ennå ikke klart om det er meningsfulle kliniske forskjeller mellom induserte pluripotente stamceller og embryonale stamceller. Forskere bruker allerede iPSCer for viktig arbeid, for eksempel medisinutvikling og modellering av menneskelige sykdommer for forskningsformål.

Det er tekniske hindringer å overvinne før forskere kan bruke disse induserte pluripotente stamcellene for mer direkte applikasjoner. I tillegg til å bekrefte at disse stamcellene ikke er vesentlig forskjellige fra embryonale stammer celler, må forskere utvikle nye teknikker for å lage induserte pluripotente stamceller i den første plass. Den nåværende metoden bruker virus som et middel for omprogrammering, som har vist alvorlige bivirkninger, for eksempel kreft, i dyreforsøk.

I tillegg til å screening nye legemidler for legemiddelindustrien og fungere som modeller for sykdom for forskningsprosjekter, mener forskere at stamceller kan gjøre nye (og spennende) cellebaserte behandlinger mulig. Dette betyr at laboratorier en dag kan vokse nye organer og vev for mennesker som trenger transplantasjon i stedet for å stole på organ- og vevsgivere.

Dette kan se ut som forskere som bruker stamceller for å lage hjertemuskelceller de kan transplantere til personer med kronisk hjertesykdom. Nåværende dyreforsøk antyder at stromale stamceller fra beinmargen viser løfte om denne applikasjonen, selv om den presise mekanismen fortsatt er uklar. Forskere er ikke sikre på om stamcellene gir nye hjertemuskelceller eller blodkarceller - eller om de gjør noe annet helt.

Et annet teoretisk eksempel er type 1-diabetes. Forskere håper å differensiere menneskelige embryonale stamceller i cellene som produserer insulin. Immunsystemet til mennesker med diabetes forstyrrer disse cellene og forhindrer dem i å gjøre jobben sin. Forskere lurer på om de en dag kunne differensiere stamceller til insulinproduserende celler og transplantere dem til pasienter.

I tillegg til hjertesykdom og diabetes, er andre menneskelige sykdommer og tilstander som forskere mener at dette medisinske fremskrittet kan påvirke, omfattende og inkluderer:

• Burns.
• Makuladegenerasjon, som kan forårsake synstap.
• Slitasjegikt og revmatoid artritt.
• Ryggmargsskade, som kan føre til nummenhet, tap av funksjon eller lammelse.
• Hjerneslag.

Å bringe disse nye terapiene til faktiske pasienter vil selvfølgelig kreve at forskere mestrer hvert trinn i denne teoretiske prosessen. Dette betyr at de må:

• Dyr nok stamceller til å fysisk bygge vevet eller organet.
• Stimuler stamcellene til å skille seg ut i riktig celletype.
• Sørg for at de differensierte stamcellene kan overleve inne i pasientens kropp.
• Forsikre deg om at de differensierte stamcellene integreres ordentlig i mottakervevet i pasientens kropp.
• Forvent rimelig at det nye vevet eller organet skal gjøre jobben det er bygget for gjennom hele pasientens liv.
• Forsikre deg om at de nye cellene ikke forårsaker sikkerhetsskader på pasienten, for eksempel kreft.

Ved definisjon av stamceller virker disse trinnene oppnåelige ved bruk av embryonale stamceller, men vil kreve mange års seriøs forskning på flere fronter. Dette er grunnen til at stamcelleforskning er et så aktivt felt innen profesjonsfag - og også hvorfor det er høyt i tankene for mange naturfagslærere og studenter.

Mens det ultimate resultatet av stamcelleforskning fremdeles kan være nede i veien, øker den generelle forståelsen av stamcellestruktur og hvordan stamcelledifferensiering fungerer er en fin måte å være en del av dette fremvoksende vitenskap.