Get Adobe Flash player

 

 

Start Aktualności

Co to są komórki macierzyste i dlaczego są tak ważne?

 

Komórki macierzyste mają niezwykły potencjał do stworzenia wielu różnych typów komórek
w organizmie w okresie wczesnego życia i wzrostu. Ponadto, w wielu tkankach służą jako rodzaj wewnętrznego systemu naprawy, dzieląc się zasadniczo bez limitu w celu uzupełnienia innych komórek, o ile osoba lub zwierzę nadal żyje. Kiedy komórka macierzysta się dzieli, każda nowa komórka ma potencjał by pozostać komórką macierzystą lub stać się innym typem komórek o bardziej wyspecjalizowanych funkcjach i przekształcić się – zróżnicować w komórki mięśni, krwinek czerwonych lub komórki mózgu.

 

 

 

 

 

Komórki macierzyste różnią się od innych typów komórek dzięki dwóm ważnym cechom.

Po pierwsze są zdolne do odnowienia się przez podział komórki, czasem po długim okresie braku aktywności. Po drugie, w pewnych warunkach eksperymentalnych lub fizjologicznych, w razie konieczności i zapotrzebowania organizmu lub danego narządu mogą przekształcać się w aktualnie potrzebne komórki o wyspecjalizowanych funkcjach w określonej tkance lub narządzie. W niektórych narządach m.in. w szpiku kostnym, przewodzie pokarmowym, komórki macierzyste regularnie dzielą się w celu naprawy i wymiany zużytych lub uszkodzonych komórek tkanek. W innych narządach – trzustce oraz sercu, komórki macierzyste mogą jedynie tylko podzielić się na specjalnych warunkach.

Komórki macierzyste w wyniku podziałów mają możliwość:

I. odnawiać stałą pulę komórek macierzystych i prekursorowych w warunkach homeostazy tkanki lub narządu (podział asymetryczny),

II./III. wydatnie zwiększać populację komórek macierzystych (podział symetryczny) m.in. gdy zachodzi konieczność zainicjowania procesów regeneracyjno naprawczych lub pula komórek macierzystych jest niewystarczająca.

Do niedawna naukowcy pracowali głównie z dwoma rodzajami komórek macierzystych od zwierząt
i ludzi: zarodkowymi komórkami macierzystymi oraz „somatycznymi” lub „dorosłymi” komórkami macierzystymi. Funkcje i cechy charakterystyczne tych komórek zostaną wyjaśnione w niniejszym dokumencie. Naukowcy odkryli sposób pozyskiwania zarodkowych komórek macierzystych
z wczesnych embrionów myszy 30 lat temu, w 1981 roku. Szczegółowe badania w dziedzinie biologii komórek macierzystych myszy doprowadziły do ​​odkrycia w 1998 metody pozyskiwania komórek macierzystych z ludzkich zarodków i wzrostu komórek w laboratorium. Komórki te nazywane są ludzkimi zarodkowymi komórkami macierzystymi. Zarodki wykorzystywane w tych badaniach zostały stworzone w celach reprodukcyjnych poprzez procedury zapłodnienia in vitro. Kiedy nie było już potrzebne do tego celu, zostały przekazane do badań za świadomą zgodą dawcy. W 2006 naukowcy dokonali kolejnego przełomu poprzez określenie warunków, które pozwoliłyby na „przeprogramowanie” wyspecjalizowanych dorosłych komórek do komórek macierzystych. Ten nowy typ komórek macierzystych, zwany indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi (iPSCs), zostanie omówiony w dalszej części niniejszego dokumentu.

Z komórkami macierzystymi wiąże się bardzo duże nadzieje na postęp medyczny w terapii komórkowej i medycyny regeneracyjnej. Podstawą pokładanej wiary w skuteczność zastosowania komórek macierzystych w leczeniu wielu schorzeń takich jak choroby neurodegeneracyjne – stwardnienie rozsiane, choroba Parkinsona, Huntingtona, Alzheimera oraz udarach czy uszkodzeniach rdzenia są unikalne cechy komórek macierzystych do różnicowania i nabywania cech w pełni funkcjonalnych komórek określonych tkanek lub narządów. Wieloletnie prace badawcze nad właściwościami i możliwościami regeneracyjnymi komórek macierzystych dowiodły, iż jednym
z fenomenów komórek pnia jest możliwość różnicowania i odróżnicowania się w komórki praktycznie dowolnej tkanki lub narządu. Cecha ta, dotycząca zarówno macierzystych komórek embrionalnych jak i somatycznych, jest kolejnym wyróżnikiem komórek macierzystych.

