Яка будова стовбурових клітин?

Читаючи це, дослідники по всій земній кулі перебувають біля своїх лабораторних лавок, з’ясовуючи, як одного разу виростити нові тканини та органи з одиничних клітин. Якщо ви думаєте, що це звучить як щось із науково-фантастичного фільму, ви не самотні. Проте це дослідження може дати науковий прорив, який змінить спосіб лікування медичних працівників у широкому діапазоні захворювань людини в реальному світі.

Кінцеві цілі цього дослідження можуть бути широкими, але предмет дослідження настільки безмежно малий, що ви навіть не можете побачити його неозброєним оком. Тема є стовбурові клітини. Завдяки своїм унікальним характеристикам ці дивовижні клітини можуть змінити майбутнє науки та медицини.
Докладніше про переваги та недоліки дослідження стовбурових клітин.

Ви знаєте, що для статевого розмноження сперматозоїд і клітина яйцеклітини об’єднуються і утворюють зигота шляхом запліднення. Ця єдина еукаріотична клітина містить повний набір генетичної інформації і може поділитися на складний багатоклітинний організм, такий як ви.

Але чи замислювались ви коли-небудь про те, як ця одна клітина могла поділитися на трильйони та трильйони клітин людського тіла? І як лише одна клітина може породити стільки різних типів клітин - як клітини шкіри, так і клітини мозку?

Коли зигота починає ділитися (до того, як імплантується в матку), отримані клітини фактично є стовбуровими клітинами. Вчені кажуть, що ці гнучкі клітини є обома проліферативний і плюрипотентний. Це означає, що клітини легко діляться, виробляючи багато-багато інших клітин - і вони можуть перерости в будь-який тип спеціалізованих клітин через стовбурові клітини диференціація.
Докладніше про пояснення клітинної спеціалізації.

На перший погляд, частини стовбурової клітини здаються не такими особливими на поверхні. Як і всі клітини людського тіла, всі стовбурові клітини мають кілька спільних структур. До них належать:

• A клітинна мембрана, який являє собою ліпідний бішар, що оточує клітину, який пропускає деякі матеріали в клітину, а інші не дає.
  
• Цитоплазма, який є рідким бульйоном всередині клітини.
  
• A ядро, який містить всю генетичну інформацію клітини, що зберігається як ДНК.

Між заплідненням в маткових трубах та імплантацією в матку ембріон зміниться із простого аркуша стовбурових клітин на організовану групу клітин - гаструла - з трьома зародкові шари. Зрештою вони дадуть початок усім безлічі типів клітин, тканин та органів, що складають цілий (хоча і все ще дуже малий) людський плід.

Найбільш зовнішній шар, званий ектодерма, дає початок клітинам шкіри та тканинам нервової системи. Середній шар, або мезодерма, дає клітини крові, сполучну тканину, м’язові клітини та плацентарну тканину, яка підтримує плід у житті внутрішньоутробно. Внутрішній шар, званий ентодерма, створює оболонки кишечника, легенів та сечостатевих шляхів.

Завдяки плюрипотентності стовбурові клітини можуть диференціюватися та перетворюватися на будь-який із цих типів клітин після імплантації. Ці стовбурові клітини, пов’язані з нормальним розвитком ембріонів, є одним із трьох типів стовбурових клітин, що використовуються вченими. Їх називають дослідники ембріональні стовбурові клітини людини, або hESC.

Ембріональні стовбурові клітини, які використовуються вченими, ніколи не походять від традиційного запліднення всередині маткових труб справжньої людини. Натомість вчені створюють їх у пробірках за допомогою в пробірці запліднення (ЕКО). Ці ембріональні стовбурові клітини, як правило, потрапляють у дослідницькі лабораторії після того, як люди, які використовують ЕКО для створення сімей, закінчують процес і дарують зайві заморожені ембріони науці (а не знищують їх).

Для дослідників є певні переваги від використання ембріональних стовбурових клітин порівняно з іншими типами стовбурових клітин. Ембріональні стовбурові клітини досить легко отримати, і їх просто вирощувати в культурі. Найголовніше, що ембріональні стовбурові клітини - це справді порожні сланці, які можуть диференціювати стовбурові клітини практично будь-якого типу.

