Aká je štruktúra kmeňových buniek?

Keď si to prečítate, vedci z celého sveta sú pri svojich laboratórnych laviciach a prichádzajú na to, ako jedného dňa môžu z nových buniek vypestovať nové tkanivá a orgány. Ak si myslíte, že to znie ako niečo zo sci-fi filmu, nie ste sami. Tento výskum však môže priniesť vedecký prielom, ktorý zmení spôsob, akým zdravotnícki pracovníci liečia širokú škálu ľudských chorôb v skutočnom svete.

Konečné ciele tohto výskumu môžu byť široké, ale predmet výskumu je tak nekonečne malý, že ho nemôžete vidieť ani voľným okom. Predmetom je kmeňové bunky. Vďaka svojim jedinečným vlastnostiam majú tieto úžasné bunky potenciál zmeniť budúcnosť vedy a medicíny.
Prečítajte si viac o výhodách a nevýhodách výskumu kmeňových buniek.

Viete, že na pohlavné rozmnožovanie je potrebné, aby sa spermie a vajíčko spojili a vytvorili zygota cez oplodnenie. Táto samostatná eukaryotická bunka obsahuje celý rad genetických informácií a má potenciál sa rozdeliť na zložitý mnohobunkový organizmus, ako ste vy.

Ale zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako by sa táto jediná bunka mohla rozdeliť na bilióny a bilióny buniek v ľudskom tele? A ako by z jednej bunky mohlo vzniknúť toľko rôznych typov buniek - napríklad kožných aj mozgových?

Keď sa zygota začne deliť (predtým, ako implantuje do maternice), výsledné bunky sú v skutočnosti kmeňové bunky. Vedci tvrdia, že tieto pružné bunky sú oboje proliferatívny a pluripotentný. To znamená, že bunky sa ľahko delia a produkujú oveľa, oveľa viac buniek - a tie sa môžu prostredníctvom kmeňových buniek vyvinúť v akýkoľvek typ špecializovanej bunky. diferenciácia.
Prečítajte si viac o vysvetlení špecializácie buniek.

Na prvý pohľad sa časti kmeňovej bunky nezdajú na povrchu až také zvláštne. Rovnako ako všetky bunky v ľudskom tele, aj kmeňové bunky zdieľajú niekoľko bežných štruktúr. Tie obsahujú:

• A bunková membrána, čo je lipidová dvojvrstva obklopujúca bunku, ktorá umožňuje niektorým materiálom vstúpiť do bunky a iným zabrániť.
  
• Cytoplazma, čo je tekutý vývar vo vnútri bunky.
  
• A jadro, ktorá obsahuje všetky genetické informácie bunky uložené ako DNA.

Medzi oplodnením vo vajíčkovodoch a implantáciou do maternice sa embryo zmení z jednoduchého listu kmeňových buniek na usporiadanú skupinu buniek - nazývanú gastrula - s tromi zárodočné vrstvy. Tieto nakoniec spôsobia vznik všetkých mnohých typov buniek, tkanív a orgánov, ktoré tvoria celý (aj keď stále veľmi malý) ľudský plod.

Vonkajšia vrstva nazývaná ektoderm, dáva vznik kožným bunkám a tkanivám nervového systému. Stredná vrstva, príp mezoderm, poskytuje krvné bunky, spojivové tkanivo, svalové bunky a placentárne tkanivo, ktoré udržuje plod nažive v maternici. Vnútorná vrstva, nazývaná endoderm, vytvára výstelky čreva, pľúc a urogenitálneho traktu.

Vďaka pluripotencii sa kmeňové bunky môžu po implantácii diferencovať a stať sa ktorýmkoľvek z týchto typov buniek. Tieto kmeňové bunky spojené s normálnym vývojom embryí sú jedným z troch typov kmeňových buniek používaných vedcami. Vedci ich nazývajú ľudské embryonálne kmeňové bunkyalebo hESC.

Embryonálne kmeňové bunky, ktoré používajú vedci, nikdy nepochádzajú z tradičného oplodnenia vo vajíčkovodoch skutočného človeka. Vedci ich namiesto toho vytvárajú v skúmavkách pomocou in vitro oplodnenie (IVF). Tieto embryonálne kmeňové bunky sa zvyčajne skončia vo výskumných laboratóriách po tom, ako ľudia používajúci IVF na vytvorenie rodín dokončia proces a darujú extra zmrazené embryá vede (namiesto ich zničenia).

Pre výskumných pracovníkov majú embryonálne kmeňové bunky určité výhody v porovnaní s inými typmi kmeňových buniek. Embryonálne kmeňové bunky sa dajú zohnať pomerne ľahko a ľahko sa pestujú v kultúre. Najdôležitejšie je, že embryonálne kmeňové bunky sú skutočne prázdne škridly, ktoré po diferenciácii kmeňových buniek môžu viesť k vzniku prakticky ľubovoľného typu buniek.

