Какова структура стволовых клеток?

Пока вы читаете это, исследователи со всего мира сидят за своими лабораторными столами, пытаясь понять, как когда-нибудь вырастить новые ткани и органы из отдельных клеток. Если вы думаете, что это звучит как что-то из научно-фантастического фильма, вы не одиноки. Тем не менее, это исследование может привести к научному прорыву, который изменит подходы медицинских специалистов к лечению широкого спектра заболеваний человека в реальном мире.

Конечные цели этого исследования могут быть широкими, но предмет исследования настолько мал, что вы не можете увидеть его даже невооруженным глазом. Тема стволовые клетки. Благодаря своим уникальным характеристикам эти удивительные клетки могут изменить будущее науки и медицины.
Узнайте больше о преимуществах и недостатках исследований стволовых клеток.

Вы знаете, что половое размножение требует, чтобы сперматозоид и яйцеклетка собрались вместе и образовали зигота через оплодотворение. Эта единственная эукариотическая клетка содержит полный набор генетической информации и может разделиться на сложный многоклеточный организм, такой как вы.

Но задумывались ли вы, как эта единственная клетка может разделиться на триллионы и триллионы клеток в человеческом теле? И как только одна клетка могла дать столько разных типов клеток - например, как клетки кожи, так и клетки мозга?

Когда зигота начинает делиться (до того, как она имплантируется в матку), образующиеся клетки фактически являются стволовыми клетками. Ученые говорят, что эти гибкие клетки являются пролиферативный а также плюрипотентный. Это означает, что клетки легко делятся, чтобы произвести намного больше клеток - и они могут развиться в любой тип специализированных клеток через стволовые клетки. дифференциация.
Узнайте больше об объяснении клеточной специализации.

На первый взгляд, части стволовой клетки не кажутся такими уж особенными на поверхности. Как и все клетки человеческого тела, все стволовые клетки имеют несколько общих структур. Это включает:

• А клеточная мембрана, который представляет собой липидный бислой, окружающий клетку, который позволяет одним материалам проникать в клетку и не пропускает другие.
  
• Цитоплазма, представляющий собой жидкий бульон внутри ячейки.
  
• А ядро, который содержит всю генетическую информацию клетки, хранящуюся в виде ДНК.

Между оплодотворением в фаллопиевых трубах и имплантацией в матку эмбрион превратится из простого листа стволовых клеток в организованную группу клеток, называемую гаструла - с тремя ростковые отростки. В конечном итоге они дадут начало множеству типов клеток, тканей и органов, составляющих целый (хотя и очень маленький) плод человека.

Самый внешний слой, называемый эктодерма, дает начало клеткам кожи и тканям нервной системы. Средний слой, или мезодерма, дает клетки крови, соединительной ткани, мышечных клеток и плацентарной ткани, которая поддерживает жизнь плода в утробе матери. Внутренний слой, называемый энтодерма, создает оболочки кишечника, легких и мочеполовых путей.

Благодаря плюрипотентности стволовые клетки могут дифференцироваться и после имплантации становиться клетками любого из этих типов. Эти стволовые клетки, связанные с нормальным развитием эмбрионов, являются одним из трех типов стволовых клеток, используемых учеными. Исследователи называют их эмбриональные стволовые клетки человека, или чЭСК.

Эмбриональные стволовые клетки, используемые учеными, никогда не происходят в результате традиционного оплодотворения в фаллопиевых трубах настоящего человека. Вместо этого ученые создают их в пробирках, используя in vitro оплодотворение (ЭКО). Эти эмбриональные стволовые клетки обычно попадают в исследовательские лаборатории после того, как люди, использующие ЭКО для создания семей, завершают процесс и жертвуют дополнительные замороженные эмбрионы науке (а не уничтожают их).

Для исследователей есть определенные преимущества использования эмбриональных стволовых клеток по сравнению с другими типами стволовых клеток. Эмбриональные стволовые клетки довольно легко получить, и их просто выращивать в культуре. Что наиболее важно, эмбриональные стволовые клетки - это действительно чистые листы, которые могут дать начало практически любому типу клеток при дифференцировке стволовых клеток.

