Pluripotencjalne i multipotencjalne komórki macierzyste
Czym są komórki macierzyste?
Komórki macierzyste mają unikalną zdolność do samoodnawiania lub różnicowania się w różne typy komórek w odpowiedzi na odpowiednie sygnały w organizmie. Właściwości te zapewniają komórkom macierzystym unikalne możliwości naprawy, wymiany i regeneracji tkanek. Ze względu na te właściwości, komórki macierzyste stały się cennym narzędziem badawczym dla medycyny regeneracyjnej i możliwych terapii komórkami macierzystymi.
Początki badań nad komórkami macierzystymi sięgają lat 60-tych XX wieku, kiedy to dr James Till i Ernest McCulloch odkryli hematopoetyczne komórki macierzyste w szpiku kostnym1. Poniżej znajduje się krótka historia badań nad komórkami macierzystymi.
Krótka historia badań nad komórkami macierzystymi
1968
Przeszczep szpiku kostnego między dwojgiem rodzeństwa
1981
Zarodkowe komórki macierzyste wyizolowane z blastocyst myszy (nagroda Nobla)
1992
Dorosłe komórki macierzyste zidentyfikowane w ludzkim mózgu
2001
Mysie embrionalne komórki macierzyste stworzone przy użyciu techniki transferu jądrowego
2006
Odkrycie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (nagroda Nobla)
2010
Leczenie urazów kręgosłupa z wykorzystaniem ludzkich embrionalnych komórek macierzystych
2014
Zarodkowe komórki macierzyste z dorosłych komórek macierzystych (wytwarzające insulinę komórki beta generowane z komórek skóry)
Rodzaje komórek macierzystych
Trzy ważne cechy komórek macierzystych są podstawą ich klasyfikacji:
- Komórki macierzyste mają nieograniczone możliwości samoodnowy.
- Komórki macierzyste są niezróżnicowanymi komórkami o niewyspecjalizowanych funkcjach
- Komórki macierzyste mogą różnicować się w określone typy komórek w odpowiednich warunkach.
Komórki macierzyste są szeroko scharakteryzowane jako multipotencjalne komórki macierzyste lub pluripotencjalne komórki macierzyste.
Multipotentne komórki macierzyste
Kategoria ta obejmuje dorosłe komórki macierzyste, które wykazują zdolność do samoodnawiania lub różnicowania się w wyspecjalizowane typy komórek obecne w określonej tkance lub narządzie. Przykłady obejmują krwiotwórcze komórki macierzyste które specjalizują się w różne komórki krwi, mezenchymalne komórki macierzyste które mogą dać początek osteoblastom, miocytom, chondrocytom i adipocytom2 oraz neuronalne komórki macierzyste które różnicują się w neurony, astrocyty i oligodendrocyty.
Kluczowe cechy multipotencjalnych komórek macierzystych:
- Występują w niewielkiej liczbie w wyspecjalizowanych tkankach
- Podstawową funkcją jest uzupełnianie uszkodzonych lub apoptotycznych komórek
- Pozostają w stanie spoczynku, dopóki nie odbiorą sygnałów do różnicowania się w określony typ komórek./li>
Rośnie liczba badań wykorzystujących multipotencjalne komórki macierzyste w inżynierii tkankowej, leczeniu białaczki i przeszczepach skóry dla ofiar poparzeń i ulepszeń kosmetycznych.
Pluripotentne komórki macierzyste
Pluripotentne komórki macierzyste są często określane jako prawdziwe komórki macierzyste, ponieważ mają zdolność różnicowania się w dowolny typ linii komórkowej. Są one klasyfikowane jako embrionalne komórki macierzyste, okołoporodowe komórki macierzyste i indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste w oparciu o tkankę pochodzenia.
