Komórka macierzysta - Stem cell

Komórka macierzysta
MSC duże powiększenie.jpg
Detale
Identyfikatory
łacina Cellula praecursoria
Siatka D013234
NS H1.00.01.0.00028, H2.00.01.0.00001
FMA 63368
Terminologia anatomiczna

W organizmów wielokomórkowych , komórki macierzysteniezróżnicowanych lub częściowo zróżnicowane komórki , która może różnicować się w wielu typach komórek i proliferują w nieskończoność w celu wytworzenia więcej takich samych komórek macierzystych. Są najwcześniejszym typem komórek w linii komórkowej . Występują zarówno w organizmach embrionalnych, jak i dorosłych, ale w każdym z nich mają nieco inne właściwości. Zazwyczaj odróżnia się je od komórek progenitorowych , które nie mogą dzielić się w nieskończoność, oraz komórek prekursorowych lub komórek blastycznych, które zazwyczaj są zaangażowane w różnicowanie w jeden typ komórek.

U ssaków , około 50-150 komórek tworzy wewnętrzną masę komórkową na etapie blastocysty rozwoju embrionalnego, około 5-14 dni. Mają one zdolność komórek macierzystych. In vivo ostatecznie różnicują się we wszystkie typy komórek organizmu (co czyni je pluripotencjalnymi ). Proces ten rozpoczyna się od różnicowania na trzy listki zarodkoweektodermę , mezodermę i endodermę – na etapie gastrulacji . Jednakże, gdy są izolowane i hodowane in vitro , mogą być utrzymywane w stadium komórek macierzystych i są znane jako embrionalne komórki macierzyste (ESC).

Dorosłe komórki macierzyste znajdują się w kilku wybranych miejscach w ciele, zwanych niszami , na przykład w szpiku kostnym lub gonadach . Istnieją, aby uzupełniać szybko utracone typy komórek i są multipotencjalne lub unipotencjalne, co oznacza, że ​​różnicują się tylko na kilka typów komórek lub jeden typ komórek. U ssaków są to między innymi hematopoetyczne komórki macierzyste , które uzupełniają komórki krwi i układu odpornościowego, komórki podstawne , które utrzymują nabłonek skóry oraz mezenchymalne komórki macierzyste , które utrzymują komórki kostne, chrzęstne , mięśniowe i tłuszczowe. Dorosłe komórki macierzyste stanowią niewielką mniejszość komórek; znacznie przewyższają ich liczebnie komórki progenitorowe i ostatecznie zróżnicowane komórki, na które się różnicują.

Badania nad komórkami macierzystymi wyrosły z odkryć kanadyjskich biologów Ernesta McCullocha , Jamesa Tilla i Andrew J. Beckera z Uniwersytetu Toronto w latach 60. XX wieku. Od 2016 roku jedyną uznaną terapią medyczną z wykorzystaniem komórek macierzystych jest przeszczep krwiotwórczych komórek macierzystych , po raz pierwszy przeprowadzony w 1958 roku przez francuskiego onkologa Georgesa Mathé . Jednak od 1998 roku możliwa jest hodowla i różnicowanie ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (w liniach komórek macierzystych ). Proces izolacji tych komórek budzi kontrowersje , ponieważ zazwyczaj prowadzi do zniszczenia zarodka. Źródła izolowania ESC zostały ograniczone w niektórych krajach europejskich i Kanadzie, ale inne, takie jak Wielka Brytania i Chiny, promowały badania. Transfer jądra komórki somatycznej to metoda klonowania , którą można wykorzystać do stworzenia sklonowanego zarodka do wykorzystania jego embrionalnych komórek macierzystych w terapii komórkami macierzystymi. W 2006 roku japoński zespół kierowany przez Shinyę Yamanaka odkrył metodę przekształcania dojrzałych komórek ciała z powrotem w komórki macierzyste. Nazwano je indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi (iPSC).

Historia

Termin komórka macierzysta został wymyślony przez Theodora Boveri i Valentina Haeckera pod koniec XIX wieku. Pionierskie prace w teorii komórek macierzystych krwi prowadzili na początku XX wieku Artur Pappenheim , Alexander Maximow , Franz Ernst Christian Neumann .