Так же, как клетки после имплантации в живую матку, эмбриональные стволовые клетки в лаборатории естественным образом слипаются в эмбриоидные тела и начинают дифференцироваться в специализированные клетки. Ученые, выращивающие эмбриональные стволовые клетки в культуре, должны поддерживать определенные условия в среде для выращивания, чтобы этого не происходило.

Позволяя стволовым клеткам размножаться без дифференциации, ученые создают линии эмбриональных стволовых клеток. Затем ученые могут заморозить эти клеточные линии и отправить их в другие лаборатории для исследовательских проектов или дальнейшего культивирования. Чтобы считаться клеточной линией, эмбриональные стволовые клетки должны:

• Расти недифференцированно в культуре клеток не менее шести месяцев.
• Быть плюрипотентным или способным дифференцироваться в клетки любого типа.
• Генетических отклонений нет.

Когда исследователи готовы к тому, что клетки в линии эмбриональных стволовых клеток станут клетками определенного типа, например, для определенного исследовательский проект, они просто изменяют культуральную среду или вводят определенные гены в стволовые клетки, чтобы вызвать стволовые клетки. дифференциация.

Оказывается, многие зрелые ткани в полностью развитом человеческом теле в течение дождливого дня цепляются за недифференцированные клетки. Эти взрослые стволовые клетки - иногда называют соматический стволовые клетки - активируются, когда организму нужны новые клетки. Это происходит для того, чтобы учесть нормальный оборот и рост клеток, а также восстановить ткань после травмы или болезни.

Ученые обнаружили взрослые стволовые клетки в самых разных органах и тканях, таких как:

• Кровеносный сосуд.
• Костный мозг.
• Мозг.
• Кишечник.
• Сердце.
• Печень.
• Яичники.
• Периферическая кровь.
• Скелетные мышцы.
• Зубы.
• Яички.

Взрослые стволовые клетки обычно находятся в определенных областях, называемых ниши стволовых клеток. В отличие от эмбриональных стволовых клеток, которые могут дифференцироваться в клетки любого типа, дифференцировка взрослых стволовых клеток ограничена и тканеспецифична. Это означает, что взрослые стволовые клетки обычно дифференцируются только в те типы клеток, которые связаны с тканью, в которой они находятся.

Например, взрослые стволовые клетки в головном мозге станут только нервными клетками или ненейрональными клетками мозга. Вот некоторые другие хорошо известные взрослые стволовые клетки и их специализированные типы клеток:

• Гематопоэтические стволовые клетки находятся в костном мозге и дают начало клеткам крови, в том числе эритроцитам и клеткам иммунной системы.
• Мезенхимальные стволовые клетки находятся в костном мозге (и некоторых других тканях) и дают начало костным, хрящевым, жировым и стромальным клеткам.
• Эпителиальные стволовые клетки находятся глубоко в слизистой оболочке кишечника и вызывают поглощающий клетки кубок клетки энтероэндокринный клетки и Панет клетки.
• Стволовые клетки кожи находятся в базальном слое кожи и вызывают кератиноциты которые создают защитный слой на поверхности кожи.

Ученые наблюдали в экспериментах, что некоторые взрослые стволовые клетки дифференцировались в специализированные клетки. кроме ожидаемого типа клеток, что аналогично ценной плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток. Однако это трансдифференциация встречается редко и поражает только небольшой сегмент стволовых клеток. Исследователи не уверены, происходит ли это вообще с людьми.

У взрослых стволовых клеток есть некоторые недостатки для ученых. Они редки, и их сложно выращивать в лаборатории. У них также есть ограничения на то, сколько они могут делиться и какими типами клеток они могут стать. Однако у взрослых стволовых клеток есть одно явное преимущество: они, вероятно, с меньшей вероятностью вызывают иммунное отторжение поскольку они могут быть получены из собственного тела пациента.