Embrionalne komórki macierzyste (komórki ES)
Embrionalne komórki macierzyste to pluripotencjalne komórki macierzyste pochodzące z embrionów; z wewnętrznej masy komórkowej stadium blastocysty, w przybliżeniu po 5 dniu zapłodnienia. Komórki pobrane w pierwszych czterech rozszczepieniach zarodka są uważane za totipotencjalne. Komórki totipotencjalne mają dodatkową zdolność do różnicowania się w tkanki pozazarodkowe wraz z tkankami pochodzącymi z warstwy zarodkowej. ESC mają zdolność do dzielenia się w nieskończoność in vivo, w przeciwieństwie do dorosłych komórek macierzystych, które dzielą się tylko w przypadku uszkodzenia tkanki lub śmierci komórki. Mimo, że jest to bogate źródło komórek macierzystych o szerokim zastosowaniu, wykorzystanie embrionalnych komórek macierzystych wiąże się z wyzwaniami etycznymi. W przeszłości mysie embrionalne komórki macierzyste były cennym narzędziem do generowania transgenicznych modeli myszy typu knock-out.
Perinatalne komórki macierzyste (komórki macierzyste z krwi pępowinowej)
Perinatalne komórki macierzyste pochodzą z krwi pępowinowej i są najczęściej stosowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi. Wykorzystanie okołoporodowych komórek macierzystych wiąże się z mniejszymi problemami etycznymi niż w przypadku embrionalnych komórek macierzystych, ponieważ tkanki, z których są one izolowane, są w przeciwnym razie odrzucane3. Bankowanie krwi pępowinowej jest coraz częściej akceptowane jako opcja leczenia skomplikowanych zaburzeń w późniejszym okresie życia człowieka. Okołoporodowe komórki macierzyste wyizolowane z krwi pępowinowej i wykorzystane do przeszczepu przezwyciężają niezgodność antygenów HLA.
Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC)
Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) to dorosłe komórki sztucznie przeprogramowane tak, aby zachowywały się jak embrionalne komórki macierzyste. Zaletą indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych jest mniejsze ryzyko odrzucenia przeszczepu, ponieważ wykorzystują one komórki somatyczne pochodzące od tego samego osobnika. Popularne są dwie metody indukcji:
- Transfer jądrowy komórek somatycznych (SCNT): Jądro z zapłodnionej zygoty lub niezapłodnionej komórki jajowej jest zastępowane jądrem komórki somatycznej dawcy4.
- Reprogramowanie jądrowe: komórki somatyczne są przeprogramowywane za pomocą transfekcji określonego zestawu czynników transkrypcyjnych (Oct3/4, Sox2, Klf4 i c-Myc)5. Zaawansowane reprogramowanie jądrowe jest bardziej skuteczne niż SCNT i ma ważne implikacje terapeutyczne6.
Zastosowania badawcze komórek macierzystych
Zdolność do samoodnawiania i różnicowania się w dojrzałe typy komórek sprawia, że komórki macierzyste są atrakcyjnym celem badań podstawowych. Większość badań dotyczy identyfikacji czynników różnicowania, sygnałów genetycznych i środowiskowych, które istnieją w niszy komórek macierzystych8-9. Coraz większa liczba zastosowań klinicznych jest rozwijana w następujących obszarach:
Choroby neurologiczne
.Stwardnienie zanikowe boczne (ALS)
ALS jest postępującą chorobą nerwowo-mięśniową, charakteryzującą się utratą neuronów ruchowych w mózgu i rdzeniu kręgowym. Strategie leczenia jedynie łagodzą objawy. Badania mają na celu regenerację utraconych neuronów ruchowych w mózgu i rdzeniu kręgowym za pomocą komórek macierzystych szpiku kostnego i iPS. Eksperymenty z prenatalnymi komórkami macierzystymi i mezenchymalnymi komórkami macierzystymi znajdują się we wczesnej fazie badań klinicznych18.
Urazy rdzenia kręgowego
Poważne wypadki, upadki i wady wrodzone, takie jak rozszczep kręgosłupa, powodują poważne uszkodzenia rdzenia kręgowego. W kilku przypadkach dochodzi do przerwania wiązek włókien nerwowych, co prowadzi do paraliżu. Obecnie badania kliniczne mają na celu wykorzystanie dorosłych komórek macierzystych do regeneracji nowych komórek nerwowych i pobudzenia wzrostu przerwanych włókien nerwowych. Prowadzone są również badania nad przeszczepianiem komórek podporowych, które owijają nerwy osłonką mielinową. Wobec braku istniejących terapii, zastosowanie komórek macierzystych w celu poprawy funkcji nerwów ma kluczowe znaczenie19.