Komórki macierzyste są ważne dla żywych organizmów z wielu powodów. Komórki 3-5-dniowego zarodka – zwanego blastocystą – dają początek komórkom całego organizmu włączając w to wiele typów wyspecjalizowanych komórek i narządów, takich jak komórki serca, płuc, skóry i innych tkanek. W niektórych dorosłych tkankach, takich jak szpik kostny, mięśnie i mózg, niewielka populacja dorosłych komórek macierzystych generuje „zamienniki” dla komórek utraconych w wyniku normalnego zużycia, uszkodzenia ciała lub choroby. Ze względu na wyjątkowe zdolności regeneracyjne, komórki macierzyste stwarzają nowe możliwości dla leczenia chorób takich jak cukrzyca i choroby serca. Jednak wiele pozostaje jeszcze do zrobienia, aby zrozumieć, jak korzystać
z tych komórek w terapii komórkowej w leczeniu chorób, co określane jest również jako medycyna regeneracyjna lub naprawcza.

Badania laboratoryjne komórek macierzystych pozwalają naukowcom dowiedzieć się o podstawowych właściwościach komórek macierzystych oraz o tym, co je wyróżnia od wyspecjalizowanych typów komórek. Naukowcy już używają komórek macierzystych w laboratorium do testowania nowych leków oraz opracowywania modeli do badania normalnego wzrostu i wskazywania przyczyn wad wrodzonych. Badania nad komórkami macierzystymi pozwalają poszerzyć wiedzę na temat tego, jak organizm rozwija się z pojedynczej komórki i jak zdrowe komórki zastępują uszkodzone komórki
w organizmach dorosłych. Badania nad komórkami macierzystymi są jedną z najbardziej fascynujących dziedzin współczesnej biologii, lecz, jak w wielu szybko rozwijających się dziedzinach badań naukowych, badania na komórkach macierzystych generują równie dużo nowych pytań, co nowych odkryć.

Jakie są unikalne właściwości wszystkich komórek macierzystych?

Komórki macierzyste różnią się od innych rodzajów komórek w organizmie. Wszystkie komórki macierzyste, niezależnie od ich źródła posiadają trzy ogólne cechy: są one zdolne do podziału
i odnawiania się przez dłuższy czas, są niewyspecjalizowane; oraz mogą dawać początek populacjom wyspecjalizowanych komórek.

Komórki macierzyste są zdolne do podziału i odnawiania się przez dłuższy czas.
W przeciwieństwie do komórek mięśniowych, komórek krwi lub komórek nerwowych, które normalnie nie powielają się, komórki macierzyste mogą replikować się wielokrotnie. Początkowa populacja komórek macierzystych rozmnażająca się przez kilka miesięcy w laboratorium może wygenerować miliony komórek. Jeśli tak powstałe komórki pozostają niewyspecjalizowane, tak jak początkowa populacja komórek, to komórki te uznawane są za zdolne do długotrwałej samoodnowy.

Naukowcy próbują zrozumieć dwie podstawowe właściwości komórek macierzystych, które odnoszą się do ich długotrwałej samoodnowy:

  1. dlaczego zarodkowe komórki macierzyste, mogą rozmnażać się przez rok lub więcej
    w laboratorium bez różnicowania, ale większość niezarodkowych komórek macierzystych nie może; oraz
  2. jakie czynniki w organizmach żywych regulują proliferację i samoodnowę komórek macierzystych?

Uzyskanie odpowiedzi na te pytania może pozwolić zrozumieć, jak proliferacja komórek regulowana jest w prawidłowym rozwoju zarodkowym lub też w nieprawidłowym podziale komórek, który prowadzi do raka. Takie informacje pozwolą również naukowcom na efektywniejszą hodowlę embrionalnych
i nieembrionalnych komórek macierzystych w laboratorium.

