Care este structura celulelor stem?

Pe măsură ce citiți acest lucru, cercetătorii din întreaga lume se află pe băncile lor de laborator, descoperind cum să crească într-o zi noi țesuturi și organe din celule unice. Dacă credeți că sună ca ceva dintr-un film science fiction, nu sunteți singur. Cu toate acestea, această cercetare ar putea produce o descoperire științifică care schimbă modul în care profesioniștii din domeniul medical tratează o gamă largă de boli umane în lumea reală.

Obiectivele finale ale acestei cercetări ar putea fi largi, dar subiectul cercetării este atât de infinit de mic încât nici măcar nu îl puteți vedea cu ochiul liber. Subiectul este celule stem. Datorită caracteristicilor lor unice, aceste celule uimitoare au potențialul de a schimba viitorul științei și medicinei.
Citiți mai multe despre avantajele și dezavantajele cercetării celulelor stem.

Știți că reproducerea sexuală necesită o celulă de spermă și o celulă de ou pentru a se uni și a forma o zigot prin fertilizare. Această singură celulă eucariotă conține o completă completă de informații genetice și are potențialul de a se împărți într-un organism multicelular complex precum tine.

Dar v-ați întrebat vreodată cum această singură celulă s-ar putea împărți în trilioane și trilioane de celule dintr-un corp uman? Și cum ar putea o singură celulă să dea naștere la atâtea tipuri diferite de celule - atât celulele pielii, cât și celulele creierului, de exemplu?

Pe măsură ce zigotul începe să se divizeze (înainte de a se implanta în uter), celulele rezultate sunt de fapt celule stem. Oamenii de știință spun că aceste celule flexibile sunt ambele proliferativ și pluripotent. Acest lucru înseamnă că celulele se împart ușor pentru a produce multe, multe celule - și se pot dezvolta în orice tip de celulă specializată prin celule stem diferenţiere.
Citiți mai multe despre explicația specializării celulare.

La prima vedere, părțile unei celule stem nu par atât de speciale la suprafață. La fel ca toate celulele din corpul uman, celulele stem împărtășesc toate câteva structuri comune. Acestea includ:

• A membrana celulara, care este un strat strat lipidic care înconjoară celula, care permite ca unele materiale să intre în celulă și să le țină pe altele afară.
  
• Citoplasma, care este bulionul lichid din interiorul celulei.
  
• A nucleu, care conține toate informațiile genetice ale celulei stocate ca ADN.

Între fertilizarea în trompele uterine și implantarea în uter, embrionul se va schimba dintr-o simplă foaie de celule stem într-un grup organizat de celule - numit gastrula - cu trei straturi germinale. Acestea vor da naștere în cele din urmă tuturor numeroaselor tipuri de celule, țesuturi și organe care cuprind un întreg (deși încă foarte mic) făt uman.

Stratul cel mai exterior, numit ectoderm, dă naștere celulelor pielii și a țesuturilor sistemului nervos. Stratul de mijloc sau mezoderm, produce celule sanguine, țesut conjunctiv, celule musculare și țesut placentar care menține fătul în viață in uter. Stratul interior, numit endoderm, creează mucoasele intestinului, plămânilor și ale tractului urogenital.

Datorită pluripotenței, celulele stem se pot diferenția și deveni oricare dintre aceste tipuri de celule după implantare. Aceste celule stem asociate cu dezvoltarea normală a embrionilor sunt unul dintre cele trei tipuri de celule stem utilizate de oamenii de știință. Cercetătorii îi numesc celulele stem embrionare umanesau hESC-uri.

Celulele stem embrionare utilizate de oamenii de știință nu provin niciodată din fertilizarea tradițională din interiorul trompelor uterine ale unui om real. În schimb, oamenii de știință le creează în eprubete utilizând in vitro fertilizare (FIV). Aceste celule stem embrionare se termină, în general, în laboratoarele de cercetare după ce persoanele care folosesc FIV pentru a crea familii au terminat procesul și donează embrionilor extra înghețați științei (mai degrabă decât să-i distrugă).

Pentru cercetători, există anumite beneficii ale utilizării celulelor stem embrionare în comparație cu alte tipuri de celule stem. Celulele stem embrionare sunt destul de ușor de găsit și sunt ușor de crescut în cultură. Cel mai important, celulele stem embrionare sunt cu adevărat ardezii goale care pot da naștere în mod esențial oricărui tip de celulă la diferențierea celulelor stem.

