Rodzaje komórek macierzystych i ich zastosowanie
Komórki macierzyste są naturalną rezerwą ciała – uzupełniają one zasoby specjalistycznych komórek, które zostały zużyte lub uszkodzone. Wszyscy posiadamy komórki macierzyste w naszych organizmach. Właśnie teraz w Twoim szpiku kostnym, komórki macierzyste wytwarzają 100 miliardów nowych krwinek, które są nam potrzebne każdego dnia!
.Aby nasze ciało mogło funkcjonować, przez cały czas potrzebujemy nowych komórek. Niektóre wyspecjalizowane komórki, takie jak krwinki i komórki mięśniowe nie mogą się powielać przez podział komórkowy. Zamiast tego są one uzupełniane z populacji komórek macierzystych.
Komórki macierzyste za każdym razem, gdy się dzielą, posiadają unikatową umiejętność wytwarzania kopii siebie samych (samoodnawianie) oraz bardziej wyspecjalizowanych typów komórek (różnicowanie). W związku z tym komórki macierzyste są niezbędne do utrzymania tkanek takich jak krew, skóra i jelito, które przechodzą nieustanne zmiany (wymiana komórek) oraz mięśni, które mogą być tworzone zgodnie z zapotrzebowaniem organizmu i które często ulegają uszkodzeniu na skutek wysiłku fizycznego.
Komórki macierzyste są niewyspecjalizowane. W przeciwieństwie do krwinek, które przenoszą tlen w krwiobiegu lub komórek mięśni, które współpracują z innymi komórkami, aby wytworzyć ruch, komórki macierzyste nie mają żadnych wyspecjalizowanych właściwości fizjologicznych.
Komórki macierzyste mogą wielokrotnie dzielić się i wytwarzać identyczne kopie samych siebie. Ten proces jest nazywany samoodnawianiem i przebiega on przez całe życie organizmu. Samoodnawianie jest definiującą właściwością komórek macierzystych. Specjalistyczne komórki, takie jak krwinki i komórki mięśni, normalnie nie powielają się, co oznacza, że gdy zostaną poważnie uszkodzone na skutek urazu lub choroby, nie mogą siebie wymienić.
Komórki macierzyste również dzielą się i wytwarzają bardziej specjalistyczne typy komórek. Proces ten nosi nazwę różnicowania. Komórki macierzyste z różnych tkanek oraz z różnych etapów rozwoju różnią się liczbą i typem komórek, które mogą wytwarzać. Zgodnie z klasycznym poglądem wraz z rozwojem organizmu stopniowo spada potencjał komórek macierzystych w zakresie wytwarzania wszelkich typów komórek w organizmie.
Komórki macierzyste mogą być wykorzystywane do badań nad rozwojem
Komórki macierzyste pomagają nam zrozumieć, w jaki sposób złożone organizmy rozwijają się począwszy od zapłodnionego jaja. W laboratorium naukowcy mogą śledzić rozwój komórek na etapie ich podziału, oraz jak stają się coraz bardziej wyspecjalizowane, budując skórę, kości, mózg i inne typy komórek. Zidentyfikowanie sygnałów i mechanizmów, które decydują o tym, czy komórka macierzysta decyduje się na powielenie lub na różnicowanie na specjalistyczny typ komórki oraz na jaki typ komórki, pomoże nam zrozumieć co kontroluje normalny rozwój.
Niektóre z najpoważniejszych chorób, takich jak rak lub wady wrodzone, są spowodowane nieprawidłowym podziałem i różnicowaniem komórek. Lepsze zrozumienie genetycznych i molekularnych regulatorów tych procesów może dostarczyć informacji o powstawaniu takich chorób i może zasugerować nowe strategie terapii. Jest to ważny cel badań nad komórkami macierzystymi.
Komórki macierzyste potrafią zastępować uszkodzone komórki i leczyć choroby
Ta właściwość jest już wykorzystywana w leczeniu rozległych oparzeń oraz przy odbudowie układu krwionośnego u pacjentów z białaczką oraz innymi chorobami krwi.