Czynniki i warunki, które pozwalają komórkom macierzystym na pozostanie niewyspecjalizowanymi są szczególnie interesujące dla naukowców. Wiele lat zajęło naukowcom opracowanie metod utrzymania komórek macierzystych w laboratorium bez nich spontanicznego różnicowania do specyficznych typów komórek. Na przykład, dwie dekady zajęło opracowanie sposobu hodowli ludzkich zarodkowych komórek macierzystych po tym, jak opracowano podobny protokół dla hodowli mysich komórek macierzystych. Dlatego też konieczne jest zrozumienie sygnałów w dojrzałym organizmie, które powodują, że dana populacja komórek macierzystych rozmnaża się i pozostaje niezróżnicowana. Takie informacje są konieczne, aby móc otrzymywać dostatecznie dużą liczbę niewyspecjalizowanych komórek macierzystych do dalszych badań.

Komórki macierzyste są niewyspecjalizowane. Jedną z podstawowych właściwości komórek macierzystych jest to, że nie mają one żadnej tkankowo specyficznej struktury, które pozwalałaby im na wykonywanie wyspecjalizowanych funkcji. Przykładowo, komórki macierzyste nie mogą współpracować z sąsiadującymi komórkami i pompowa krwi przez ciało (jak komórki mięśnia sercowego), albo przenosić cząsteczek tlenu w krwioobiegu (jak czerwone krwinki). Jednak z tych niewyspecjalizowanych komórek macierzystych mogą powstawać wyspecjalizowane komórki, w tym komórki mięśnia sercowego, komórki krwi lub komórki nerwowe.

Komórki macierzyste dają początek populacjom wyspecjalizowanych komórek. Kiedy niewyspecjalizowane komórki macierzyste dają początek populacji wyspecjalizowanych komórek, proces ten nazywany jest różnicowaniem. Podczas różnicowania, komórki zwykle przechodzą przez kilka etapów, i stają się coraz bardziej wyspecjalizowane na każdym kroku.

Naukowcy dopiero zaczynają rozumieć sygnały wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe, które inicjują każdy z etapów procesu różnicowania. Wewnętrzne sygnały kontrolowane są przez geny komórki, rozsiane na długich niciach DNA i zawierające zakodowane instrukcje dla wszystkich struktur i funkcji komórkowych. Zewnętrzne sygnały dla różnicowania komórek to między innymi substancje chemiczne wydzielanych przez inne komórki, fizyczny kontakt z sąsiadującymi komórkami, oraz pewne cząsteczki w mikrośrodowisku.

Wiele pytań na temat różnicowania komórek macierzystych pozostaje bez odpowiedzi. Na przykład, czy sygnały wewnątrz- i zewnątrzkomórkowe dla różnicowania komórek są podobne dla wszystkich rodzajów komórek macierzystych? Czy konkretne zestawy sygnałów promują różnicowanie
w określone rodzaje komórek? Znalezienie odpowiedzi na te pytania może pomóc naukowcom
w znalezieniu nowych metod kontroli różnicowania komórek macierzystych w laboratorium, a tym samym pozwoli na hodowlę komórek lub tkanek, które mogą być używane do konkretnych celów, takich jak terapie komórkowe czy testowanie nowych leków.

Dorosłe komórki macierzyste zazwyczaj generują komórki tkanki, w której zamieszkują. Na przykład, krwiotwórcze komórki macierzyste w szpiku kostnym zwykle różnicują się do wielu typów komórek krwi. Przyjmuje się powszechnie, że komórki krwiotwórcze w szpiku kostnym, które nazywane są hematopoetycznymi komórkami macierzystymi, nie mogą różnicować się do komórek zupełnie innych tkanek, np. komórek nerwowych w mózgu. Eksperymenty w ciągu ostatnich kilku zdają się jednak pokazywać, że komórki macierzyste z jednej tkanki mogą przekształcać się w komórki zupełnie innej tkanki. Pozostaje to jednak kontrowersyjną w środowisku naukowym. Kontrowersja ta pokazuje jakie wyzwania stoją przed badaczami dorosłych komórek macierzystych i sugeruje, że dodatkowe badania z wykorzystaniem dorosłych komórek macierzystych są niezbędne dla zrozumienia ich pełnego potencjału w przyszłych terapiach.