Kluczowe właściwości komórki macierzystej zostały po raz pierwszy zdefiniowane przez Ernesta McCullocha i Jamesa Tilla na Uniwersytecie w Toronto na początku lat sześćdziesiątych. Odkryli tworzącą krew komórkę macierzystą, hematopoetyczną komórkę macierzystą (HSC), dzięki pionierskiej pracy na myszach. McCulloch i Till rozpoczęli serię eksperymentów, w których komórki szpiku kostnego wstrzykiwano napromieniowanym myszom. Zaobserwowali guzki w śledzionach myszy, które były liniowo proporcjonalne do liczby wstrzykniętych komórek szpiku kostnego. Postawili hipotezę, że każda grudka (kolonia) była klonem pochodzącym z pojedynczej komórki szpiku (komórki macierzystej). W kolejnych pracach McCulloch i Till, wraz z doktorantem Andrew Johnem Beckerem i starszym naukowcem Louisem Siminovichem , potwierdzili, że każda bryła w rzeczywistości powstała z pojedynczej komórki. Ich wyniki zostały opublikowane w Nature w 1963 roku. W tym samym roku Siminovitch był głównym badaczem w badaniach, w których stwierdzono, że komórki tworzące kolonie są zdolne do samoodnowy, co jest kluczową właściwością definiującą komórki macierzyste, o której sugerowali Till i McCulloch.

Pierwszą terapią z wykorzystaniem komórek macierzystych był przeszczep szpiku kostnego przeprowadzony przez francuskiego onkologa Georges'a Mathé w 1958 r. u pięciu pracowników Instytutu Nuklearnego Vinča w Jugosławii, którzy zostali dotknięci wypadkiem krytycznym . Wszyscy robotnicy przeżyli.

W 1981 roku embrionalne komórki macierzyste (ES) zostały po raz pierwszy wyizolowane i pomyślnie wyhodowane przy użyciu mysich blastocyst przez brytyjskich biologów Martina Evansa i Matthew Kaufmana . Umożliwiło to utworzenie mysich modeli genetycznych, systemu, w którym geny myszy są usuwane lub zmieniane w celu zbadania ich funkcji w patologii. Do 1998 roku embrionalne komórki macierzyste zostały po raz pierwszy wyizolowane przez amerykańskiego biologa Jamesa Thomsona , co umożliwiło opracowanie nowych metod transplantacji lub różnych typów komórek do testowania nowych terapii. W 2006 roku zespół Shinya Yamanaki z Kioto w Japonii przekształcił fibroblasty w pluripotencjalne komórki macierzyste, modyfikując ekspresję tylko czterech genów. Wyczyn ten reprezentuje pochodzenie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, znanych jako komórki iPS.

W 2011 r. przejechana przez ciężarówkę samica wilkołaka przeszła leczenie komórkami macierzystymi w Zoo Brasília. Jest to pierwszy odnotowany przypadek użycia komórek macierzystych do leczenia ran u dzikiego zwierzęcia.

Nieruchomości

Klasyczna definicja komórki macierzystej wymaga, aby posiadała dwie właściwości:

Samoodnawianie

Dwa mechanizmy zapewniają utrzymanie populacji komórek macierzystych (nie zmniejszają się):

1. Asymetryczny podział komórek : komórka macierzysta dzieli się na jedną komórkę macierzystą, która jest identyczna z pierwotną komórką macierzystą i inną komórkę potomną, która jest zróżnicowana.

Kiedy komórka macierzysta odnawia się samoczynnie, dzieli się i nie zakłóca stanu niezróżnicowanego. Ta samoodnowa wymaga kontroli cyklu komórkowego, a także utrzymania multipotencji lub pluripotencji, a wszystko to zależy od komórki macierzystej.

2. Różnicowanie stochastyczne: gdy jedna komórka macierzysta rośnie i dzieli się na dwie zróżnicowane komórki potomne, inna komórka macierzysta przechodzi mitozę i wytwarza dwie komórki macierzyste identyczne z pierwotną.

Komórki macierzyste wykorzystują telomerazę , białko, które odbudowuje telomery , w celu ochrony ich DNA i rozszerzenia ich limitu podziału komórkowego ( limit Hayflicka ).

Znaczenie mocy

Pluripotencjalne, embrionalne komórki macierzyste powstają jako komórki wewnętrznej masy komórek (ICM) w blastocyście. Te komórki macierzyste mogą stać się dowolną tkanką w ciele, z wyjątkiem łożyska. Tylko komórki z wcześniejszego stadium zarodka, znanego jako morula , są totipotencjalne, zdolne stać się wszystkimi tkankami w ciele i łożyskiem pozazarodkowym.
Ludzkie embrionalne komórki macierzyste
A: Kolonie komórek macierzystych, które nie zostały jeszcze zróżnicowane.
B: Komórki nerwowe , przykład typu komórek po zróżnicowaniu.

