Jaka jest struktura komórek macierzystych?

Kiedy to czytasz, naukowcy na całym świecie są w swoich laboratoriach, zastanawiając się, jak pewnego dnia wyhodować nowe tkanki i narządy z pojedynczych komórek. Jeśli uważasz, że brzmi to jak coś z filmu science fiction, nie jesteś sam. Jednak te badania mogą przynieść przełom naukowy, który zmieni sposób, w jaki profesjonaliści medyczni leczą szeroki zakres ludzkich chorób w prawdziwym świecie.

Ostateczne cele tych badań mogą być szerokie, ale temat badań jest tak nieskończenie mały, że nie można go nawet zobaczyć gołym okiem. Tematem jest komórki macierzyste. Dzięki swoim unikalnym właściwościom te niesamowite komórki mają potencjał, aby zmienić przyszłość nauki i medycyny.
Przeczytaj więcej o zaletach i wadach badań nad komórkami macierzystymi.

Wiesz, że rozmnażanie płciowe wymaga, aby plemnik i komórka jajowa połączyły się i utworzyły zygota poprzez nawożenie. Ta pojedyncza komórka eukariotyczna zawiera pełen zestaw informacji genetycznej i może podzielić się na złożony organizm wielokomórkowy, taki jak Ty.

Ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak ta pojedyncza komórka może podzielić się na biliony i biliony komórek w ludzkim ciele? I jak tylko jedna komórka może dać początek tak wielu różnym typom komórek – na przykład zarówno komórek skóry, jak i komórek mózgowych?

Gdy zygota zaczyna się dzielić (zanim zagnieździ się w macicy), powstałe komórki są w rzeczywistości komórkami macierzystymi. Naukowcy twierdzą, że te elastyczne komórki są jednocześnie proliferacyjny i pluripotentny. Oznacza to, że komórki łatwo dzielą się, aby wyprodukować o wiele, wiele więcej komórek – a dzięki komórce macierzystej mogą rozwinąć się w dowolny rodzaj wyspecjalizowanej komórki różnicowanie.
Przeczytaj więcej o wyjaśnieniu specjalizacji komórek.

Na pierwszy rzut oka części komórki macierzystej nie wydają się być szczególnie wyjątkowe na powierzchni. Podobnie jak wszystkie komórki w ludzkim ciele, komórki macierzyste mają kilka wspólnych struktur. Obejmują one:

• ZA Błona komórkowa, który jest dwuwarstwą lipidową otaczającą komórkę, która pozwala niektórym materiałom dostać się do komórki, a innym trzymać na zewnątrz.
  
• Cytoplazma, czyli płynny bulion wewnątrz komórki.
  
• ZA jądro, który zawiera wszystkie informacje genetyczne komórki przechowywane jako DNA.

Pomiędzy zapłodnieniem w jajowodach a zagnieżdżeniem się w macicy zarodek zmieni się z prostego arkusza komórek macierzystych w zorganizowaną grupę komórek – zwaną gastrula – z trzema warstwy zarodków. Doprowadzą one w końcu do powstania wszystkich wielu typów komórek, tkanek i narządów, które składają się na cały (choć wciąż bardzo mały) płód ludzki.

Najbardziej zewnętrzna warstwa, zwana ektoderma, daje początek komórkom skóry i tkankom układu nerwowego. Warstwa środkowa, czyli mezoderma, daje komórki krwi, tkankę łączną, komórki mięśniowe i tkankę łożyskową, która utrzymuje płód przy życiu w macicy. Warstwa wewnętrzna, zwana endoderma, tworzy wyściółki jelit, płuc i układu moczowo-płciowego.

Dzięki pluripotencji komórki macierzyste mogą różnicować się i stać się dowolnym z tych typów komórek po implantacji. Te komórki macierzyste związane z prawidłowym rozwojem zarodków są jednym z trzech typów komórek macierzystych wykorzystywanych przez naukowców. Naukowcy nazywają je ludzkie embrionalne komórki macierzystelub hESC.

Zarodkowe komórki macierzyste wykorzystywane przez naukowców nigdy nie pochodzą z tradycyjnego zapłodnienia wewnątrz jajowodów prawdziwego człowieka. Zamiast tego naukowcy tworzą je w probówkach za pomocą in vitro zapłodnienie (IVF). Te embrionalne komórki macierzyste zwykle trafiają do laboratoriów badawczych po tym, jak ludzie stosujący IVF do tworzenia rodzin kończą proces i oddają dodatkowe zamrożone embriony nauce (zamiast je niszczyć).

Dla naukowców istnieją pewne korzyści z używania embrionalnych komórek macierzystych w porównaniu z innymi typami komórek macierzystych. Embrionalne komórki macierzyste są dość łatwe do zdobycia i łatwo rosną w hodowli. Co najważniejsze, embrionalne komórki macierzyste są naprawdę czystymi kartami, które mogą dać początek zasadniczo każdemu rodzajowi komórek po różnicowaniu komórek macierzystych.