Czym są zarodkowe komórki macierzyste?

Jakie etapy wczesnego rozwoju zarodka są ważne dla tworzenia zarodkowych komórek macierzystych? Embrionalne komórki macierzyste, jak sama nazwa wskazuje, pochodzą
z embrionów. Większość zarodkowych komórek macierzystych pochodzi z embrionów, które rozwijają się z komórek jajowych, które zostały zapłodnione in vitro w klinice zapłodnień in vitro, a następnie zostały oddane do celów badawczych za świadomą zgodą dawcy. Nie pochodzą one z komórek jajowych zapłodnionych w organizmie kobiety.

W jaki sposób zarodkowe komórki macierzyste hodowane są w laboratorium? Wzrost komórek w laboratorium nazywany jest hodowlą komórkową. Ludzkie zarodkowe komórki macierzyste (hESCs) generowane są poprzez przeniesienie komórek zarodka preimplantacyjnego do plastikowego naczynia hodowlanego zawierającego medium hodowlane.

Aby wygenerować kulturę specyficznych typów zróżnicowanych komórek – na przykład komórek mięśnia sercowego, komórek krwi lub komórek nerwowych – naukowcy starają się kontrolować różnicowanie zarodkowych komórek macierzystych. Zmieniają skład chemiczny pożywki, modyfikują powierzchnię naczynia hodowlanego, lub modyfikują komórki poprzez wprowadzenie specyficznych genów. Przez lata doświadczeń opracowano podstawowe protokoły lub też „przepisy” pozwalające na kontrolowane różnicowanie zarodkowych komórek macierzystych w konkretne rodzaje komórek.

Jeśli naukowcy będą w stanie skutecznie kierować różnicowaniem zarodkowych komórek macierzystych do poszczególnych typów komórek, będą mogli w przyszłości wykorzystać takie komórki do leczenia konkretnych chorób. Choroby, które mogą być leczone poprzez przeszczep komórek uzyskanych z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych to między innymi choroba Parkinsona, cukrzyca, pourazowe uszkodzenie rdzenia kręgowego, dystrofia mięśniowa Duchenne’a, choroba serca, czy też utrata wzroku i słuchu.

Czym są dorosłe komórki macierzyste?

Za dorosłe komórki macierzyste uważane są niezróżnicowane komórki znajdujące się wśród zróżnicowanych komórek w tkance lub narządzie, które mogą się odnawiać i potrafią różnicować się do niektórych lub wszystkich głównych typów wyspecjalizowanych komórek tkanki lub narządu. Główną rolą dorosłych komórek macierzystych w żywym organizmie jest utrzymanie i naprawa tkanek, w których się znajdują. Naukowcy nazywają je również somatycznymi komórkami macierzystymi, gdzie słowo „somatyczne” odnosi się do komórek organizmu (a nie komórek rozrodczych czyli spermy lub komórek jajowych). W odróżnieniu od embrionalnych komórek macierzystych, które są zdefiniowane przez ich pochodzenie (z embrionu preimplantacyjnego), pochodzenie dorosłych komórek macierzystych z niektórych dojrzałych tkanek jest wciąż badane.

Badania na dorosłych komórkach macierzystych generują wiele emocji. Naukowcy odkryli dorosłe komórki macierzyste w o wiele większej ilości tkanek niż kiedyś  przypuszczali. To odkrycie doprowadziło badaczy i klinicystów do postawienia pytania, czy dorosłe komórki macierzyste mogą być użyte do przeszczepów. W rzeczy samej, hematopoetyczne, czyli krwiotwórcze, komórki macierzyste ze szpiku kostnego są wykorzystywane w przeszczepach już od 40 lat. Naukowcy mają dowody, że komórki macierzyste występują również w mózgu, sercu czy też tkance tłuszczowej. Jeśli różnicowanie dorosłych komórek macierzystych będzie mogło być skutecznie kontrolowane
w warunkach laboratoryjnych, komórki te mogą stać się podstawą terapii opartej na przeszczepach.