Potencja określa potencjał różnicowania (możliwość różnicowania się na różne typy komórek) komórki macierzystej.

  • Totipotencjalne (znane również jako omnipotentne) komórki macierzyste mogą różnicować się w typy komórek embrionalnych i pozaembrionalnych. Takie komórki mogą zbudować kompletny, żywotny organizm. Komórki te powstają w wyniku fuzji komórki jajowej i plemnika. Komórki wytwarzane przez kilka pierwszych podziałów zapłodnionego jaja są również totipotencjalne.
  • Pluripotencjalne komórki macierzyste są potomkami komórek totipotencjalnych i mogą różnicować się w prawie wszystkie komórki, tj. komórki pochodzące z dowolnego z trzech listków zarodkowych .
  • Multipotencjalne komórki macierzyste mogą różnicować się w wiele typów komórek, ale tylko te należące do blisko spokrewnionej rodziny komórek.
  • Oligopotencjalne komórki macierzyste mogą różnicować się tylko do kilku typów komórek, takich jak limfoidalne lub szpikowe komórki macierzyste.
  • Komórki unipotencjalne mogą wytwarzać tylko jeden typ komórek, własny, ale posiadają właściwość samoodnawiania, co odróżnia je od komórek niemacierzystych (np. komórek progenitorowych , które nie mogą się samoodnawiać).

Identyfikacja

W praktyce komórki macierzyste identyfikuje się na podstawie tego, czy potrafią zregenerować tkankę. Na przykład testem definiującym szpik kostny lub hematopoetyczne komórki macierzyste (HSC) jest zdolność do przeszczepienia komórek i uratowania osoby bez HSC. Pokazuje to, że komórki mogą wytwarzać nowe komórki krwi przez długi czas. Powinno być również możliwe wyizolowanie komórek macierzystych od przeszczepionego osobnika, które same mogą zostać przeszczepione innemu osobnikowi bez HSC, co dowodzi, że komórka macierzysta była zdolna do samoodnowy.

Właściwości komórek macierzystych można zilustrować in vitro , stosując takie metody, jak testy klonogenne , w których pojedyncze komórki są oceniane pod kątem ich zdolności do różnicowania i samoodnawiania. Komórki macierzyste można również wyizolować dzięki posiadaniu charakterystycznego zestawu markerów powierzchniowych komórek. Jednak warunki hodowli in vitro mogą zmienić zachowanie komórek, przez co nie jest jasne, czy komórki będą zachowywać się w podobny sposób in vivo . Toczy się poważna debata na temat tego, czy niektóre proponowane populacje dorosłych komórek są rzeczywiście komórkami macierzystymi.

Embrionalny

Embrionalne komórki macierzyste (RSG) są komórki wewnętrznej masy komórkowej z blastocysty , utworzone przed implantacją w macicy. W rozwoju zarodkowego człowieka blastocysty etap osiągnie 4-5 dni po zapłodnieniu , przy czym składa się z 50-150 komórek. ESC są pluripotencjalne i podczas rozwoju powstają wszystkie pochodne trzech listków zarodkowych : ektodermy , endodermy i mezodermy . Innymi słowy, mogą rozwinąć się w każdy z ponad 200 typów komórek dorosłego ciała, gdy otrzymają wystarczającą i niezbędną stymulację dla określonego typu komórek. Nie przyczyniają się do rozwoju błon pozazarodkowych ani łożyska .

Podczas rozwoju embrionalnego komórki wewnętrznej masy komórkowej stale dzielą się i stają się bardziej wyspecjalizowane. Na przykład część ektodermy w grzbietowej części zarodka specjalizuje się jako „ neurektoderma ”, która w przyszłości stanie się ośrodkowym układem nerwowym . Później w rozwoju, neurulacja powoduje, że neurektoderma tworzy cewę nerwową . Na etapie cewy nerwowej część przednia ulega encefalizacji, aby wytworzyć lub „wzorować” podstawową formę mózgu. Na tym etapie rozwoju głównym typem komórek OUN jest nerwowa komórka macierzysta .

