โครงสร้างของเซลล์ต้นกำเนิดคืออะไร?

ขณะที่คุณอ่านข้อความนี้ นักวิจัยทั่วโลกอยู่ที่ห้องแล็บของพวกเขา เพื่อหาคำตอบว่าสักวันหนึ่งจะสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะใหม่จากเซลล์เดียวได้อย่างไร ถ้าคุณคิดว่ามันฟังดูเหมือนอะไรบางอย่างในหนังนิยายวิทยาศาสตร์ คุณไม่ได้อยู่คนเดียว ทว่าการวิจัยนี้สามารถทำให้เกิดความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่เปลี่ยนแปลงวิธีที่แพทย์รักษาโรคต่างๆ ของมนุษย์ในโลกแห่งความเป็นจริง

เป้าหมายสูงสุดของการวิจัยนี้อาจกว้าง แต่หัวเรื่องการวิจัยมีขนาดเล็กมากจนคุณไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า วิชาคือ เซลล์ต้นกำเนิด. ด้วยลักษณะเฉพาะ เซลล์ที่น่าทึ่งเหล่านี้จึงมีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแปลงอนาคตของวิทยาศาสตร์และการแพทย์
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียของการวิจัยสเต็มเซลล์

คุณรู้ไหมว่าการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศต้องการเซลล์อสุจิและเซลล์ไข่มารวมกันและก่อตัวเป็น form ตัวอ่อน ผ่านการปฏิสนธิ เซลล์ยูคาริโอตเซลล์เดียวนี้มีข้อมูลทางพันธุกรรมที่สมบูรณ์และมีศักยภาพที่จะแบ่งออกเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่ซับซ้อนเช่นตัวคุณเอง

แต่คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าเซลล์เดียวนั้นสามารถแบ่งออกเป็นเซลล์หลายล้านล้านเซลล์ในร่างกายมนุษย์ได้อย่างไร? และเพียงเซลล์เดียวจะทำให้เกิดเซลล์หลายประเภทได้อย่างไร - ทั้งเซลล์ผิวหนังและเซลล์สมองเป็นต้น?

เมื่อไซโกตเริ่มแบ่งตัว (ก่อนที่จะฝังตัวในมดลูก) เซลล์ที่ได้คือสเต็มเซลล์ นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าเซลล์ที่ยืดหยุ่นเหล่านี้เป็นทั้งสองอย่าง เจริญงอกงาม และ pluripotent. ซึ่งหมายความว่าเซลล์สามารถแบ่งตัวได้อย่างง่ายดายเพื่อผลิตเซลล์จำนวนมากขึ้น และสามารถพัฒนาเป็นเซลล์พิเศษชนิดใดก็ได้ผ่านสเต็มเซลล์ ความแตกต่าง.
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำอธิบายของความเชี่ยวชาญพิเศษของเซลล์

เมื่อมองแวบแรก ส่วนของสเต็มเซลล์อาจดูไม่ค่อยพิเศษบนพื้นผิว เช่นเดียวกับเซลล์อื่นๆ ในร่างกายมนุษย์ สเต็มเซลล์ล้วนมีโครงสร้างร่วมกันไม่กี่อย่าง ซึ่งรวมถึง:

• อา เยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นไลปิดไบเลเยอร์ที่อยู่รอบๆ เซลล์ที่ปล่อยให้สารบางชนิดเข้าสู่เซลล์และกันไม่ให้สารอื่นๆ ออกมา
  
• ไซโตพลาสซึมซึ่งเป็นน้ำซุปเหลวภายในเซลล์
  
• อา นิวเคลียสซึ่งมีข้อมูลทางพันธุกรรมของเซลล์ทั้งหมดที่จัดเก็บเป็น DNA

ระหว่างการปฏิสนธิในท่อนำไข่กับการฝังตัวในมดลูก ตัวอ่อนจะเปลี่ยนจากแผ่นเซลล์ต้นกำเนิดอย่างง่ายไปเป็นกลุ่มเซลล์ที่เป็นระเบียบเรียกว่า กระเพาะ – มีสาม ชั้นเชื้อโรค. สิ่งเหล่านี้จะก่อให้เกิดเซลล์ เนื้อเยื่อ และอวัยวะต่างๆ มากมายที่ประกอบด้วยทารกในครรภ์ของมนุษย์ทั้งหมด (ถึงแม้จะยังเล็กมากก็ตาม)