Gdzie znajdują się dorosłe komórki macierzyste i za co zazwyczaj odpowiadają? Dorosłe komórki macierzyste zostały znalezione w wielu narządach i tkankach, w tym mózgu, szpiku kostnym, krwi obwodowej, naczyniach krwionośnych, mięśniach szkieletowych, tkance tłuszczowej, skórze, zębach, sercu, jelitach, wątrobie, nabłonku jajnika oraz jądrach. Uważa się, że występują one
w określonym obszarze każdej tkanki (tzw. „niszy komórek macierzystych”). Aktualne dane wskazują, że w wielu tkankach niektóre rodzaje komórek macierzystych stanowią pericyty, czyli komórki, które tworzą zewnętrzną warstwę drobnych naczyń krwionośnych. Komórki macierzyste mogą pozostawać w stanie spoczynku (bez podziału) przez dłuższy czas, dopóki nie zostaną aktywowane przez zapotrzebowanie na więcej komórek do utrzymania tkanek lub też przez choroby lub uszkodzenia tkanki.

Zazwyczaj w każdej tkance istnieje bardzo niewielka liczba komórek macierzystych, a po usunięciu ich z organizmu, ich zdolność do dzielenia jest ograniczona, co sprawia, że wytwarzanie dużych ilości komórek macierzystych jest trudne. Naukowcy w wielu laboratoriach starają się znaleźć lepsze sposoby hodowania dużej ilości dorosłych komórek macierzystych w kulturach komórkowych i manipulacji nimi do tworzenia konkretnych typów komórek, aby mogły być stosowane do leczenia urazów lub chorób. Przykładami możliwych zabiegów są regeneracji kości z wykorzystaniem komórek pochodzących ze szpiku kostnego, rozwój komórek produkujące insulinę w cukrzycy typu 1oraz naprawa uszkodzonego mięśnia sercowego po zawale serca za pomocą komórek mięśnia sercowego.

Co wiemy na temat różnicowania dorosłych komórek macierzystych? Jak wskazano powyżej, naukowcy stwierdzili, że dorosłe komórki macierzyste występują w wielu tkankach i że następują w nich procesy różnicowania w celu utworzenia wyspecjalizowanych typów komórek tkanki, w której zamieszkują.

Typowe ścieżki różnicowania dorosłych komórek macierzystych. W żywych zwierzętach, komórki macierzyste są dostępne do podziału w razie potrzeby i mogą dawać początek dojrzałym typom komórek, które mają charakterystyczny kształt i wyspecjalizowane struktury oraz funkcje poszczególnych tkanek. Oto przykłady szlaków różnicowania komórek macierzystych (rysunek poniżej), które zaobserwowano in vitro i in vivo.

 

  • Komórki hematopoetyczne mogą przekształcić się do wszystkich typów komórek krwi: krwinek czerwonych, limfocytów B, limfocytów T, komórek NK, neutrofilów, bazofilów, eozynofilów, monocytów i makrofagów.
  • Mezenchymalne komórki macierzyste mogą przekształcać się do różnych typów komórek: komórek kostnych (osteocytów), komórek chrząstki (chondrocytów), komórek tłuszczowych (adipocytów) oraz innego rodzaju komórek tkanki łącznej takich jak te w ścięgnach.
  • Neuralne komórki macierzyste w mózgu mogą przekształcać się w trzy główne typy komórek: komórki nerwowe (neurony) oraz dwie kategorie komórek niebędących komórkami nerwowymi, astrocyty i oligodendrocyty.
  • Nabłonkowe komórki macierzyste z błony śluzowej przewodu pokarmowego stanowią podstawę do rozwoju kilku rodzajów komórek: komórek absorpcyjnych, komórek kubkowych, komórek paraluteinowych, oraz komórek endokrynowych żołądka.
  • Komórki macierzyste skóry występują w warstwie podstawnej naskórka i u podstawy mieszków włosowych. Naskórkowe komórki macierzyste dają początek keratynocytom, które migrują do powierzchni skóry i tworzą warstwę ochronną. Pęcherzykowe komórki macierzyste mogą różnicować się do komórek mieszków włosowych i komórek skóry.