Choroby oczu
Urazy rogówki, siatkówki lub nerwu wzrokowego oraz stany chorobowe, takie jak związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej, jaskra i barwnikowe zapalenie siatkówki, powodują utratę wzroku. U zwierząt ze zwyrodnieniem plamki żółtej zaobserwowano poprawę wzroku po przeszczepieniu komórek nabłonka barwnikowego siatkówki pochodzących z embrionalnych komórek macierzystych, a komórki macierzyste siatkówki wykazały pozytywne wyniki w regeneracji ludzkiej tkanki rogówki20.
Gojenie ran
Konwencjonalne przeszczepy skóry nie są w stanie przywrócić pełnego składu skóry właściwej utraconej w wyniku urazów, zaburzeń genetycznych i oparzeń10. Przeszczepy skóry pochodzące z komórek macierzystych warstwy podstawnej zostały zatwierdzone do użytku klinicznego i są stosowane głównie w przypadku dużych oparzeń. Komórki macierzyste promują lepsze i szybsze gojenie się ran oparzeniowych i zmniejszają poziom stanu zapalnego przy mniejszym zwłóknieniu i progresji blizny11.
Choroby sercowo-naczyniowe
Większość zaburzeń sercowo-naczyniowych charakteryzuje się niedokrwieniem i uszkodzeniem mięśnia sercowego, co skutkuje arytmią, przerostem i zastoinową niewydolnością serca. Standardowe metody leczenia obejmują operacje naprawiające zablokowane tętnice, leki zmniejszające retencję płynów i zmiany stylu życia. Jednak żadna z nich nie jest w stanie zregenerować tkanki serca. Badane terapie komórkami macierzystymi mają na celu przywrócenie utraconej funkcji tkanki serca i naczyń krwionośnych12 i zmniejszenie klinicznych zdarzeń sercowych13.
Zaburzenia autoimmunologiczne
.Cukrzyca typu 1
Nadaktywność układu odpornościowego organizmu niszczy wytwarzające insulinę komórki beta trzustki u pacjentów z cukrzycą typu 1. Chociaż zastrzyki z insuliny są skuteczną metodą leczenia, nie zapewniają one stałej i odpowiedniej ilości insuliny wymaganej w ciągu dnia, co skutkuje niestabilnym poziomem glukozy we krwi. Komórki pochodzące z hematopoetycznych komórek macierzystych są obecnie badane w celu uzupełnienia komórek beta. Inne badanie polega na przeprogramowaniu komórek macierzystych plemników w komórki podobne do embrionalnych, które następnie różnicują się w komórki beta trzustki14.
Stwardnienie rozsiane
Stwardnienie rozsiane charakteryzuje się przewlekłymi chorobami zapalnymi mózgu lub rdzenia kręgowego wywołanymi przez własny układ odpornościowy organizmu. Głównie, osłonka mielinowa nerwów jest uszkodzona, co upośledza sygnały nerwowe. Nie ma lekarstwa na stwardnienie rozsiane; jednak leki są stosowane w leczeniu objawów. Komórki macierzyste szpiku kostnego i oligodendrocyty pochodzące z nerwowych komórek macierzystych są badane w celu regeneracji neuronów z osłonką mielinową. Ponadto prowadzone są również badania mające na celu zmniejszenie funkcji układu odpornościowego15-16.
Zapalenie stawów
Zapalenie stawów charakteryzuje się przewlekłym bólem, stanem zapalnym stawów i sztywnością. Istnieje wiele przyczyn etiologicznych; niektóre z nich obejmują niszczenie chrząstki przez układ odpornościowy. Obecne leki w znacznym stopniu zmniejszają ból i stan zapalny. Komórki macierzyste mają zdolność różnicowania się w chondrocyty, które tworzą chrząstkę. Trwają badania nad wytwarzaniem chondrocytów pochodzących od pacjentów do przeszczepów17.
