Kakšna je struktura matičnih celic?

Ko to berete, so raziskovalci po vsem svetu v svojih laboratorijskih klopeh in ugotavljajo, kako nekega dne rastejo nova tkiva in organi iz posameznih celic. Če mislite, da to zveni kot nekaj iz znanstvenofantastičnega filma, niste sami. Vendar bi te raziskave lahko prinesle znanstveni preboj, ki spremeni način zdravljenja zdravstvenih delavcev v resničnem svetu pri številnih človeških boleznih.

Končni cilji te raziskave so lahko široki, vendar je predmet raziskave tako neskončno majhen, da ga ne morete videti niti s prostim očesom. Predmet je stebelna celica. Zaradi svojih edinstvenih značilnosti lahko te neverjetne celice spremenijo prihodnost znanosti in medicine.
Preberite več o prednostih in slabostih raziskav izvornih celic.

Veste, da za spolno razmnoževanje potrebujejo spermo in jajčno celico, da se združita in tvorita zigota z oploditvijo. Ta ena evkariontska celica vsebuje celoten sklop genetskih informacij in se lahko razdeli v kompleksen večcelični organizem, kakršen ste vi.

A ste se kdaj vprašali, kako bi se lahko ena sama celica razdelila na bilijone in bilijone celic v človeškem telesu? In kako lahko samo iz ene celice nastane toliko različnih vrst celic - na primer tako kožne celice kot možganske celice?

Ko se zigota začne deliti (preden se vsadi v maternico), so nastale celice v resnici izvorne celice. Znanstveniki pravijo, da so te prilagodljive celice obe proliferativni in pluripotentni. To pomeni, da se celice zlahka razdelijo, da proizvedejo veliko, veliko več celic - in se skozi matične celice lahko razvijejo v katero koli vrsto specializiranih celic diferenciacija.
Preberite več o razlagi specializacije celic.

Na prvi pogled se deli matične celice na površini ne zdijo tako posebni. Kot vse celice v človeškem telesu imajo tudi matične celice nekaj skupnih struktur. Tej vključujejo:

• A celična membrana, ki je lipidni dvosloj, ki obdaja celico in omogoča nekaterim materialom vstop v celico, druge pa preprečuje.
  
• Citoplazma, ki je tekoča juha znotraj celice.
  
• A jedro, ki vsebuje vse genetske podatke celice, shranjene kot DNA.

Med oploditvijo v jajcevodih in implantacijo v maternico se bo zarodek iz preprostega lista matičnih celic spremenil v organizirano skupino celic - imenovano gastrula - s tremi kalčne plasti. Sčasoma bodo nastale številne vrste celic, tkiva in organi, ki sestavljajo celoten (čeprav še vedno zelo majhen) človeški plod.

Najbolj zunanja plast, imenovana ektoderm, povzroča kožne celice in tkiva živčnega sistema. Srednja plast, oz mezoderm, daje krvne celice, vezivno tkivo, mišične celice in placentno tkivo, ki ohranja plod pri življenju v maternici. Notranji sloj, imenovan endoderm, ustvarja obloge črevesja, pljuč in urogenitalnega trakta.

Zahvaljujoč pluripotenci se lahko matične celice po vsaditvi diferencirajo in postanejo katere koli od teh vrst celic. Te matične celice, povezane z normalnim razvojem zarodkov, so ena od treh vrst matičnih celic, ki jih uporabljajo znanstveniki. Raziskovalci jih kličejo izvorne celice človeškega zarodkaali hESC.

Embrionalne izvorne celice, ki jih uporabljajo znanstveniki, nikoli ne izvirajo iz tradicionalnega oploditve v jajcevodih dejanskega človeka. Namesto tega jih znanstveniki ustvarjajo v epruvetah z uporabo in vitro oploditev (IVF). Te embrionalne izvorne celice se običajno zaključijo v raziskovalnih laboratorijih, potem ko ljudje, ki uporabljajo IVF za ustvarjanje družin, postopek zaključijo in odvečne zamrznjene zarodke podarijo znanosti (namesto da jih uničijo).

Za raziskovalce imajo nekatere prednosti uporabe zarodnih izvornih celic v primerjavi z drugimi vrstami izvornih celic. Do embrionalnih izvornih celic je dokaj enostavno priti in jih je enostavno gojiti v kulturi. Najpomembneje je, da so zarodne izvorne celice resnično prazne plošče, ki lahko pri diferenciaciji matičnih celic ustvarijo v bistvu vse vrste celic.