Jakie są podstawowe pytania dotyczące dorosłych komórek macierzystych? Wiele ważnych pytań na temat dorosłych komórek macierzystych pozostaje bez odpowiedzi. Należą do nich następujące:

  • Jak wiele rodzajów dorosłych komórek macierzystych istnieje i w jakich rodzajach tkanek występują?
  • Jak powstają dorosłe komórki macierzyste podczas rozwoju organizmu i jak są one utrzymywane w dorosłym organizmie? Czy są one „pozostałością” po embrionalnych komórkach macierzystych, czy też powstają w inny sposób?
  • Dlaczego komórki macierzyste pozostają w stanie niezróżnicowania, podczas gdy wszystkie komórki wokół nich są zróżnicowane? Jakie są cechy ich „niszy”, która kontroluje ich zachowanie?
  • Czy komórki macierzyste mają zdolność do transróżnicowania, oraz czy jest możliwe kontrolowanie tego procesu w celu poprawy jego niezawodności i wydajności?
  • Jeśli korzystny wpływ dorosłych komórek macierzystych jest efektem troficznym, jakie są jego mechanizmy? Czy konieczny jest kontakt komórek dawcy z komórkami biorcy czy też wydzielanie czynników przez komórki dawcy, lub jedno i drugie?
  • Jakie czynniki kontrolują proliferację i różnicowanie dorosłych komórek macierzystych?
  • Jakie czynniki stymulują komórki macierzyste do przeniesienia się w miejscach uszkodzenia lub zniszczenia, i jak można ten proces wzmocnić na lepsze gojenie?

Jakie są podobieństwa i różnice pomiędzy zarodkowymi i dorosłymi komórkami macierzystymi?

Zarówno zarodkowe jak i dorosłe komórki macierzyste mają swoje wady i zalety w zakresie możliwości zastosowania ich w komórkowej terapii regeneracyjnej. Jedną z głównych różnic między dorosłymi i zarodkowymi komórkami macierzystymi ich potencjał do różnicowania się w różne typy komórek. Zarodkowe komórki macierzyste mogą stać się wszystkimi typami komórek ciała, ponieważ są pluripotencjalne. Uważa się, że dorosłe komórki macierzyste są posiadają potencjał do różnicowania w różne typy komórek ograniczony do komórek tkanki ich pochodzenia.

Zarodkowe komórki macierzyste są stosunkowo łatwe w hodowli. Dorosłe komórki macierzyste są rzadkie w dojrzałych tkankach, więc izolacja tych komórek z tkanki jest trudna, a metody ich namnażania w hodowli komórkowej nie zostały jeszcze dopracowane. Jest to ważna różnica, jako że duża liczba komórek jest niezbędna do leczenia komórkami macierzystymi.

Naukowcy uważają, że zarodkowe i dorosłe komórki macierzyste mogą różnić się prawdopodobieństwem odrzucenia po transplantacji. Jeszcze nie wiem, czy komórki macierzyste pochodzące z tkanek zarodkowych mogą powodować odrzucenie przeszczepu, jako że pierwsze badania kliniczne w dziedzinie bezpieczeństwa komórek pochodzących z hESCS zostały dopiero niedawno zatwierdzone przez FDA.

Obecnie uważa się za mniej prawdopodobne aby dorosłe komórki macierzyste oraz tkanki pochodzące od nich powodowały odrzucenie po transplantacji. Wynika to z faktu, że własne komórki pacjenta mogą zostać namnożone w laboratorium, zróżnicowane do określonego typu komórek,
a następnie wprowadzone ponownie do organizmu pacjenta. Korzystanie z dorosłych komórek macierzystych oraz tkanek pochodzących z dorosłych komórek macierzystych pacjenta, wiązałoby się zatem z mniejszym prawdopodobieństwem odrzucenia przez system odpornościowy. Stanowi to znaczącą przewagę, jako że odrzucenia można uniknąć jedynie przez ciągłe podawanie leków immunosupresyjnych, a leki te same w sobie mogą również powodować szkodliwe skutki uboczne.

Czym są indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste?