Rovnako ako bunky po implantácii do živej maternice, aj embryonálne kmeňové bunky v laboratóriu sa prirodzene zhlukujú embryoidné telá a začnú sa diferencovať na špecializované bunky. Vedci, ktorí pestujú embryonálne kmeňové bunky v kultúre, musia v kultivačnom médiu udržiavať špecifické podmienky, aby sa tak nestalo.

Vedci vytvárajú to, že umožňujú kmeňovým bunkám množiť sa bez diferenciácie línie embryonálnych kmeňových buniek. Vedci potom môžu tieto bunkové línie zmraziť a odoslať ich do iných laboratórií na účely výskumných projektov alebo ďalšej kultivácie. Aby sa embryonálne kmeňové bunky kvalifikovali ako bunková línia, musia:

• Rastú nediferencovane v bunkovej kultúre najmenej šesť mesiacov.
• Byť pluripotentný alebo schopný rozlišovať do ľubovoľného typu bunky.
• Nemajte genetické abnormality.

Keď sú vedci pripravení na to, aby sa z buniek v línii embryonálnych kmeňových buniek stali špecifické typy buniek, napríklad pre špecifické výskumný projekt, jednoducho zmenia kultivačné médium alebo injikujú špecifické gény do kmeňovej bunky na spustenie kmeňovej bunky diferenciácia.

Ukazuje sa, že veľa zrelých tkanív v úplne vyvinutom ľudskom tele visí na daždivých dňoch na niektorých nediferencovaných bunkách. Títo dospelých kmeňových buniek - niekedy sa volá somatický kmeňové bunky - aktivujú sa, keď telo potrebuje nové bunky. To sa deje s cieľom zohľadniť normálny obrat a rast buniek a tiež opraviť tkanivo po úraze alebo chorobe.

Vedci našli dospelé kmeňové bunky v najrôznejších orgánoch a tkanivách, ako napríklad:

• Cievy.
• Kostná dreň.
• Mozog.
• Črevá.
• Srdce.
• Pečeň.
• Ovarie.
• Periférna krv.
• Kostrový sval.
• Zuby.
• Semenníky.

Kmeňové bunky dospelých sa všeobecne nachádzajú v špecifických oblastiach, tzv výklenky kmeňových buniek. Na rozdiel od embryonálnych kmeňových buniek, ktoré sa môžu diferencovať na akýkoľvek bunkový typ, je diferenciácia dospelých kmeňových buniek obmedzená a špecifická pre tkanivo. To znamená, že dospelé kmeňové bunky sa typicky diferencujú iba na typy buniek spojené s tkanivom, v ktorom prebývajú.

Napríklad z dospelých kmeňových buniek v mozgu sa stanú iba nervové bunky alebo iné ako neuronálne mozgové bunky. Tu uvádzame niektoré ďalšie známe dospelé kmeňové bunky a ich špecializované typy buniek:

• Hematopoetické kmeňové bunky sa nachádzajú v kostnej dreni a spôsobujú vznik krviniek vrátane červených krviniek a buniek imunitného systému.
• Mezenchymálne kmeňové bunky sa nachádzajú v kostnej dreni (a niektorých ďalších tkanivách) a spôsobujú vznik kostných buniek, buniek chrupavky, tukových buniek a stromálnych buniek.
• Kmeňové bunky epitelu sa nachádzajú hlboko v podšívke čreva a spôsobujú vznik pohltivý bunky, kalich bunky, enteroendokrinný bunky a Paneth bunky.
• Kmeňové bunky kože sa nachádzajú v bazálnej vrstve kože a spôsobujú vznik keratinocyty ktoré vytvárajú ochrannú vrstvu na povrchu kože.

Vedci v experimentoch pozorovali, že niektoré dospelé kmeňové bunky sa diferencovali na špecializované bunky iný ako očakávaný bunkový typ, ktorý je podobný cennej pluripotencii embryonálnych kmeňových buniek. Avšak toto transdiferenciácia je zriedkavá a ovplyvňuje iba malý segment kmeňových buniek, keď k nej dôjde. Vedci si nie sú istí, či sa to u ľudí vôbec deje.

Kmeňové bunky dospelých majú pre vedcov určité nevýhody. Sú zriedkavé a ťažko sa pestujú v laboratóriu. Majú tiež hranice toho, koľko môžu rozdeliť a aké typy buniek sa môžu stať. Dospelé kmeňové bunky však majú jednu zreteľnú výhodu: je pravdepodobné, že sa spúšťajú menej imunitné odmietnutie pretože by sa dali odobrať z vlastného tela pacienta.