Tako kot celice po vsaditvi v živo maternico se tudi zarodne matične celice v laboratoriju naravno strdijo embrioidna telesa in se začnejo diferencirati v specializirane celice. Znanstveniki, ki gojijo zarodne izvorne celice v kulturi, morajo v rastnem mediju vzdrževati posebne pogoje, da se to ne bi zgodilo.

Z omogočanjem matičnim celicam, da se razmnožujejo brez razlikovanja, znanstveniki ustvarjajo linije zarodnih izvornih celic. Znanstveniki lahko nato zamrznejo te celične linije in jih pošljejo v druge laboratorije za raziskovalne projekte ali nadaljnje gojenje. Če se embrionalne matične celice štejejo za celično linijo, morajo:

• V celični kulturi rastejo nediferencirani vsaj šest mesecev.
• Biti pluripotenten ali sposoben razlikovanja v kateri koli tip celic.
• Nimajo genetskih nepravilnosti.

Ko so raziskovalci pripravljeni, da celice v liniji zarodnih izvornih celic postanejo posebne vrste celic, na primer za določene raziskovalni projekt preprosto spremenijo gojišče ali v matične celice vbrizgajo določene gene, da sprožijo izvorne celice diferenciacija.

Izkazalo se je, da se veliko zrelih tkiv v popolnoma razvitem človeškem telesu za deževen dan obesi na nekatere nediferencirane celice. Te matične celice odraslih - včasih poklican somatsko matične celice - aktivirajo se, ko telo potrebuje nove celice. To se zgodi, da se upošteva normalen promet in rast celic ter obnovi tkivo po poškodbi ali bolezni.

Znanstveniki so odkrili matične celice odraslih v najrazličnejših organih in tkivih, kot so:

• Krvne žile.
• Kostni mozeg.
• Možgani.
• Črevesje.
• Srce.
• Jetra.
• Jajčniki.
• Periferna kri.
• Skeletna mišica.
• Zobje.
• Testisi.

Odrasle matične celice običajno najdemo na določenih območjih, imenovanih niše matičnih celic. Za razliko od embrionalnih izvornih celic, ki se sploh lahko razlikujejo v kateri koli tip celic, je diferenciacija matičnih celic odraslih omejena in specifična za tkivo. To pomeni, da se odrasle matične celice običajno razlikujejo le do tipov celic, povezanih s tkivom, v katerem prebivajo.

Na primer, odrasle matične celice v možganih bodo postale le živčne celice ali možganske celice, ki niso nevronske. Tu je nekaj drugih dobro znanih matičnih celic odraslih in njihovih specializiranih vrst celic:

• Hematopoetske matične celice se nahajajo v kostnem mozgu in povzročajo nastanek krvnih celic, vključno z rdečimi krvnimi celicami in celicami imunskega sistema.
• Mezenhimske izvorne celice se nahajajo v kostnem mozgu (in nekaterih drugih tkivih) in povzročajo kostne celice, hrustančne celice, maščobne celice in stromalne celice.
• Matične celice epitelija najdemo globoko v sluznici črevesja in povzročajo absorpcijski celice, pehar celice, enteroendokrini celice in Paneth celic.
• Matične celice kože se nahajajo v bazalni plasti kože in povzročajo keratinociti ki na površini kože naredijo zaščitno plast.

Znanstveniki so v poskusih opazili, da so se nekatere odrasle matične celice diferencirale v specializirane celice razen pričakovanega tipa celic, kar je podobno dragoceni pluripotenciji zarodnih izvornih celic. Vendar to transdiferenciacija je redek in prizadene majhen del izvornih celic le, kadar se pojavi. Raziskovalci niso prepričani, ali se to sploh zgodi pri ljudeh.

Odrasle matične celice imajo nekaj pomanjkljivosti za znanstvenike. V laboratoriju so redki in jih je težko gojiti. Imajo tudi omejitve, koliko se lahko delijo in kakšne vrste celic lahko postanejo. Vendar imajo matične celice odraslih eno posebno prednost: verjetno je manj verjetno, da se bodo sprožile imunska zavrnitev saj bi jih lahko pobrali iz pacientovega telesa.