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSCs) są to dojrzałe komórki, które zostały genetycznie przeprogramowane do stanu embrionalnych komórek macierzystych poprzez zmuszenie ich do ekspresji genów i czynniki istotnych dla utrzymania właściwości typowych dla zarodkowych komórek macierzystych. Mimo, że komórki te spełniają kryteria definicji pluripotencjalnych komórek macierzystych, nie wiadomo jeszcze, czy iPSCs i zarodkowe komórki macierzyste różnią się w sposób istotny klinicznie. Ipsos myszy zostały po raz pierwszy opisane w 2006, a otrzymanie ludzkich iPSCs zostało ogłoszone po raz pierwszy pod koniec 2007 roku. Mysie Ipsos wykazują istotne cechy pluripotencjalnych komórek macierzystych, w tym ekspresję markerów komórek macierzystych, tworzenie nowotworów zawierających komórki ze wszystkich trzech listków zarodkowych, oraz zdolność do tworzenia wielu różnych tkanek po wstrzyknięciu ich do embrionów myszy na bardzo wczesnym etapie rozwoju. Ludzkie iPSCs również charakteryzują się ekspresją markerów komórek macierzystych i są zdolne do wytwarzania komórek charakterystycznych dla wszystkich trzech listków zarodkowych.

Mimo, że potrzebne są dodatkowe badania, iPSCs są już teraz przydatnymi narzędziami do opracowywania leków i modelowania chorób, a naukowcy mają nadzieję na wykorzystanie ich
w medycynie transplantacyjnej. Do wprowadzenia czynników przeprogramowania dorosłych komórek wykorzystywane są obecnie wirusy, a proces ten musi być dokładnie skontrolowany i przetestowany zanim technika ta pozwoli na stworzenie użytecznych metod leczenia ludzi. W badaniach na zwierzętach, wirus używany w celu wprowadzenia czynników komórek macierzystych powoduje czasami raka. Naukowcy opracowują obecnie niewirusowe metody wprowadzania tych czynników.
W każdym razie, to przełomowe odkrycie stworzyło potężny nowy sposób na „odróżnicowanie” komórek, o których wcześniej sądzono, iż ich los rozwojowy został trwale zdefiniowany. Ponadto, tkanki pochodzące z iPSCs będą niemal identyczne jak komórki dawcy, a zatem prawdopodobnie uda się uniknąć odrzucenia przez system immunologiczny. Strategia iPSC tworzy pluripotencjalne komórki macierzyste, które wraz z badaniami innych rodzajów pluripotencjalnych komórek macierzystych, pomogą naukowcom dowiedzieć się, jak przeprogramować komórki do naprawy uszkodzonych tkanek w organizmie człowieka.

Jakie są potencjalne możliwości wykorzystania ludzkich komórek macierzystych oraz przeszkody, które trzeba pokonać, zanim te potencjalnych zastosowań będzie można wykorzystać?

Ludzkie komórki macierzyste mogą być wykorzystywane na wiele różnych sposobów. Badania nad ludzkimi zarodkowymi komórkami macierzystymi przyniosą wiele istotnych informacji na temat złożonych zdarzeń mające miejsce w rozwoju człowieka. Głównym celem tych badań jest określenie sposobu w jaki niezróżnicowane komórki macierzyste stają się zróżnicowanymi komórkami, które tworzą tkanki i narządy. Naukowcy wiedzą, że zasadnicze znaczenie dla tego procesu ma włączanie
i wyłączanie genów. Niektóre z najbardziej poważnych schorzeń, takich jak rak czy wady wrodzone, powodowane są przez nieprawidłowy podział i różnicowanie komórek. Pełniejsze zrozumienie genetycznych i molekularnych kontroli tych procesów, może przynieść informacje na temat powstawania takich chorób oraz doprowadzić do opracowania nowych strategii leczenia. Można się spodziewać, że kontrola proliferacji i różnicowania komórek wymaga dodatkowych badań sygnałów molekularnych i genetycznych, które regulują podziały komórek i ich specjalizację. Ostatnie doniesienia na temat komórek iPS sugerują, że pewne specyficzne czynniki mogą być zaangażowane w te procesy, jednak muszą być opracowane techniki do bezpiecznego wprowadzania tych czynników do komórek oraz do kontroli procesów, które są wywołane przez te czynniki.