ชั้นนอกสุดเรียกว่า ectodermก่อให้เกิดเซลล์ผิวหนังและเนื้อเยื่อของระบบประสาท ชั้นกลางหรือ เมโสเดิร์มให้เซลล์เม็ดเลือด เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน เซลล์กล้ามเนื้อ และเนื้อเยื่อรกที่ช่วยให้ทารกในครรภ์มีชีวิต ในมดลูก. ชั้นในเรียกว่า เอนโดเดิร์มสร้างเยื่อบุลำไส้ ปอด และทางเดินปัสสาวะ

ขอบคุณ pluripotency เซลล์ต้นกำเนิดสามารถแยกความแตกต่างและกลายเป็นเซลล์ประเภทใดก็ได้หลังจากการฝัง เซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการพัฒนาตามปกติของตัวอ่อนเป็นหนึ่งในสามประเภทของเซลล์ต้นกำเนิดที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ นักวิจัยเรียกพวกเขาว่า เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนของมนุษย์หรือ hESC

เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ไม่เคยเกิดขึ้นจากการปฏิสนธิแบบดั้งเดิมภายในท่อนำไข่ของมนุษย์จริงๆ นักวิทยาศาสตร์สร้างพวกมันในหลอดทดลองโดยใช้ ในหลอดทดลอง การปฏิสนธิ (IVF) เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนเหล่านี้มักจะจบลงในห้องปฏิบัติการวิจัยหลังจากที่ผู้คนใช้ IVF เพื่อสร้างครอบครัวเสร็จสิ้นกระบวนการและบริจาคตัวอ่อนแช่แข็งพิเศษให้กับวิทยาศาสตร์ (แทนที่จะทำลายพวกมัน)

สำหรับนักวิจัย การใช้เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนมีประโยชน์บางประการเมื่อเทียบกับเซลล์ต้นกำเนิดชนิดอื่น เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนนั้นค่อนข้างง่ายที่จะได้มาและง่ายต่อการเติบโตในการเพาะเลี้ยง สิ่งสำคัญที่สุดคือ สเต็มเซลล์จากตัวอ่อนเป็นแผ่นเปล่าที่สามารถก่อให้เกิดเซลล์ชนิดใดก็ได้ตามความแตกต่างของสเต็มเซลล์

เช่นเดียวกับที่เซลล์ทำหลังจากการฝังในมดลูกที่มีชีวิต เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนในห้องแล็บจะรวมตัวกันตามธรรมชาติ ตัวอ่อน และเริ่มแยกออกเป็นเซลล์เฉพาะ นักวิทยาศาสตร์ที่ปลูกเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนในวัฒนธรรมต้องรักษาสภาวะเฉพาะในตัวกลางที่กำลังเติบโตเพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้น

โดยปล่อยให้เซลล์ต้นกำเนิดขยายพันธุ์โดยไม่สร้างความแตกต่าง นักวิทยาศาสตร์จึงสร้าง เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน. นักวิทยาศาสตร์สามารถตรึงเซลล์เหล่านี้และส่งไปยังห้องปฏิบัติการอื่นเพื่อทำโครงการวิจัยหรือเพาะเลี้ยงต่อไป เพื่อให้มีคุณสมบัติเป็นเซลล์ เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนต้อง:

• เติบโตอย่างไม่แตกต่างในการเพาะเลี้ยงเซลล์เป็นเวลาอย่างน้อยหกเดือน
• เป็น pluripotent หรือสามารถแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์ประเภทใดก็ได้
• ไม่มีความผิดปกติทางพันธุกรรม