Leta 2006 so raziskovalci odkrili še eno vrsto izvornih celic: inducirane pluripotentne matične celiceali iPSC. To so odrasle matične celice, ki jih znanstveniki programirajo tako, da delujejo bolj kot zarodne izvorne celice. Vendar še ni jasno, ali obstajajo pomembne klinične razlike med induciranimi pluripotentnimi matičnimi celicami in zarodnimi matičnimi celicami. Znanstveniki že uporabljajo iPSC za pomembna dela, kot sta razvoj zdravil in modeliranje človeških bolezni v raziskovalne namene.

Obstajajo tehnične ovire, ki jih je treba premagati, preden lahko raziskovalci uporabijo te inducirane pluripotentne matične celice za bolj neposredne aplikacije. Poleg tega, da potrjujejo, da se te matične celice bistveno ne razlikujejo od embrionalnih celice, morajo raziskovalci najprej razviti nove tehnike za izdelavo induciranih pluripotentnih matičnih celic kraj. Trenutna metoda uporablja viruse kot sredstvo za reprogramiranje, kar je v študijah na živalih pokazalo resne neželene učinke, kot je rak.

Poleg pregleda novih zdravil za farmacevtsko industrijo in vzorcev bolezni za raziskovalne projekte znanstveniki verjamejo, da matične celice lahko ustvarijo nove (in vznemirljive) celično zdravljenje mogoče. To pomeni, da bodo nekega dne laboratoriji morda vzgojili nove organe in tkiva ljudem, ki potrebujejo presaditve, ne pa da se zanašajo na darovalce organov in tkiv.

To bi lahko izgledalo kot znanstveniki, ki uporabljajo matične celice za izdelavo celic srčne mišice, ki jih lahko presadijo ljudem s kronično boleznijo srca. Trenutne študije na živalih kažejo, da se stromalne matične celice iz kostnega mozga obetajo za to uporabo, čeprav natančen mehanizem še vedno ni jasen. Znanstveniki niso prepričani, ali matične celice povzročijo nove celice srčne mišice ali celice krvnih žil - ali pa naredijo kaj drugega.

Drugi teoretični primer je diabetes tipa 1. Znanstveniki upajo, da bodo človeške embrionalne izvorne celice diferencirali v celice, ki proizvajajo inzulin. Imunski sistem ljudi s sladkorno boleznijo moti te celice in jim prepoveduje opravljanje svojega dela. Znanstveniki se sprašujejo, ali bi lahko nekega dne matične celice diferencirali v celice, ki proizvajajo inzulin, in jih presadili bolnikom.

Znanstveniki menijo, da poleg bolezni srca in diabetesa obstajajo tudi druge bolezni in stanja pri ljudeh, ki so široke in vključujejo:

• Opekline.
• Makularna degeneracija, ki lahko povzroči izgubo vida.
• Osteoartritis in revmatoidni artritis.
• Poškodba hrbtenjače, ki lahko povzroči otrplost, izgubo funkcije ali paralizo.
• Kap.

Če bodo te nove terapije dejansko prenesli na paciente, bodo morali znanstveniki obvladati vsak korak tega teoretičnega procesa. To pomeni, da morajo:

• Pridelajte dovolj matičnih celic za fizično gradnjo tkiva ali organa.
• Stimulirajte matične celice, da se diferencirajo v pravi tip celic.
• Zagotovite, da lahko diferencirane matične celice preživijo v bolnikovem telesu.
• Prepričajte se, da se diferencirane matične celice pravilno vključijo v prejemniška tkiva znotraj bolnikovega telesa.
• Razumno pričakujte, da bo novo tkivo ali organ v celotnem bolnikovem življenju opravljalo delo, za katero je zgrajeno.
• Prepričajte se, da nove celice pacientu ne povzročajo nobene stranske škode, na primer raka.

Po definiciji izvornih celic se zdijo ti koraki dosegljivi z zarodnimi izvornimi celicami, vendar bodo zahtevale dolgoletne resne raziskave na več frontah. Zato je raziskovanje izvornih celic tako aktivno področje v strokovnih znanostih - in tudi zato je za mnoge učitelje in študente naravoslovja.

Čeprav je končni rezultat raziskav izvornih celic morda še vedno na poti, povečuje splošno razumevanje strukture matičnih celic in kako deluje diferenciacija matičnih celic je odličen način, da postanete del tega nastajajočega znanosti.