Ludzkie komórki macierzyste mogą być również wykorzystywane do testowania nowych leków. Przykładowo, bezpieczeństwo nowcyh leków może być badane na zróżnicowanych komórkach uzyskanych z ludzkich pluripotencjalnych linii komórkowych. Inne rodzaje linii komórkowych są już wykorzystywane w ten sposób. Linii komórek nowotworowych, na przykład, są wykorzystywane w celu sprawdzenia potencjalnych leków przeciwnowotworowych. Dostępność pluripotencjalnych komórek macierzystych pozwoli na testowanie leków na większej ilości typów komórek. Jednak aby skutecznie testować leki, warunki muszą być identyczne przy porównywaniu różnych leków. Dlatego naukowcy będą musieli być w stanie precyzyjnie kontrolować różnicowanie komórek macierzystych w komórki określonego typu, na których leki będą testowane. Aktualny stan wiedzy na temat sygnałów sterowania różnicowaniem nie jest w stanie naśladować tych warunków na tyle dokładnie, by wygenerować czystą populację zróżnicowanych komórek dla każdego badanego leku.

Być może najważniejszym potencjalnym zastosowaniem ludzkich komórek macierzystych jest wytwarzanie komórek i tkanek, które mogłyby być wykorzystane do terapii komórkowej. Na chwilę narządy i tkanki pochodzące od dawców są często używane w celu zastąpienia chorej lub zniszczonej tkanki, popyt na tkani i organy do transplantacji zdecydowanie przewyższa podaż.

Komórki macierzyste, zmuszone do różnicowania w określone rodzaje komórek, oferują możliwość odnawialnego źródła komórek i tkanek zastępczych w leczeniu chorób, w tym choroby Alzheimera, urazu rdzenia kręgowego, udaru mózgu, oparzeń, chorób serca, cukrzycy, choroby zwyrodnieniowej stawów oraz reumatoidalnego zapalenia stawów.

Przykładowo, może stać się możliwe wygenerowanie zdrowych komórek mięśnia sercowego
w warunkach laboratoryjnych, a następnie przeszczepieniu tych komórek do organizmu pacjentów
z przewlekłymi chorobami serca. Wstępne badania na myszach i innych zwierzętach wskazują, że komórki podścieliska szpiku kostnego, przeszczepione do uszkodzonego serca, mogą mieć korzystne skutki. Obecnie badane jest czy komórki te mogą generować komórki mięśnia sercowego, stymulować wzrost nowych naczyń krwionośnych, lub działać poprzez inny mechanizm. Przykładowo, wstrzyknięte komórki mogą osiągnąć naprawę poprzez wydzielanie czynniki wzrostu, a nie faktyczne włączenie do tkanki serca. Obiecujące wyniki badań na zwierzętach stały się podstawą dla niewielkiej liczby wstępnych badaniach u ludzi. Inne niedawne badania hodowli komórkowych wskazują, że możliwe jest bezpośrednie zróżnicowanie zarodkowych komórek macierzystych lub komórek szpiku kostnego dorosłych do komórek mięśnia sercowego.

Aby zrealizować obietnicę nowatorskich terapii opartych na komórkach przeciwko tak rozpowszechnionym i wyniszczającym chorobom, naukowcy muszą być w stanie manipulować komórkami macierzystymi w taki sposób, aby posiadły one cechy niezbędne do skutecznego różnicowania i transplantacji. Poniżej znajduje się lista kroków koniecznych dla opracowania udanych zabiegów opartych na komórkach, które naukowcy będą musieli nauczyć się kontrolować by wprowadzić tego rodzaju terapie do powszechnego użytku. Aby były użyteczne dla celów transplantacyjnych, komórki macierzyste muszą być w sposób powtarzalny zdolne do:

  • Namnażania się w sposób pozwalający wygenerować wystarczającą ilość tkanki.
  • Różnicowania się w żądany typ(y) komórek.
  • Przetrwania w organizmie biorcy po przeszczepie.
  • Włączenia się do otaczających tkanek po transplantacji.
  • Funkcjonowania w odpowiedni sposób przez całe życie biorcy.
  • Nieszkodzenia odbiorcy w żaden inny sposób.

Ponadto, aby uniknąć problemu odrzucenia immunologicznego, naukowcy eksperymentują z różnymi strategiami badawczymi tworzenia tkanek, które nie zostaną odrzucone.

Podsumowując, komórki macierzyste oferują ciekawe obietnica dla przyszłych terapii, ale nadal stwarzają znaczące trudności techniczne, które będą pokonywane przez następne lata intensywnych badań.

dr n. med. Wojciech Orłowski

AZTAR Sp. z o. o.