Komórki macierzyste mogą również odgrywać kluczową rolę w zakresie zastępowania komórek w przypadku wielu innych wyniszczających chorób, na które obecnie nie znaleziono skutecznego lekarstwa. Obecnie oddane tkanki i organy są często wykorzystywane do zastępowania uszkodzonej tkanki, ale potrzeby w zakresie tkanek i organów do transplantacji mocno przewyższają dostępne zasoby. Gdyby można było kierować różnicowaniem komórek macierzystych i powodować wytwarzanie określonych typów komórek, umożliwiłoby to utworzenie odnawialnego źródła komórek i tkanek zamiennych do leczenia chorób takich jak m.in. choroba Parkinsona, udar, choroby serca i cukrzyca. Jest to ekscytująca perspektywa, ale za sprawą istotnych przeszkód technicznych czekają nas jeszcze lata intensywnych badań.
Komórki macierzyste mogą być wykorzystywane do badań nad chorobami
W wielu przypadkach trudno jest uzyskać komórki, które zostały uszkodzone na skutek choroby oraz szczegółowo je przebadać. Komórki macierzyste przenoszące gen choroby lub wytworzone w celu przenoszenia genów choroby, zapewniają realną alternatywę. Naukowcy mogą wykorzystać komórki macierzyste do modelowania procesów choroby w laboratorium oraz w celu lepszego zrozumienia zaistniałej nieprawidłowości.
Komórki macierzyste stanowią zasoby do testowania nowych zabiegów medycznych
Nowe leki mogą być testowane pod względem bezpieczeństwa na specjalistycznych komórkach wytworzonych w dużej liczbie z linii komórek macierzystych – ograniczając w ten sposób potrzebę przeprowadzania badań na zwierzętach. Inne linie komórek są już wykorzystywane w ten sposób. Na przykład linie komórek rakowych są wykorzystywane do badania potencjalnych leków przeciwnowotworowych.
Nie wszystkie komórki macierzyste pochodzą z embrionów we wczesnej fazie rozwoju. Co więcej, każdy z nas przez całe życie posiada w organizmie komórki macierzyste. Z tego względu komórki macierzyste dzielą sią na trzy rodzaje:
- Embrionalne komórki macierzyste: hodowane w laboratorium z komórek pochodzących z embrionu we wczesnym stadium rozwoju.
- Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste, czyli “przeprogramowane” komórki macierzyste: są podobne do embrionalnych komórek macierzystych, jednak tworzy się je w laboratorium z dorosłych, wyspecjalizowanych komórek z wykorzystaniem metody opracowanej w 2006 roku
- Tkankowe komórki macierzyste: są obecne w organizmie przez całe życie.
Więcej informacji na temat właściwości poszczególnych rodzajów komórek macierzystych i obecnie prowadzonych badaniach znaleźć można w innych broszurach. W poniższym tekście opiszemy, jakie postępy zostały poczynione w kwestii terapii z wykorzystaniem poszczególnych rodzajów komórek macierzystych, a także jakie kwestie i ograniczenia należy jeszcze rozwiązać.
Embrionalne komórki macierzyste mają nieograniczony potencjał tworzenia wyspecjalizowanych komórek, co przekłada się na ogromne możliwości w badaniach nad chorobami i w opracowywaniu nowych terapii. Ludzkie embrionalne komórki macierzyste zostały po raz pierwszy wyhodowane w laboratorium w 1998 roku. Niedawno udało się otrzymać ludzkie embrionalne komórki macierzyste spełniające surowe kryteria stosowaniu u pacjentów. Te “czyste klinicznie” ludzkie embrionalne komórki macierzyste zostały zatwierdzone do wykorzystania w niewielkiej liczbie badań klinicznych. Jednym z nich jest badanie kliniczne prowadzone przez The London Project to Cure Blindness, w którym embrionalne komórki macierzyste są wykorzystywane do wyprodukowania konkretnego rodzaju komórek oka, niezbędnych do leczenia pacjentów cierpiących na zwyrodnienie plamki żółtej. Firma biotechnologiczna ACT (tylko w języku angielskim)) stosuje ludzkie embrionalne komórki macierzyste to wyhodowania komórek dla pacjentów z chorobą Stargardta.