V roku 2006 vedci objavili jeden ďalší typ kmeňových buniek: indukované pluripotentné kmeňové bunkyalebo iPSC. Jedná sa o dospelé kmeňové bunky, ktoré vedci preprogramujú tak, aby pôsobili viac ako embryonálne kmeňové bunky. Zatiaľ však nie je jasné, či existujú významné klinické rozdiely medzi indukovanými pluripotentnými kmeňovými bunkami a embryonálnymi kmeňovými bunkami. Vedci už používajú iPSC na dôležitú prácu, ako je vývoj liekov a modelovanie ľudských chorôb na výskumné účely.

Existujú technické prekážky, ktoré treba prekonať, než budú môcť vedci tieto indukované pluripotentné kmeňové bunky použiť na priamejšie aplikácie. Okrem potvrdenia, že tieto kmeňové bunky sa zásadne nelíšia od embryonálnych kmeňov bunky, musia vedci vyvinúť nové techniky na výrobu indukovaných pluripotentných kmeňových buniek v prvej miesto. Súčasná metóda využíva vírusy ako prostriedok na preprogramovanie, ktoré v štúdiách na zvieratách preukázalo vážne vedľajšie účinky, ako je napríklad rakovina.

Okrem skríningu nových liekov pre farmaceutický priemysel a slúžiacich ako modely chorôb pre výskumné projekty sa vedci domnievajú, že kmeňové bunky môžu byť nové (a vzrušujúce) ošetrenie na báze buniek možné. To znamená, že v laboratóriách jedného dňa môžu vyrásť nové orgány a tkanivá pre ľudí, ktorí potrebujú transplantáciu, namiesto toho, aby sa spoliehali na darcov orgánov a tkanív.

Mohlo by to vyzerať, akoby vedci využívali kmeňové bunky na výrobu buniek srdcového svalu, ktoré môžu transplantovať, ľuďom s chronickým ochorením srdca. Súčasné štúdie na zvieratách naznačujú, že pre túto aplikáciu sú sľubné stromálne kmeňové bunky z kostnej drene, aj keď presný mechanizmus stále nie je jasný. Vedci si nie sú istí, či kmeňové bunky vytvárajú nové bunky srdcového svalu alebo bunky krvných ciev - alebo či robia niečo iné úplne.

Ďalším teoretickým príkladom je cukrovka 1. typu. Vedci dúfajú, že diferenciujú ľudské embryonálne kmeňové bunky na bunky, ktoré produkujú inzulín. Imunitný systém ľudí s cukrovkou tieto bunky narúša a zakazuje im vykonávať svoju prácu. Vedci sa pýtajú, či by mohli jedného dňa rozlíšiť kmeňové bunky na bunky produkujúce inzulín a transplantovať ich do pacientov.

Vedľa srdcových chorôb a cukrovky sú ďalšie choroby a stavy ľudí, ktoré podľa vedcov tento pokrok v medicíne ovplyvniť, aj široké:

• Popáleniny.
• Makulárna degenerácia, ktorá môže spôsobiť stratu zraku.
• Osteoartróza a reumatoidná artritída.
• Poranenie miechy, ktoré môže spôsobiť znecitlivenie, stratu funkcie alebo ochrnutie.
• Mŕtvica.

Samozrejme, prinesenie týchto nových terapií skutočným pacientom bude vyžadovať, aby vedci zvládli každý krok tohto teoretického procesu. To znamená, že musia:

• Vypestujte dostatok kmeňových buniek na to, aby fyzicky vytvorili tkanivo alebo orgán.
• Stimulujte kmeňové bunky, aby sa diferencovali na správny typ buniek.
• Zaistite, aby diferencované kmeňové bunky mohli prežiť vo vnútri tela pacienta.
• Uistite sa, že sa diferencované kmeňové bunky správne integrujú do tkanív príjemcu v tele pacienta.
• Dá sa rozumne očakávať, že nové tkanivo alebo orgán budú vykonávať prácu, pre ktorú sú vytvorené, počas celého života pacienta.
• Zaistite, aby nové bunky nespôsobovali pacientovi žiadne vedľajšie škody, napríklad rakovinu.

Podľa definície kmeňových buniek sa tieto kroky javia ako uskutočniteľné pomocou embryonálnych kmeňových buniek, budú si však vyžadovať mnoho rokov seriózneho výskumu na viacerých frontoch. To je dôvod, prečo je výskum kmeňových buniek takou aktívnou oblasťou v odborných vedách - a tiež preto, že je pre mnohých učiteľov a študentov prírodovedných predmetov najdôležitejšou vecou.

Zatiaľ čo konečný výsledok výskumu kmeňových buniek môže byť stále na ceste, zvyšuje sa všeobecné porozumenie štruktúry kmeňových buniek a ako funguje diferenciácia kmeňových buniek, je skvelý spôsob, ako byť súčasťou tohto objavujúceho sa veda.