Podobnie jak komórki po wszczepieniu do żywej macicy, embrionalne komórki macierzyste w laboratorium naturalnie łączą się w ciała embrionalne i zaczynają różnicować się w wyspecjalizowane komórki. Naukowcy, którzy hodują embrionalne komórki macierzyste w kulturze, muszą utrzymywać określone warunki w podłożu hodowlanym, aby temu zapobiec.

Pozwalając komórkom macierzystym na proliferację bez różnicowania, naukowcy tworzą linie embrionalnych komórek macierzystych. Naukowcy mogą następnie zamrozić te linie komórkowe i wysłać je do innych laboratoriów w celu przeprowadzenia projektów badawczych lub dalszej hodowli. Aby zakwalifikować się jako linia komórkowa, embrionalne komórki macierzyste muszą:

• Rośnij niezróżnicowany w hodowli komórkowej przez co najmniej sześć miesięcy.
• Być pluripotencjalnym lub zdolnym do różnicowania się w dowolny typ komórki.
• Nie ma nieprawidłowości genetycznych.

Kiedy badacze są gotowi, aby komórki w linii embrionalnych komórek macierzystych stały się specyficznymi typami komórek, na przykład specyficznymi projektu badawczego, po prostu zmieniają podłoże hodowlane lub wstrzykują określone geny do komórki macierzystej, aby wywołać komórkę macierzystą różnicowanie.

Okazuje się, że wiele dojrzałych tkanek w pełni rozwiniętym ludzkim ciele trzyma się na czarną godzinę niezróżnicowanych komórek. Te dorosłe komórki macierzyste - Czasem nazywany somatyczny komórki macierzyste – aktywują się, gdy organizm potrzebuje nowych komórek. Dzieje się tak, aby uwzględnić normalny obrót i wzrost komórek, a także naprawić tkankę po urazie lub chorobie.

Naukowcy odkryli dorosłe komórki macierzyste w wielu różnych narządach i tkankach, takich jak:

• Naczynia krwionośne.
• Szpik kostny.
• Mózg.
• Jelito.
• Serce.
• Wątroba.
• Jajników.
• Krew obwodowa.
• Mięśnie szkieletowe.
• Zęby.
• Testy.

Dorosłe komórki macierzyste znajdują się na ogół w określonych obszarach, zwanych nisze komórek macierzystych. W przeciwieństwie do embrionalnych komórek macierzystych, które mogą różnicować się w dowolny typ komórek, różnicowanie dorosłych komórek macierzystych jest ograniczone i specyficzne dla tkanek. Oznacza to, że dorosłe komórki macierzyste zazwyczaj różnicują się tylko do typów komórek związanych z tkanką, w której się znajdują.

Na przykład dorosłe komórki macierzyste w mózgu staną się jedynie komórkami nerwowymi lub nieneuronowymi komórkami mózgu. Oto kilka innych dobrze znanych dorosłych komórek macierzystych i ich wyspecjalizowanych typów komórek:

• Hematopoetyczne komórki macierzyste znajdują się w szpiku kostnym i powodują powstawanie komórek krwi, w tym czerwonych krwinek i komórek układu odpornościowego.
• Mezenchymalne komórki macierzyste znajdują się w szpiku kostnym (i niektórych innych tkankach) i dają początek komórkom kostnym, komórkom chrząstki, komórkom tłuszczowym i komórkom zrębu.
• Nabłonkowe komórki macierzyste znajdują się głęboko w wyściółce jelita i powodują chłonny komórki, czara komórki, enteroendokrynne komórki i Paneth komórki.
• Komórki macierzyste skóry znajdują się w podstawowej warstwie skóry i powodują keratynocyty które tworzą warstwę ochronną na powierzchni skóry.

Naukowcy zaobserwowali w eksperymentach, że niektóre dorosłe komórki macierzyste różnicowały się w wyspecjalizowane komórki inny niż oczekiwany typ komórki, podobny do cennej pluripotencji embrionalnych komórek macierzystych. Jednak to transdyferencjacja jest rzadki i dotyczy tylko małego segmentu komórek macierzystych, gdy występuje. Naukowcy nie są pewni, czy w ogóle zdarza się to u ludzi.

Dorosłe komórki macierzyste mają dla naukowców pewne wady. Są rzadkie i trudne do uprawy w laboratorium. Mają również ograniczenia co do tego, jak bardzo mogą się dzielić i jakimi rodzajami komórek mogą się stać. Jednak dorosłe komórki macierzyste mają jedną wyraźną zaletę: prawdopodobnie są mniej podatne na aktywację odrzucenie immunologiczne ponieważ można je było pobrać z własnego ciała pacjenta.