เมื่อนักวิจัยพร้อมให้เซลล์ในเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนกลายเป็นเซลล์ชนิดเฉพาะ เช่น เซลล์เฉพาะ โครงการวิจัย พวกเขาเพียงเปลี่ยนอาหารเลี้ยงเชื้อหรือฉีดยีนเฉพาะเข้าไปในเซลล์ต้นกำเนิดเพื่อกระตุ้นเซลล์ต้นกำเนิด ความแตกต่าง

ปรากฎว่าเนื้อเยื่อที่โตเต็มที่จำนวนมากในร่างกายมนุษย์ที่พัฒนาเต็มที่นั้นแขวนอยู่บนเซลล์ที่ไม่แตกต่างกันในวันที่ฝนตก เหล่านี้ เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวเต็มวัย – บางครั้งเรียกว่า ร่างกาย สเต็มเซลล์ – กระตุ้นเมื่อร่างกายต้องการเซลล์ใหม่ สิ่งนี้เกิดขึ้นเพื่ออธิบายการหมุนเวียนและการเจริญเติบโตของเซลล์ตามปกติ และเพื่อซ่อมแซมเนื้อเยื่อหลังการบาดเจ็บหรือโรคต่างๆ

นักวิทยาศาสตร์พบเซลล์ต้นกำเนิดจากร่างกายในอวัยวะและเนื้อเยื่อที่หลากหลาย เช่น

• หลอดเลือด.
• ไขกระดูก.
• สมอง.
• ไส้.
• หัวใจ.
• ตับ.
• รังไข่
• เลือดรอบนอก.
• กล้ามเนื้อลาย.
• ฟัน.
• อัณฑะ

เซลล์ต้นกำเนิดจากร่างกายมักพบในพื้นที่เฉพาะที่เรียกว่า ช่องสเต็มเซลล์. แตกต่างจากเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนซึ่งสามารถแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์ชนิดใดก็ได้ ความแตกต่างของเซลล์ต้นกำเนิดจากร่างกายมีจำกัดและมีความเฉพาะเจาะจงของเนื้อเยื่อ ซึ่งหมายความว่าเซลล์ต้นกำเนิดจากวัยผู้ใหญ่มักจะแยกความแตกต่างออกเป็นประเภทเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับเนื้อเยื่อที่พวกมันอาศัยอยู่เท่านั้น

ตัวอย่างเช่น สเต็มเซลล์ของผู้ใหญ่ในสมองจะกลายเป็นเซลล์ประสาทหรือเซลล์สมองที่ไม่ใช่เซลล์ประสาทเท่านั้น ต่อไปนี้คือเซลล์ต้นกำเนิดจากร่างกายที่เป็นที่รู้จักอื่นๆ และประเภทเซลล์เฉพาะของพวกมัน:

• เซลล์ต้นกำเนิดเม็ดเลือด พบในไขกระดูกและก่อให้เกิดเซลล์เม็ดเลือด รวมทั้งเซลล์เม็ดเลือดแดงและเซลล์ระบบภูมิคุ้มกัน
• เซลล์ต้นกำเนิดมีเซนไคมอล พบในไขกระดูก (และเนื้อเยื่ออื่นๆ บางส่วน) และก่อให้เกิดเซลล์กระดูก เซลล์กระดูกอ่อน เซลล์ไขมัน และเซลล์สโตรมอล
• เซลล์ต้นกำเนิดเยื่อบุผิว จะพบอยู่ลึกเข้าไปในเยื่อบุของลำไส้และก่อให้เกิด ดูดซึม เซลล์, กุณโฑ เซลล์, ต่อมไร้ท่อ เซลล์และ ปาเนท เซลล์.
• สเต็มเซลล์ผิว พบในชั้นฐานของผิวหนังและก่อให้เกิด keratinocytes ที่สร้างชั้นป้องกันบนผิวของผิวหนัง

นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นในการทดลองว่าสเต็มเซลล์ของผู้ใหญ่บางตัวแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์พิเศษ นอกเหนือจากชนิดเซลล์ที่คาดไว้ซึ่งคล้ายกับเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนที่มีค่า pluripotency อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ การเปลี่ยนผ่าน พบได้น้อยและมีผลเฉพาะส่วนเล็กๆ ของเซลล์ต้นกำเนิดเมื่อเกิดขึ้น นักวิจัยไม่แน่ใจว่ามันเกิดขึ้นในมนุษย์หรือไม่

เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวเต็มวัยมีข้อเสียบางประการสำหรับนักวิทยาศาสตร์ พวกมันหายากและเติบโตได้ยากในห้องแล็บ พวกเขายังมีข้อ จำกัด ว่าสามารถแบ่งได้เท่าไหร่และเซลล์ประเภทใดที่สามารถเป็นได้ อย่างไรก็ตาม สเต็มเซลล์จากวัยผู้ใหญ่มีข้อดีอย่างหนึ่งที่แตกต่างกัน: พวกมันมีแนวโน้มที่จะกระตุ้นน้อยกว่า ภูมิคุ้มกันปฏิเสธ เนื่องจากสามารถเก็บเกี่ยวได้จากร่างกายของผู้ป่วยเอง

ในปี 2549 นักวิจัยค้นพบสเต็มเซลล์อีกประเภทหนึ่ง: กระตุ้นเซลล์ต้นกำเนิด pluripotentหรือ iPSC เหล่านี้คือเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวเต็มวัยที่นักวิทยาศาสตร์ตั้งโปรแกรมใหม่ให้ทำหน้าที่เหมือนเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่ามีความแตกต่างทางคลินิกที่มีความหมายระหว่างเซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนต์ที่ถูกเหนี่ยวนำและสเต็มเซลล์จากตัวอ่อนหรือไม่ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ iPSC สำหรับงานที่สำคัญอยู่แล้ว เช่น การพัฒนายาและการสร้างแบบจำลองโรคของมนุษย์เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัย

มีอุปสรรคทางเทคนิคที่ต้องเอาชนะก่อนที่นักวิจัยจะสามารถใช้เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent ที่เหนี่ยวนำเหล่านี้เพื่อการใช้งานโดยตรงมากขึ้น นอกจากเป็นการยืนยันว่าสเต็มเซลล์เหล่านี้ไม่ได้แตกต่างจากต้นกำเนิดจากตัวอ่อนโดยพื้นฐานแล้ว เซลล์ นักวิจัยต้องคิดค้นเทคนิคใหม่ในการสร้างเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent ในครั้งแรก สถานที่. วิธีการปัจจุบันใช้ไวรัสเป็นเครื่องมือในการตั้งโปรแกรมใหม่ ซึ่งได้แสดงผลข้างเคียงที่ร้ายแรง เช่น มะเร็ง ในการศึกษาในสัตว์ทดลอง

นอกเหนือจากการคัดกรองยาใหม่สำหรับอุตสาหกรรมยาและทำหน้าที่เป็นต้นแบบของโรคสำหรับโครงการวิจัย นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสเต็มเซลล์อาจสร้างสิ่งใหม่ (และน่าตื่นเต้น) การรักษาแบบเซลล์ เป็นไปได้ ซึ่งหมายความว่าสักวันหนึ่งห้องปฏิบัติการอาจสร้างอวัยวะและเนื้อเยื่อใหม่สำหรับผู้ที่ต้องการการปลูกถ่ายแทนที่จะพึ่งพาผู้บริจาคอวัยวะและเนื้อเยื่อ

นี่อาจดูเหมือนนักวิทยาศาสตร์ที่ใช้สเต็มเซลล์เพื่อสร้างเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ ซึ่งสามารถปลูกถ่ายในผู้ป่วยโรคหัวใจเรื้อรังได้ การศึกษาในสัตว์ทดลองในปัจจุบันแนะนำว่าสเต็มเซลล์ stromal จากไขกระดูกแสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาสำหรับการประยุกต์ใช้นี้ แม้ว่ากลไกที่แม่นยำยังไม่ชัดเจน นักวิทยาศาสตร์ไม่แน่ใจว่าสเต็มเซลล์ทำให้เกิดเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจหรือเซลล์หลอดเลือดใหม่หรือไม่ หรือทำอย่างอื่นทั้งหมด