Nerwowe komórki macierzyste odnawiają się samoczynnie iw pewnym momencie przechodzą w progenitorowe komórki gleju radialnego (RGP). Wcześnie powstałe RGP odnawiają się samoczynnie poprzez symetryczny podział, tworząc grupę rezerwuarową komórek progenitorowych . Komórki te przechodzą do stanu neurogennego i zaczynają dzielić się asymetrycznie, aby wytworzyć dużą różnorodność wielu różnych typów neuronów, z których każdy ma unikalną ekspresję genów, cechy morfologiczne i funkcjonalne. Proces generowania neuronów z radialnych komórek glejowych nazywa się neurogenezą . Promieniowa komórka glejowa ma charakterystyczną dwubiegunową morfologię z bardzo wydłużonymi wyrostkami obejmującymi grubość ściany cewy nerwowej. Ma pewne cechy glejowe , w szczególności ekspresję glejowego fibrylarnego kwaśnego białka (GFAP). Promieniowa komórka glejowa jest pierwotną nerwową komórką macierzystą rozwijającego się OUN kręgowców , a jej korpus komórkowy znajduje się w strefie komorowej , przylegającej do rozwijającego się układu komorowego . Nerwowe komórki macierzyste są zaangażowane w linie neuronów ( neurony , astrocyty i oligodendrocyty ), a zatem ich moc jest ograniczona.

Niemal wszystkie dotychczasowe badania wykorzystywały embrionalne komórki macierzyste myszy (mES) lub ludzkie embrionalne komórki macierzyste (hES) pochodzące z wczesnej wewnętrznej masy komórkowej. Oba mają podstawowe cechy komórek macierzystych, ale wymagają bardzo różnych środowisk, aby utrzymać niezróżnicowany stan. Mysie komórki ES hoduje się na warstwie żelatyny jako macierzy zewnątrzkomórkowej (dla wsparcia) i wymagają obecności czynnika hamującego białaczkę (LIF) w pożywce surowicy. Wykazano, że koktajl leków zawierający inhibitory GSK3B i szlaku MAPK/ERK , zwany 2i, utrzymuje pluripotencję w hodowli komórek macierzystych. Ludzkie ESC hoduje się na warstwie odżywczej mysich embrionalnych fibroblastów i wymagają obecności podstawowego czynnika wzrostu fibroblastów (bFGF lub FGF-2). Bez optymalnych warunków hodowli lub manipulacji genetycznych embrionalne komórki macierzyste będą się szybko różnicować.

Ludzka embrionalna komórka macierzysta jest również definiowana przez ekspresję kilku czynników transkrypcyjnych i białek powierzchniowych komórki. Czynniki transkrypcyjne Oct-4 , Nanog i Sox2 tworzą rdzeń sieci regulacyjnej, która zapewnia tłumienie genów prowadzących do różnicowania i utrzymania pluripotencji. Antygenami powierzchniowymi komórki najczęściej stosowanymi do identyfikacji komórek hES są antygeny zarodkowe 3 i 4 specyficzne dla stadium glikolipidów oraz antygeny siarczanu keratanu Tra-1-60 i Tra-1-81. Molekularna definicja komórki macierzystej obejmuje znacznie więcej białek i nadal jest przedmiotem badań.

Wykorzystując ludzkie embrionalne komórki macierzyste do wytwarzania w laboratorium wyspecjalizowanych komórek, takich jak komórki nerwowe lub komórki serca, naukowcy mogą uzyskać dostęp do komórek dorosłego człowieka bez pobierania tkanki od pacjentów. Następnie mogą szczegółowo zbadać te wyspecjalizowane dorosłe komórki, aby spróbować wykryć powikłania chorób lub zbadać reakcje komórek na proponowane nowe leki.

