Vad är strukturen hos stamceller?

När du läser detta är forskare runt om i världen vid sina laboratoriebänkar och funderar på hur man en dag kan växa nya vävnader och organ från enstaka celler. Om du tycker att det låter som något ur en science fiction-film är du inte ensam. Ändå kan denna forskning ge ett vetenskapligt genombrott som förändrar hur läkare behandlar ett stort antal mänskliga sjukdomar i den verkliga världen.

De slutgiltiga målen för denna forskning kan vara breda, men forskningsämnet är så oändligt litet att du inte ens kan se det med blotta ögat. Ämnet är stamceller. Tack vare deras unika egenskaper har dessa fantastiska celler potential att förändra framtiden för vetenskap och medicin.
Läs mer om fördelar och nackdelar med stamcellsforskning.

Du vet att sexuell reproduktion kräver att en spermacell och en äggcell samlas och bildar en zygot via befruktning. Denna enda eukaryota cell innehåller ett komplett komplement av genetisk information och har potential att dela sig i en komplex multicellulär organism som dig själv.

Men har du någonsin undrat hur den enskilda cellen kunde dela sig i biljoner och biljoner celler i en människokropp? Och hur kan bara en cell ge upphov till så många olika typer av celler - till exempel hudceller och hjärnceller?

När zygoten börjar dela sig (innan den implanteras i livmodern) är de resulterande cellerna i själva verket stamceller. Forskare säger att dessa flexibla celler är båda proliferativ och pluripotent. Detta innebär att cellerna enkelt delar sig för att producera många, många fler celler - och de kan utvecklas till vilken typ av specialiserad cell som helst genom stamceller differentiering.
Läs mer om förklaringen av cellspecialisering.

Vid en första anblick verkar delarna av en stamcell inte vara så speciella på ytan. Liksom alla celler i människokroppen delar stamceller alla några vanliga strukturer. Dessa inkluderar:

• A cellmembranet, som är ett lipid dubbelskikt som omger cellen som låter vissa material komma in i cellen och håller andra ute.
  
• Cytoplasma, som är den flytande buljongen inuti cellen.
  
• A kärna, som innehåller all cellens genetiska information lagrad som DNA.

Mellan befruktning i äggledarna och implantation i livmodern kommer embryot att förändras från ett enkelt ark stamceller till en organiserad grupp av celler - kallad en gastrula - med tre groddlager. Dessa kommer så småningom att ge upphov till alla de många celltyper, vävnader och organ som utgör ett helt (om än fortfarande mycket litet) mänskligt foster.

Det yttersta lagret, kallat ektoderm, ger upphov till hudceller och vävnader i nervsystemet. Mellanlagret, eller mesoderm, ger blodceller, bindväv, muskelceller och placentavävnad som håller fostret vid liv i livmodern. Det inre lagret, kallat endoderm, skapar tarmen, lungorna och urogenitalkanalen.

Tack vare pluripotens kan stamceller skilja sig och bli någon av dessa celltyper efter implantation. Dessa stamceller associerade med normal utveckling av embryon är en av tre typer av stamceller som används av forskare. Forskare kallar dem humana embryonala stamcellereller hESCs.

De embryonala stamcellerna som används av forskare kommer aldrig från traditionell befruktning i äggledarnas ägg. Istället skapar forskare dem i provrör med in vitro befruktning (IVF). Dessa embryonala stamceller hamnar i allmänhet i forskningslaboratorier efter att människor som använder IVF för att skapa familjer avslutar processen och donerar de extra frysta embryona till vetenskapen (snarare än att förstöra dem).

För forskare finns det vissa fördelar med att använda embryonala stamceller jämfört med andra typer av stamceller. Embryonala stamceller är ganska lätta att få fram och är enkla att odla i odling. Viktigast är att embryonala stamceller verkligen är tomma skiffer som kan ge upphov till i princip vilken typ av cell som helst vid stamcellsdifferentiering.

Precis som celler gör efter implantering i en levande livmoder, klumpar sig embryonala stamceller i laboratoriet naturligt samman embryoid kroppar och börja differentiera till specialiserade celler. Forskare som odlar embryonala stamceller i odling måste upprätthålla specifika förhållanden i odlingsmediet för att förhindra att detta händer.

Genom att låta stamcellerna sprida sig utan att differentiera skapar forskare embryonala stamcellinjer. Forskare kan sedan frysa dessa cellinjer och skicka ut dem till andra laboratorier för forskningsprojekt eller vidare odling. För att kvalificera sig som en cellinje måste de embryonala stamcellerna:

• Väx odifferentierad i cellodling i minst sex månader.
• Var pluripotent eller kan differentiera till vilken celltyp som helst.
• Har inga genetiska avvikelser.

När forskare är redo för att cellerna i en embryonal stamcellslinje blir specifika typer av celler, till exempel för en specifik forskningsprojekt förändrar de helt enkelt odlingsmediet eller injicerar specifika gener i stamcellen för att utlösa stamceller differentiering.

Det visar sig att många mogna vävnader i den fullt utvecklade människokroppen hänger på vissa odifferentierade celler under en regnig dag. Dessa vuxna stamceller - kallas ibland somatisk stamceller - aktivera när kroppen behöver nya celler. Detta händer för att ta hänsyn till normal cellomsättning och tillväxt och även för att reparera vävnad efter en skada eller sjukdom.

Forskare har hittat vuxna stamceller i en mängd olika organ och vävnader, såsom:

• Blodkärl.
• Benmärg.
• Hjärna.
• Mage.
• Hjärta.
• Lever.
• Äggstockar.
• Perifert blod.
• Skelettmuskel.
• Tänder.
• Testiklar.