W 2006 roku naukowcy odkryli jeszcze jeden typ komórek macierzystych: indukowane pluripotencjalne komórki macierzystelub iPSC. Są to dorosłe komórki macierzyste, które naukowcy przeprogramowali, aby działały bardziej jak embrionalne komórki macierzyste. Jednak nie jest jeszcze jasne, czy istnieją znaczące różnice kliniczne między indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi a embrionalnymi komórkami macierzystymi. Naukowcy już wykorzystują iPSC do ważnych prac, takich jak opracowywanie leków i modelowanie chorób człowieka do celów badawczych.

Zanim badacze będą mogli wykorzystać te indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste do bardziej bezpośrednich zastosowań, muszą pokonać przeszkody techniczne. Oprócz potwierdzenia, że ​​te komórki macierzyste nie różnią się zasadniczo od macierzystych embrionów komórek, naukowcy muszą opracować nowe techniki wytwarzania indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych w pierwszej kolejności miejsce. Obecna metoda wykorzystuje wirusy jako nośnik do przeprogramowania, które w badaniach na zwierzętach wykazało poważne skutki uboczne, takie jak rak.

Oprócz badań przesiewowych nowych leków dla przemysłu farmaceutycznego i służenia jako modele chorób w projektach badawczych, naukowcy są przekonani, że komórki macierzyste mogą tworzyć nowe (i ekscytujące) zabiegi oparte na komórkach możliwy. Oznacza to, że pewnego dnia laboratoria mogą wyhodować nowe narządy i tkanki dla osób potrzebujących przeszczepów, zamiast polegać na dawcach narządów i tkanek.

Mogłoby to wyglądać jak naukowcy wykorzystujący komórki macierzyste do wytwarzania komórek mięśnia sercowego, które mogą przeszczepić osobom z przewlekłą chorobą serca. Obecne badania na zwierzętach sugerują, że zrębowe komórki macierzyste ze szpiku kostnego są obiecujące dla tego zastosowania, chociaż dokładny mechanizm jest wciąż niejasny. Naukowcy nie są pewni, czy komórki macierzyste dają początek nowym komórkom mięśnia sercowego lub komórkom naczyń krwionośnych, czy też robią coś zupełnie innego.

Innym przykładem teoretycznym jest cukrzyca typu 1. Naukowcy mają nadzieję na zróżnicowanie ludzkich embrionalnych komórek macierzystych w komórki produkujące insulinę. Układ odpornościowy osób chorych na cukrzycę niszczy te komórki i uniemożliwia im wykonywanie pracy. Naukowcy zastanawiają się, czy pewnego dnia będą mogli różnicować komórki macierzyste w komórki produkujące insulinę i przeszczepiać je pacjentom.

Poza chorobami serca i cukrzycą, inne ludzkie choroby i stany chorobowe, które naukowcy uważają, że ten postęp medycyny może mieć wpływ, są szerokie i obejmują:

• Oparzenia.
• Zwyrodnienie plamki żółtej, które może powodować utratę wzroku.
• Choroba zwyrodnieniowa stawów i reumatoidalne zapalenie stawów.
• Uraz rdzenia kręgowego, który może powodować drętwienie, utratę funkcji lub paraliż.
• Udar mózgu.

Oczywiście wprowadzenie tych nowatorskich terapii do rzeczywistych pacjentów będzie wymagało od naukowców opanowania każdego etapu tego teoretycznego procesu. Oznacza to, że muszą:

• Wyhoduj wystarczającą ilość komórek macierzystych, aby fizycznie zbudować tkankę lub narząd.
• Stymuluj komórki macierzyste do różnicowania się do właściwego typu komórek.
• Upewnij się, że zróżnicowane komórki macierzyste mogą przetrwać w ciele pacjenta.
• Upewnij się, że zróżnicowane komórki macierzyste prawidłowo integrują się z tkankami biorcy wewnątrz ciała pacjenta.
• Rozsądnie oczekiwać, że nowa tkanka lub narząd będą wykonywać pracę, do której zostały zbudowane przez całe życie pacjenta.
• Upewnij się, że nowe komórki nie powodują u pacjenta żadnych dodatkowych szkód, takich jak rak.

Zgodnie z definicją komórek macierzystych etapy te wydają się możliwe do osiągnięcia przy użyciu embrionalnych komórek macierzystych, ale będą wymagały wielu lat poważnych badań na wielu frontach. Właśnie dlatego badania nad komórkami macierzystymi są tak aktywną dziedziną w naukach zawodowych – a także dlatego są priorytetem dla wielu nauczycieli przedmiotów ścisłych i studentów.

Chociaż ostateczny wynik badań nad komórkami macierzystymi może być wciąż niepewny, co zwiększa ogólne zrozumienie. struktury komórek macierzystych i sposobu, w jaki działa różnicowanie komórek macierzystych, to świetny sposób, aby stać się częścią tego nowego nauka.