Ze względu na ich połączone zdolności nieograniczonej ekspansji i pluripotencji, embrionalne komórki macierzyste pozostają teoretycznie potencjalnym źródłem medycyny regeneracyjnej i wymiany tkanek po urazie lub chorobie. Jednak obecnie nie ma zatwierdzonych metod leczenia przy użyciu komórek ES. Pierwsza próba na ludziach została zatwierdzona przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków w styczniu 2009 r. Jednak badanie na ludziach rozpoczęto dopiero 13 października 2010 r. w Atlancie w celu zbadania uszkodzenia rdzenia kręgowego . 14 listopada 2011 firma prowadząca badanie ( Geron Corporation ) ogłosiła, że ​​zaprzestanie dalszego rozwoju swoich programów komórek macierzystych. Różnicowanie komórek ES w użyteczne komórki przy jednoczesnym unikaniu odrzucenia przeszczepu to tylko kilka przeszkód, z którymi wciąż borykają się badacze embrionalnych komórek macierzystych. Embrionalne komórki macierzyste, będąc pluripotencjalnymi, wymagają określonych sygnałów do prawidłowego różnicowania – po wstrzyknięciu bezpośrednio do innego organizmu komórki ES różnicują się w wiele różnych typów komórek, powodując potworniak . Względy etyczne dotyczące wykorzystania nienarodzonych ludzkich tkanek są kolejnym powodem braku zatwierdzonych metod leczenia z wykorzystaniem embrionalnych komórek macierzystych. Wiele krajów ma obecnie moratoria lub ograniczenia dotyczące badań nad ludzkimi komórkami ES lub wytwarzania nowych ludzkich linii komórkowych ES.

Mezenchymalne komórki macierzyste

Wiadomo, że mezenchymalne komórki macierzyste (MSC) są multipotencjalne, które można znaleźć w tkankach dorosłych, na przykład w mięśniach, wątrobie, szpiku kostnym. Jak wspomniano powyżej, mezenchymalne komórki macierzyste zwykle działają jako wsparcie strukturalne w różnych narządach i kontrolują ruch substancji. MSC może różnicować się do wielu kategorii komórek, co stanowi ilustrację adipocytów, osteocytów i chondrocytów pochodzących z warstwy mezodermalnej. Gdzie warstwa mezodermy zapewnia wzrost elementów szkieletu ciała, takich jak chrząstka lub kość. Termin „mezo” oznacza środkowy, napar wywodzący się z języka greckiego, co oznacza, że ​​komórki mezenchymalne są w stanie przemieszczać się we wczesnym okresie wzrostu embrionalnego między warstwami ektodermalną i endodermalną. Mechanizm ten pomaga w wypełnianiu przestrzeni, co jest kluczowe dla naprawy ran w organizmach dorosłych, które mają związek z komórkami mezenchymalnymi w skórze właściwej (skórze), kościach lub mięśniach.

Wiadomo, że mezenchymalne komórki macierzyste są niezbędne w medycynie regeneracyjnej. Są szeroko badane w badaniach klinicznych . Ponieważ są one łatwo izolowane i uzyskują wysoką wydajność, wysoką plastyczność, co umożliwia ułatwianie zapalenia i pobudzanie wzrostu komórek, różnicowania komórek i przywracania tkanki pochodzącej z immunomodulacji i immunosupresji. MSC pochodzi ze szpiku kostnego, który wymaga agresywnej procedury, jeśli chodzi o izolację ilości i jakości wyizolowanej komórki, i zależy od wieku dawcy. Porównując częstość MSC w aspiratach szpiku kostnego i zrębie szpiku kostnego, aspiraty mają zwykle niższe wskaźniki MSC niż zręb. Wiadomo, że MSC są heterogeniczne i wykazują wysoki poziom pluripotencjalnych markerów w porównaniu z innymi typami komórek macierzystych, takimi jak embrionalne komórki macierzyste.

Kontrola cyklu komórkowego

Embrionalne komórki macierzyste (ESC) mają zdolność do dzielenia się w nieskończoność przy zachowaniu swojej pluripotencji , co jest możliwe dzięki wyspecjalizowanym mechanizmom kontroli cyklu komórkowego . W porównaniu do proliferujących komórek somatycznych , ESC mają unikalne cechy cyklu komórkowego – takie jak szybki podział komórek spowodowany skróconą fazą G1 , brak fazy G0 oraz modyfikacje w punktach kontrolnych cyklu komórkowego – które w danym momencie pozostawiają komórki głównie w fazie S. O szybkim podziale ESC świadczy ich krótki czas podwajania, który wynosi od 8 do 10 godzin, podczas gdy komórki somatyczne mają czas podwojenia wynoszący około 20 godzin lub dłużej. W miarę różnicowania się komórek te właściwości zmieniają się: fazy G1 i G2 wydłużają się, co prowadzi do dłuższych cykli podziału komórek. Sugeruje to, że specyficzna struktura cyklu komórkowego może przyczynić się do ustalenia pluripotencji.