La fel cum fac celulele după implantarea într-un uter viu, celulele stem embrionare din laborator se adună în mod natural corpuri embrionare și începe să se diferențieze în celule specializate. Oamenii de știință care cultivă celule stem embrionare în cultură trebuie să mențină condiții specifice în mediul de creștere pentru a împiedica acest lucru.

Permițând celulelor stem să prolifereze fără diferențiere, oamenii de știință creează linii de celule stem embrionare. Oamenii de știință pot apoi să înghețe aceste linii celulare și să le trimită către alte laboratoare pentru proiecte de cercetare sau cultivare ulterioară. Pentru a se califica ca linie celulară, celulele stem embrionare trebuie:

• Creșteți nediferențiat în cultura celulară timp de cel puțin șase luni.
• Fii pluripotent sau capabil să se diferențieze în orice tip de celulă.
• Nu au anomalii genetice.

Când cercetătorii sunt pregătiți ca celulele dintr-o linie de celule stem embrionare să devină tipuri specifice de celule, cum ar fi pentru o anumită proiectul de cercetare, ele modifică pur și simplu mediul de cultură sau injectează gene specifice în celula stem pentru a declanșa celula stem diferenţiere.

Se pare că multe țesuturi mature din corpul uman complet dezvoltat se agață de unele celule nediferențiate pentru o zi ploioasă. Aceste celule stem adulte - uneori numit somatic celule stem - se activează atunci când organismul are nevoie de celule noi. Acest lucru se întâmplă pentru a ține cont de creșterea și creșterea normală a celulelor și, de asemenea, pentru a repara țesutul după o leziune sau boală.

Oamenii de știință au găsit celule stem adulte într-o mare varietate de organe și țesuturi, cum ar fi:

• Vase de sânge.
• Măduvă osoasă.
• Creier.
• Intestin.
• Inima.
• Ficat.
• Ovarele.
• Sânge periferic.
• Mușchi scheletic.
• Dinții.
• Testiculele.

Celulele stem adulte se găsesc în general în zone specifice, numite nișe de celule stem. Spre deosebire de celulele stem embrionare, care se pot diferenția în orice tip de celule, diferențierea celulelor stem adulte este limitată și specifică țesutului. Aceasta înseamnă că celulele stem adulte se diferențiază în mod tipic numai în tipurile de celule asociate cu țesutul în care locuiesc.

De exemplu, celulele stem adulte din creier vor deveni doar celule nervoase sau celule cerebrale non-neuronale. Iată câteva alte celule stem adulte cunoscute și tipurile lor de celule specializate:

• Celulele stem hematopoietice se găsesc în măduva osoasă și dau naștere la celule sanguine, inclusiv celule roșii din sânge și celule ale sistemului imunitar.
• Celule stem mezenchimale se găsesc în măduva osoasă (și în alte țesuturi) și dau naștere la celule osoase, celule de cartilaj, celule adipoase și celule stromale.
• Celulele stem epiteliale se găsesc adânc în căptușeala intestinului și dau naștere la absorbant celule, pocal celule, enteroendocrin celule și Paneth celule.
• Celulele stem ale pielii se găsesc în stratul bazal al pielii și dau naștere la keratinocite care fac un strat protector pe suprafața pielii.

Oamenii de știință au observat în experimente că unele celule stem adulte s-au diferențiat în celule specializate altul decât tipul celular așteptat, care este similar cu valoroasa pluripotență a celulelor stem embrionare. Cu toate acestea, acest lucru transdiferențierea este rar și afectează un segment mic de celule stem doar atunci când apare. Cercetătorii nu sunt siguri dacă se întâmplă deloc la oameni.

Celulele stem adulte prezintă unele dezavantaje pentru oamenii de știință. Sunt rare și greu de cultivat în laborator. Au, de asemenea, limite cu privire la cât de mult se pot împărți și ce tipuri de celule pot deveni. Cu toate acestea, celulele stem adulte au un avantaj distinct: sunt probabil mai puțin probabil să se declanșeze respingere imună deoarece ar putea fi recoltate din propriul corp al pacientului.