В 2006 году исследователи обнаружили еще один тип стволовых клеток: индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, или ИПСК. Это взрослые стволовые клетки, которые ученые перепрограммируют, чтобы они больше походили на эмбриональные стволовые клетки. Однако пока не ясно, существуют ли значимые клинические различия между индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками и эмбриональными стволовыми клетками. Ученые уже используют ИПСК для важной работы, такой как разработка лекарств и моделирование болезней человека в исследовательских целях.

Прежде чем исследователи смогут использовать эти индуцированные плюрипотентные стволовые клетки для более непосредственного применения, необходимо преодолеть технические препятствия. В дополнение к подтверждению того, что эти стволовые клетки принципиально не отличаются от эмбриональных стволовых клетки, исследователи должны разработать новые методы создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в первую очередь. место. Текущий метод использует вирусы в качестве средства перепрограммирования, что в исследованиях на животных показало серьезные побочные эффекты, такие как рак.

Помимо скрининга новых лекарств для фармацевтической промышленности и использования моделей болезней для исследовательских проектов, ученые считают, что стволовые клетки могут создавать новые (и интересные) клеточные методы лечения возможный. Это означает, что когда-нибудь лаборатории смогут выращивать новые органы и ткани для людей, которым нужна трансплантация, вместо того, чтобы полагаться на доноров органов и тканей.

Это может выглядеть так, как будто ученые используют стволовые клетки для создания клеток сердечной мышцы, которые они могут трансплантировать людям с хроническими сердечными заболеваниями. Текущие исследования на животных показывают, что стромальные стволовые клетки костного мозга перспективны для этого применения, хотя точный механизм до сих пор неясен. Ученые не уверены, дают ли стволовые клетки новые клетки сердечной мышцы или клетки кровеносных сосудов - или же они делают что-то еще.

Другой теоретический пример - диабет 1 типа. Ученые надеются дифференцировать эмбриональные стволовые клетки человека в клетки, вырабатывающие инсулин. Иммунная система людей с диабетом разрушает эти клетки и не позволяет им выполнять свою работу. Ученые задаются вопросом, смогут ли они когда-нибудь дифференцировать стволовые клетки в клетки, продуцирующие инсулин, и трансплантировать их пациентам.

Помимо болезней сердца и диабета, ученые полагают, что этот медицинский прогресс может повлиять на другие болезни и состояния человека, и они включают:

• Бернс.
• Дегенерация желтого пятна, которая может вызвать потерю зрения.
• Остеоартроз и ревматоидный артрит.
• Травма спинного мозга, которая может вызвать онемение, потерю функции или паралич.
• Инсульт.

Конечно, чтобы применить эти новые методы лечения к реальным пациентам, от ученых потребуется овладеть каждым этапом этого теоретического процесса. Это означает, что им необходимо:

• Вырастите достаточно стволовых клеток, чтобы физически построить ткань или орган.
• Стимулируйте стволовые клетки, чтобы они дифференцировались в клетки правильного типа.
• Убедитесь, что дифференцированные стволовые клетки могут выжить внутри тела пациента.
• Убедитесь, что дифференцированные стволовые клетки правильно интегрировались в ткани реципиента внутри тела пациента.
• Разумно ожидать, что новая ткань или орган будет выполнять ту работу, для которой они созданы, на протяжении всей жизни пациента.
• Убедитесь, что новые клетки не причиняют пациенту побочного вреда, например рака.

По определению стволовых клеток, эти шаги кажутся достижимыми с использованием эмбриональных стволовых клеток, но потребуют многих лет серьезных исследований по нескольким направлениям. Вот почему исследования стволовых клеток - это такая активная область в профессиональных науках, а также почему они находятся в центре внимания многих преподавателей и студентов естественных наук.

Хотя окончательный результат исследований стволовых клеток может еще не наступить, общее понимание улучшается. структуры стволовых клеток и того, как работает дифференцировка стволовых клеток, - отличный способ стать частью этого нового наука.