Vuxna stamceller finns vanligtvis i specifika områden, kallade stamcellsnischer. Till skillnad från embryonala stamceller, som kan skilja sig åt i vilken celltyp som helst, är vuxen stamcellsdifferentiering begränsad och vävnadsspecifik. Detta innebär att vuxna stamceller typiskt differentierar till endast de celltyper som är associerade med vävnaden där de finns.

Till exempel blir vuxna stamceller i hjärnan bara nervceller eller icke-neuronala hjärnceller. Här är några andra välkända vuxna stamceller och deras specialiserade celltyper:

• Hematopoietiska stamceller finns i benmärgen och ger upphov till blodkroppar, inklusive röda blodkroppar och immunsystemceller.
• Mesenkymala stamceller finns i benmärg (och vissa andra vävnader) och ger upphov till benceller, broskceller, fettceller och stromaceller.
• Epitelstamceller finns djupt i tarmens foder och ger upphov till absorberande celler, bägare celler, enteroendokrin celler och Paneth celler.
• Hudstamceller finns i hudens baslager och ger upphov till keratinocyter som utgör ett skyddande lager på hudytan.

Forskare har i experiment observerat att vissa vuxna stamceller differentierades till specialiserade celler annan än den förväntade celltypen, som liknar den värdefulla pluripotensen hos embryonala stamceller. Men detta transdifferentiering är sällsynt och påverkar endast ett litet segment av stamceller när det inträffar. Forskare är osäkra på om det alls händer hos människor.

Vuxna stamceller har vissa nackdelar för forskare. De är sällsynta och svåra att odla i labbet. De har också gränser för hur mycket de kan dela upp och vilka typer av celler de kan bli. Emellertid har vuxna stamceller en tydlig fördel: De är troligen mindre benägna att utlösa immunavstötning eftersom de kunde skördas från en patients egen kropp.

År 2006 upptäckte forskare ytterligare en typ av stamceller: inducerade pluripotenta stamcellereller iPSC. Dessa är vuxna stamceller som forskare omprogrammerar för att fungera mer som embryonala stamceller. Det är dock ännu inte klart om det finns meningsfulla kliniska skillnader mellan inducerade pluripotenta stamceller och embryonala stamceller. Forskare använder redan iPSC för viktigt arbete, som läkemedelsutveckling och modellering av mänskliga sjukdomar för forskningsändamål.

Det finns tekniska hinder att övervinna innan forskare kan använda dessa inducerade pluripotenta stamceller för mer direkta applikationer. Förutom att bekräfta att dessa stamceller inte skiljer sig fundamentalt från embryonala stam celler måste forskare utveckla nya tekniker för att framställa inducerade pluripotenta stamceller i den första plats. Den nuvarande metoden använder virus som ett medel för omprogrammering, vilket har visat allvarliga biverkningar, såsom cancer, i djurstudier.

Förutom att screena nya läkemedel för läkemedelsindustrin och fungera som modeller för sjukdomar för forskningsprojekt, tror forskare att stamceller kan göra nya (och spännande) cellbaserade behandlingar möjlig. Detta innebär att laboratorier en dag kan odla nya organ och vävnader för människor som behöver transplantationer snarare än att förlita sig på organ- och vävnadsgivare.

Detta kan se ut som forskare som använder stamceller för att göra hjärtmuskelceller som de kan transplantera till personer med kronisk hjärtsjukdom. Aktuella djurstudier tyder på att stromala stamceller från benmärgen visar löfte för denna applikation, även om den exakta mekanismen fortfarande är oklar. Forskare är inte säkra på om stamcellerna ger upphov till nya hjärtmuskelceller eller blodkärlsceller - eller om de gör något annat helt.

Ett annat teoretiskt exempel är typ 1-diabetes. Forskare hoppas kunna differentiera mänskliga embryonala stamceller till cellerna som producerar insulin. Immunsystemet hos personer med diabetes stör dessa celler och förbjuder dem att göra sina jobb. Forskare undrar om de någon dag kunde differentiera stamceller till insulinproducerande celler och transplantera dem till patienter.

Förutom hjärtsjukdomar och diabetes är andra mänskliga sjukdomar och tillstånd som forskare tror att detta medicinska framsteg kan påverka är breda och inkluderar:

• Bränner.
• Makuladegeneration, som kan orsaka synförlust.
• Artros och reumatoid artrit.
• Ryggmärgsskada, som kan orsaka domningar, funktionsnedsättning eller förlamning.
• Stroke.

Naturligtvis kommer forskare att behärska varje steg i denna teoretiska process för att få dessa nya terapier till faktiska patienter. Detta betyder att de måste:

• Odla tillräckligt med stamceller för att fysiskt bygga vävnaden eller organet.
• Stimulera stamcellerna för att differentiera till rätt celltyp.
• Se till att de differentierade stamcellerna kan överleva inuti patientens kropp.
• Se till att de differentierade stamcellerna integreras ordentligt i mottagarvävnaderna inuti patientens kropp.
• Förvänta dig rimligen att den nya vävnaden eller det nya organet gör jobbet som det är byggt för under hela patientens liv.
• Se till att de nya cellerna inte skadar patienten, t.ex. cancer.

Enligt stamcellsdefinition verkar dessa steg uppnås med embryonala stamceller men kommer att kräva många års seriös forskning på flera fronter. Detta är anledningen till att stamcellsforskning är ett så aktivt område inom yrkesvetenskapen - och också varför det är mycket viktigt för många naturvetenskapslärare och studenter.

Medan det ultimata resultatet av stamcellsforskning fortfarande kan vara på vägen, ökar den allmänna förståelsen av stamcellsstruktur och hur stamcellsdifferentiering fungerar är ett utmärkt sätt att vara en del av detta framväxande vetenskap.