Так само, як це роблять клітини після імплантації в живу матку, ембріональні стовбурові клітини в лабораторії, природно, злипаються ембріоїдні тіла і починають диференціюватися в спеціалізовані клітини. Вчені, які вирощують ембріональні стовбурові клітини в культурі, повинні підтримувати специфічні умови в середовищі росту, щоб цього не відбувалося.

Дозволяючи стовбуровим клітинам розмножуватися без диференціації, вчені створюють лінії стовбурових клітин ембріона. Потім вчені можуть заморозити ці клітинні лінії і відправити їх в інші лабораторії для дослідницьких проектів або подальшого культивування. Щоб кваліфікуватися як клітинна лінія, ембріональні стовбурові клітини повинні:

• Вирощувати недиференційовано в культурі клітин щонайменше півроку.
• Бути плюрипотентним або здатним диференціюватися в будь-який тип клітин.
• Не мають генетичних відхилень.

Коли дослідники готові до того, що клітини в ембріональній лінії стовбурових клітин стануть певними типами клітин, наприклад, для певних Дослідницький проект, вони просто змінюють живильне середовище або вводять конкретні гени в стовбурову клітину, щоб викликати стовбурові клітини диференціація.

Виявляється, багато зрілих тканин у повністю розвиненому людському тілі тримаються на деяких недиференційованих клітинах на чорний день. Ці дорослі стовбурові клітини - іноді називають соматичний стовбурові клітини - активуються, коли організму потрібні нові клітини. Це відбувається для того, щоб врахувати нормальний оборот і ріст клітин, а також відновити тканини після травми або захворювання.

Вчені виявили дорослі стовбурові клітини в самих різних органах і тканинах, таких як:

• Кровоносні судини.
• Кістковий мозок.
• Мозок.
• Кишечник.
• Серце.
• Печінка.
• Яєчники.
• Периферична кров.
• Скелетні м’язи.
• Зуби.
• Яєчка.

Дорослі стовбурові клітини, як правило, знаходяться в певних районах, т.зв. ніші стовбурових клітин. На відміну від ембріональних стовбурових клітин, які взагалі можуть диференціюватися у будь-який тип клітин, диференціація дорослих стовбурових клітин обмежена і специфічна для тканини. Це означає, що дорослі стовбурові клітини, як правило, диференціюються лише на типи клітин, пов’язані з тканиною, в якій вони мешкають.

Наприклад, дорослі стовбурові клітини мозку стануть лише нервовими клітинами або ненейронними клітинами мозку. Ось деякі інші добре відомі стовбурові клітини дорослих та їх спеціалізовані типи клітин:

• Кровотворні стовбурові клітини містяться в кістковому мозку і дають початок клітинам крові, включаючи еритроцити та клітини імунної системи.
• Мезенхімальні стовбурові клітини знаходяться в кістковому мозку (та деяких інших тканинах) і дають початок кістковим клітинам, клітинам хряща, жировим клітинам та клітинам строми.
• Епітеліальні стовбурові клітини виявляються глибоко в оболонці кишечника і дають початок поглинальний клітини, келих клітини, ентероендокринний клітини і Панет клітин.
• Штамбові клітини шкіри знаходяться в базальному шарі шкіри і дають початок кератиноцити які роблять захисний шар на поверхні шкіри.

Вчені спостерігали в експериментах, що деякі дорослі стовбурові клітини диференціюються у спеціалізовані клітини крім очікуваного типу клітин, що схоже на цінну плюрипотентність ембріональних стовбурових клітин. Однак це трансдиференціація зустрічається рідко і вражає невеликий сегмент стовбурових клітин лише тоді, коли це відбувається. Дослідники не впевнені, чи трапляється це взагалі у людей.

Дорослі стовбурові клітини мають деякі недоліки для вчених. Їх рідко і важко вирощувати в лабораторії. Вони також мають обмеження щодо того, скільки вони можуть ділитися і якими типами клітин вони можуть стати. Однак у дорослих стовбурових клітин є одна очевидна перевага: вони, ймовірно, рідше спрацьовують відторгнення імунітету оскільки їх можна збирати з власного тіла пацієнта.