อีกตัวอย่างทางทฤษฎีคือโรคเบาหวานประเภท 1 นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะแยกเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนของมนุษย์ออกเป็นเซลล์ที่ผลิตอินซูลิน ระบบภูมิคุ้มกันของผู้ป่วยโรคเบาหวานขัดขวางเซลล์เหล่านี้และห้ามไม่ให้ทำงาน นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าสักวันหนึ่งพวกเขาสามารถแยกเซลล์ต้นกำเนิดออกเป็นเซลล์ที่ผลิตอินซูลินและปลูกถ่ายให้กับผู้ป่วยได้หรือไม่

นอกจากโรคหัวใจและโรคเบาหวานแล้ว โรคและเงื่อนไขอื่นๆ ของมนุษย์ที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าความก้าวหน้าทางการแพทย์นี้อาจส่งผลกระทบในวงกว้างและรวมถึง:

• เบิร์นส์
• จอประสาทตาเสื่อมซึ่งอาจทำให้สูญเสียการมองเห็น
• โรคข้อเข่าเสื่อมและข้ออักเสบรูมาตอยด์
• อาการบาดเจ็บที่ไขสันหลัง ซึ่งอาจทำให้ชา สูญเสียการทำงาน หรือเป็นอัมพาตได้
• โรคหลอดเลือดสมอง

แน่นอนว่าการนำการบำบัดแบบใหม่เหล่านี้มาสู่ผู้ป่วยจริงนั้น นักวิทยาศาสตร์จะต้องเชี่ยวชาญทุกขั้นตอนของกระบวนการทางทฤษฎีนี้ ซึ่งหมายความว่าพวกเขาต้อง:

• ปลูกสเต็มเซลล์ให้เพียงพอเพื่อสร้างเนื้อเยื่อหรืออวัยวะในร่างกาย
• กระตุ้นเซลล์ต้นกำเนิดให้แยกประเภทเป็นเซลล์ที่ถูกต้อง
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเซลล์ต้นกำเนิดที่แตกต่างกันสามารถอยู่รอดได้ภายในร่างกายของผู้ป่วย
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเซลล์ต้นกำเนิดที่แตกต่างกันนั้นรวมเข้ากับเนื้อเยื่อของผู้รับภายในร่างกายของผู้ป่วยอย่างเหมาะสม
• คาดหวังอย่างสมเหตุสมผลว่าเนื้อเยื่อหรืออวัยวะใหม่จะทำงานที่ร่างกายสร้างขึ้นมาตลอดชีวิตของผู้ป่วย
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเซลล์ใหม่ไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อผู้ป่วย เช่น มะเร็ง

ตามคำจำกัดความของสเต็มเซลล์ ขั้นตอนเหล่านี้ดูเหมือนทำได้โดยใช้เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน แต่จะต้องใช้เวลาหลายปีของการวิจัยอย่างจริงจังในหลายด้าน นี่คือเหตุผลที่การวิจัยสเต็มเซลล์เป็นสาขาวิชาที่กระตือรือร้นในสายอาชีพ – และยังเป็นเหตุผลอันดับต้นๆ ของครูและนักศึกษาด้านวิทยาศาสตร์หลายคน

แม้ว่าผลลัพธ์สุดท้ายของการวิจัยสเต็มเซลล์อาจยังคงอยู่ แต่เพิ่มความเข้าใจทั่วไป ของโครงสร้างสเต็มเซลล์และการทำงานของเซลล์ต้นกำเนิดที่แตกต่างกันเป็นวิธีที่ดีในการเป็นส่วนหนึ่งของการเกิดขึ้นใหม่นี้ วิทยาศาสตร์.