Modelowanie chorób i badania przesiewowe leków
.Komórki macierzyste ewoluują jako odpowiednie modele do badania skuteczności leków, ponieważ zwalczają wady przekształconych systemów linii komórkowych i omijają wyzwania etyczne związane z wykorzystaniem modeli zwierzęcych21. Obecnie przemysł farmaceutyczny coraz bardziej koncentruje się na komórkach macierzystych do badań przesiewowych leków22 i tworzenia modeli komórkowych "choroba w naczyniu". Niektóre z tych zastosowań są następujące:
- Ludzkie embrionalne komórki macierzyste pochodzące z kardiomiocyty (hESC-CMs) zapewniają ludzki model do przewidywania toksyczności kardiologicznej, zmniejszając koszty opracowywania leków23.
- Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste pochodzące od pacjentów przypominają patogenne warunki in vitro i mogą zwiększyć wskaźnik sukcesu badań przesiewowych leków i przyspieszyć proces opracowywania leków24.
- Zróżnicowane komórki neuronalne są podobne pod względem genetycznym i zawartości biologicznej do ludzkich komórek mózgu w porównaniu do zwierzęcych modeli chorób. Te komórki neuronalne pochodzące z komórek macierzystych są wykorzystywane do testów żywotności komórek, odpowiedzi na wapń i wzrostu neurytów25-26.
Wyzwania w badaniach nad komórkami macierzystymi
Komórki macierzyste to rozwijający się obszar badań, który jest pełen wielu niewiadomych.
Odrzucenie immunologiczne
Głównym wyzwaniem związanym z przeszczepami komórek macierzystych jest odrzucenie przez układ odpornościowy biorcy. Aby uniknąć odrzucenia tkanki, pacjenci poddawani są leczeniu immunosupresyjnemu, które czyni ich podatnymi na infekcje mikrobiologiczne27.
Indukowanie komórek pluripotencjalnych bezpośrednio z komórek pacjenta w celu wytworzenia przeszczepu lub tkanki może w pewnym stopniu rozwiązać problem związany z odrzuceniem immunologicznym. Jednak niska częstotliwość indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych jest główną przeszkodą.
Zachowanie
Embryoniczne komórki macierzyste dzielą się w nieskończoność i mogą indukować wzrost guza. Komórki somatyczne mogą bezpośrednio przeprogramować się do wyspecjalizowanych komórek bez pośredniego stanu pluripotencjalnego. Podczas gdy indukowana pluripotencja komórek somatycznych może ominąć stan pluripotencjalny, ograniczony potencjał proliferacyjny i liniowy powstałych komórek ogranicza zakres28.
Bezpieczeństwo
Komórki macierzyste wykorzystywane w terapii komórkowej lub medycynie regeneracyjnej mogą być narażone na działanie drobnoustrojów, które ostatecznie mogą powodować choroby zakaźne28. Niezbędny wstępny test diagnostyczny musi zostać opracowany przed rozpoczęciem leczenia. Ponadto zachowanie zamierzonej aktywności biologicznej przed leczeniem ma kluczowe znaczenie dla powodzenia terapii. Należy opracować systematyczne protokoły izolacji, testowania i przeszczepiania komórek macierzystych, aby zapewnić bezpieczeństwo pacjentów.
Conclusion
Świadomość i zainteresowanie biologią komórek macierzystych znacznie wzrasta. W ciągu ostatniej dekady kilka badań koncentrowało się na zrozumieniu złożonej natury typów komórek macierzystych. Trwają badania nad poprawą skuteczności i migracji komórek macierzystych29 . Apoptoza zmodyfikowanych komórek macierzystych, po spełnieniu przez nie swojej roli, jest aktywnym obszarem badań30. Podczas gdy badania nad zastosowaniem komórek macierzystych w regeneracji tkanek, chorobach genetycznych i nowotworach rozwijają się, wciąż jest długa droga, zanim będziemy świadkami powszechnego wykorzystania komórek macierzystych w terapii. Nowo odkryte technologie edycji genów, takie jak CRISPR mogą posunąć naprzód badania nad komórkami macierzystymi i stanowić ogromną obietnicę w leczeniu wielu zaburzeń.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?