În 2006, cercetătorii au descoperit încă un tip de celule stem: celule stem pluripotente indusesau iPSC-uri. Acestea sunt celule stem adulte pe care oamenii de știință le reprogramează pentru a acționa mai mult ca celulele stem embrionare. Cu toate acestea, nu este încă clar dacă există diferențe clinice semnificative între celulele stem pluripotente induse și celulele stem embrionare. Oamenii de știință folosesc deja iPSC-urile pentru activități importante, cum ar fi dezvoltarea medicamentelor și modelarea bolilor umane în scopuri de cercetare.

Există obstacole tehnice de depășit înainte ca cercetătorii să poată utiliza aceste celule stem pluripotente induse pentru aplicații mai directe. În plus față de confirmarea faptului că aceste celule stem nu sunt fundamental diferite de stem embrionare celule, cercetătorii trebuie să elaboreze noi tehnici pentru producerea celulelor stem pluripotente induse în prima loc. Metoda actuală folosește virușii ca vehicul pentru reprogramare, care a demonstrat efecte secundare grave, cum ar fi cancerul, în studiile pe animale.

În plus față de screening-ul medicamentelor noi pentru industria farmaceutică și de a servi ca modele pentru bolile proiectelor de cercetare, oamenii de știință cred că celulele stem ar putea face noi (și interesante) tratamente pe bază de celule posibil. Aceasta înseamnă că într-o zi laboratoarele ar putea să dezvolte organe și țesuturi noi pentru persoanele care au nevoie de transplanturi, mai degrabă decât să se bazeze pe donatori de organe și țesuturi.

Acest lucru ar putea arăta ca oamenii de știință care folosesc celule stem pentru a produce celule musculare ale inimii pe care le pot transfera la persoanele cu boli cronice ale inimii. Studiile curente pe animale sugerează că celulele stem stromale din măduva osoasă arată promițătoare pentru această aplicație, deși mecanismul precis este încă neclar. Oamenii de știință nu sunt siguri dacă celulele stem dau naștere la noi celule musculare ale inimii sau celule ale vaselor de sânge - sau dacă fac altceva cu totul.

Un alt exemplu teoretic este diabetul de tip 1. Oamenii de știință speră să diferențieze celulele stem embrionare umane în celulele care produc insulină. Sistemul imunitar al persoanelor cu diabet zaharat perturbă aceste celule și le interzice să își facă treaba. Oamenii de știință se întreabă dacă ar putea într-o zi să diferențieze celulele stem în celule producătoare de insulină și să le transplanteze la pacienți.

În plus față de bolile de inimă și diabetul, alte boli și afecțiuni ale oamenilor de știință cred că acest progres medical ar putea afecta sunt largi și includ:

• Arsuri.
• Degenerescența maculară, care poate provoca pierderea vederii.
• Osteoartrita și artrita reumatoidă.
• Leziunea măduvei spinării, care poate provoca amorțeală, pierderea funcției sau paralizie.
• Accident vascular cerebral.

Desigur, aducerea acestor noi terapii pacienților reali va necesita oamenilor de știință să stăpânească fiecare etapă a acestui proces teoretic. Aceasta înseamnă că trebuie să:

• Cultivați suficiente celule stem pentru a construi fizic țesutul sau organul.
• Stimulați celulele stem pentru a vă diferenția în tipul celular corect.
• Asigurați-vă că celulele stem diferențiate pot supraviețui în interiorul corpului pacientului.
• Asigurați-vă că celulele stem diferențiate se integrează în mod corespunzător în țesuturile primitoare din corpul pacientului.
• Se așteaptă în mod rezonabil ca noul țesut sau organ să facă treaba pentru care este construit pe parcursul întregii vieți a pacientului.
• Asigurați-vă că noile celule nu cauzează vătămări colaterale pacientului, cum ar fi cancerul.

Prin definiția celulelor stem, acești pași par realizabili folosind celule stem embrionare, dar vor necesita mulți ani de cercetări serioase pe mai multe fronturi. Acesta este motivul pentru care cercetarea celulelor stem este un domeniu atât de activ în științele profesionale - și, de asemenea, de ce este un punct de minte pentru mulți profesori de științe și studenți.

În timp ce rezultatul final al cercetării celulelor stem poate fi încă pe drum, creșterea înțelegerii generale structurii celulelor stem și modul în care funcționează diferențierea celulelor stem este o modalitate excelentă de a face parte din această dezvoltare ştiinţă.