У 2006 році дослідники виявили ще один тип стовбурових клітин: індуковані плюрипотентні стовбурові клітини, або iPSC. Це дорослі стовбурові клітини, які вчені перепрограмують, щоб діяти більше як ембріональні стовбурові клітини. Однак поки незрозуміло, чи існують суттєві клінічні відмінності між індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами та ембріональними стовбуровими клітинами. Вчені вже використовують iPSC для важливих робіт, таких як розробка ліків та моделювання захворювань людини для дослідницьких цілей.

Є технічні перешкоди, які слід подолати, перш ніж дослідники зможуть використовувати ці індуковані плюрипотентні стовбурові клітини для більш безпосереднього застосування. На додаток до підтвердження того, що ці стовбурові клітини принципово не відрізняються від ембріональних стовбурів клітин, дослідники повинні розробити нові методи для створення індукованих плюрипотентних стовбурових клітин у першій місце. Сучасний метод використовує віруси як засіб перепрограмування, що показало серйозні побічні ефекти, такі як рак, у дослідженнях на тваринах.

Окрім скринінгу нових препаратів для фармацевтичної промисловості та слугуючих моделями захворювань для наукових проектів, вчені вважають, що стовбурові клітини можуть створити нові лікування на основі клітин можливо. Це означає, що коли-небудь лабораторії можуть виростити нові органи та тканини для людей, які потребують трансплантації, а не покладатися на донорів органів і тканин.

Це може виглядати так, як вчені використовують стовбурові клітини для створення клітин серцевого м’яза, які вони можуть пересадити людям із хронічними захворюваннями серця. Сучасні дослідження на тваринах показують, що стромальні стовбурові клітини кісткового мозку є перспективними для цього застосування, хоча точний механізм досі незрозумілий. Вчені не впевнені, чи створюють стовбурові клітини нові клітини серцевого м’яза або клітини судин - чи взагалі роблять щось інше.

Інший теоретичний приклад - діабет 1 типу. Вчені сподіваються диференціювати людські ембріональні стовбурові клітини на клітини, що виробляють інсулін. Імунна система хворих на діабет порушує роботу цих клітин і забороняє їм виконувати свою роботу. Вчені задаються питанням, чи змогли б вони одного разу диференціювати стовбурові клітини на клітини, що виробляють інсулін, і пересадити їх пацієнтам.

На додаток до серцевих захворювань та діабету, інші захворювання та стани людини вчені вважають, що цей медичний прогрес може вплинути, є широким і включає:

• Опіки.
• Дегенерація жовтої плями, яка може спричинити втрату зору.
• Артроз та ревматоїдний артрит.
• Травма спинного мозку, яка може спричинити оніміння, втрату функції або параліч.
• Інсульт.

Звичайно, доведення цих нових методів лікування до реальних пацієнтів вимагатиме від вчених оволодіння кожним кроком цього теоретичного процесу. Це означає, що їм потрібно:

• Виростіть достатньо стовбурових клітин для фізичного побудови тканини або органу.
• Стимулюйте стовбурові клітини для диференціації на правильний тип клітин.
• Переконайтесь, що диференційовані стовбурові клітини можуть вижити всередині тіла пацієнта.
• Переконайтесь, що диференційовані стовбурові клітини належним чином інтегруються в тканини реципієнта всередині тіла пацієнта.
• Розумно очікуйте, що нова тканина або орган виконуватиме роботу, для якої побудований, протягом усього життя пацієнта.
• Переконайтесь, що нові клітини не завдають побічної шкоди пацієнту, наприклад раку.

За визначенням стовбурових клітин ці кроки здаються досяжними з використанням ембріональних стовбурових клітин, але вимагатимуть багатьох років серйозних досліджень на багатьох фронтах. Ось чому дослідження стовбурових клітин є такою активною галуззю в професійних науках - а також тому, що є головним завданням багатьох викладачів та студентів природничих наук.

Хоча кінцевий результат досліджень стовбурових клітин все ще може бути невдалим, збільшуючи загальне розуміння про структуру стовбурових клітин і про те, як працює диференціація стовбурових клітин, - чудовий спосіб бути частиною цього, що з’являється наук.