Wyzwania, jakie obecnie pojawiają się w związku z embrionalnymi komórkami macierzystymi, to przede wszystkim kwestie etyczne, a także konieczność pełnego przekształcenia się embrionalnych komórek macierzystych z pożądane wyspecjalizowane komórki przed przeszczepieniem ich pacjentowi. Jeśli pierwsze wyniki badań w zakresie bezpieczeństwa stosowania i korzyści dla pacjentów będą pozytywne, embrionalne komórki macierzyste mogą wkrótce znaleźć po raz pierwszy zastosowanie kliniczne.
Stosunkowo niedawnym przełomem w badaniach nad komórkami macierzystymi jest odkrycie, że wyspecjalizowane dorosłe komórki macierzyste mogą zostać „przeprogramowane” w komórki zachowujące jak embrionalne komórki macierzyste. Zostały one nazwane indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi. Wytworzenie tych komórek ma znaczące implikacje dla badań nad chorobami i opracowywaniem nowych leków. Przykładem może być wygenerowanie komórek mózgu z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, powstałych z komórek skóry pacjentów z zespołem Downa czy chorobą Parkinsona. Te wyhodowane w laboratorium komórki mózgu wykazują cechy chorób pacjentów, od których zostały pobrane, co pozwala zrozumieć, w jaki sposób powstaje choroba (naukowcy obserwują proces w naczyniu laboratoryjnych), a także poszukiwania i testowania nowych terapii. Badania te stanowią zaledwie próbkę różnego rodzaju badań przeprowadzanych na całym świecie z wykorzystaniem indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych.
Odkrycie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych pozwala mieć nadzieję, że komórki potrzebne do leczenia chorób można będzie wytworzyć z własnych komórek skóry pacjenta, eliminując ryzyko odrzucenia przeszczepu. Wykorzystanie tych komórek w leczeniu jest jednak obecnie tylko teoretyczne. Jest to nowa technologia, a proces przeprogramowywania nie jest jeszcze w pełni zrozumiały dla naukowców. Konieczne jest opracowanie bezpiecznej metody wytwarzania indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. Obecnie stosowane techniki obejmują modyfikowanie genetyczne, co może niekiedy prowadzić do powstawania nowotworów. Aby spełnić wymagania zastosowania u pacjentów, komórki te muszą także w pełni przekształcić się w pożądany rodzaj wyspecjalizowanych komórek macierzystych.
Wiele tkanek organizmu jest utrzymywanych w dobrym stanie i naprawianych przez całe życie przez komórki macierzyste. Tkankowe komórki macierzyste znacznie różnią się od embrionalnych komórek macierzystych.
Tkankowe komórki macierzyste nie są pluripotencjalne, ale multipotencjalne – mogą one tworzyć ograniczoną liczbę rodzajów komórek, jednak NIE wszystkie rodzaje komórek w organizmie.
Komórki macierzyste są ważnymi narzędziami w badaniach i maja ogromny potencjał stosowania w leczeniu chorób i urazów. Niektóre dorosłe komórki macierzyste są już stosowane w leczeniu, chociaż terapie te mają swoje ograniczenia. Obecnie dopiero zaczynają się pierwsze próby kliniczne z wykorzystaniem komórek powstałych z embrionalnych komórek macierzystych. Natomiast indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste są niezwykle przydatne w badaniach, zanim jednak zostaną zastosowane w leczeniu, konieczne jest przeprowadzenie wielu prób klinicznych. Kolejną dziedziną obecnie prowadzonych badań jest transróżnicowanie (tylko w języku angielskim) – zamiana jednego rodzaju wyspecjalizowanej komórki bezpośrednio w inny.
Wszystkie te badania są niezwykle istotne, jeśli komórki macierzyste mają zrealizować swój potencjał w tworzeniu leków stosowanych w wielu chorobach.
The original version of this factsheet was created by Claire Cox and reviewed by Austin Smith, with expert input from Paolo Bianco, Ian Chambers, Allen Eaves, Tariq Enver and Thomas Graf.
Lead image © iStock/Les Cunliffe. Other image credits: Sally Lowell, Sophie Morgani, Luke Boulter and Andrew Jarjour, MRC Centre for Regenerative Medicine, University of Edinburgh; Cameron Duguid.