W szczególności, ponieważ faza G1 jest fazą, w której komórki mają zwiększoną wrażliwość na różnicowanie, skrócony G1 jest jedną z kluczowych cech ESC i odgrywa ważną rolę w utrzymaniu niezróżnicowanego fenotypu . Chociaż dokładny mechanizm molekularny pozostaje tylko częściowo poznany, kilka badań wykazało wgląd w to, jak ESC przechodzą przez G1 – i potencjalnie inne fazy – tak szybko.

Cykl komórkowy jest regulowany przez złożoną sieć cyklin , kinaz zależnych od cyklin (Cdk), inhibitorów kinaz zależnych od cyklin (Cdkn), białek kieszonkowych z rodziny siatkówczaka (Rb) i innych czynników pomocniczych. Podstawową wiedzę na temat charakterystycznej regulacji cyklu komórkowego ESC uzyskano dzięki badaniom na mysich ESC (mESC). mESC wykazały cykl komórkowy z bardzo skróconą fazą G1, co umożliwiło komórkom szybkie przechodzenie między fazą M i S. W somatycznym cyklu komórkowym aktywność oscylacyjna kompleksów cyklina-Cdk jest obserwowana w działaniu sekwencyjnym, które kontroluje kluczowe regulatory cyklu komórkowego w celu wywołania jednokierunkowych przejść między fazami: cyklina D i Cdk4/6 są aktywne w fazie G1, natomiast cyklina E a Cdk2 są aktywne podczas późnej fazy G1 i fazy S; a cyklina A i Cdk2 są aktywne w fazie S i G2, podczas gdy cyklina B i Cdk1 są aktywne w fazie G2 i M. Jednak w mESC ta typowo uporządkowana i oscylacyjna aktywność kompleksów cyklina-Cdk jest nieobecna. Przeciwnie, kompleks cyklina E/Cdk2 jest konstytutywnie aktywny przez cały cykl, utrzymując hiperfosforylację białka siatkówczaka (pRb), a tym samym nieaktywność. Pozwala to na bezpośrednie przejście z fazy M do późnej fazy G1, co prowadzi do braku cyklin typu D, a zatem skrócenia fazy G1. Aktywność Cdk2 ma kluczowe znaczenie zarówno dla regulacji cyklu komórkowego, jak i decyzji dotyczących losu komórek w mESC; regulacja w dół aktywności Cdk2 przedłuża progresję fazy G1, ustanawia somatyczny cykl komórkowy i indukuje ekspresję markerów różnicowania.

W ludzkich ESC (hESC) czas trwania G1 jest dramatycznie skrócony. Przypisuje się to wysokim poziomom mRNA związanych z G1 genów cykliny D2 i Cdk4 oraz niskim poziomom białek regulatorowych cyklu komórkowego, które hamują progresję cyklu komórkowego w G1, takich jak p21 CipP1 , p27 Kip1 i p57 Kip2 . Ponadto regulatory aktywności Cdk4 i Cdk6, takie jak członkowie rodziny inhibitorów Ink (p15, p16, p18 i p19), ulegają ekspresji na niskim poziomie lub wcale. Tak więc, podobnie jak mESC, hESC wykazują wysoką aktywność Cdk, przy czym Cdk2 wykazuje najwyższą aktywność kinazy. Podobnie jak mESC, hESC wykazują znaczenie Cdk2 w regulacji fazy G1, pokazując, że przejście G1 do S jest opóźnione, gdy aktywność Cdk2 jest zahamowana, a G1 jest zatrzymane, gdy Cdk2 jest stłumiony. Jednak w przeciwieństwie do mESC, hESC mają funkcjonalną fazę G1. hESC pokazują, że aktywności kompleksów cyklina E/Cdk2 i cyklina A/Cdk2 są zależne od cyklu komórkowego, a punkt kontrolny Rb w G1 jest funkcjonalny.

ESC charakteryzują się również niefunkcjonalnością punktu kontrolnego G1, mimo że punkt kontrolny G1 ma kluczowe znaczenie dla utrzymania stabilności genomu. W odpowiedzi na uszkodzenie DNA ESC nie zatrzymują się w G1 w celu naprawy uszkodzeń DNA, ale zamiast tego zależą od punktów kontrolnych S i G2/M lub przechodzą apoptozę. Brak punktu kontrolnego G1 w ESC pozwala na usunięcie komórek z uszkodzonym DNA, unikając w ten sposób potencjalnych mutacji spowodowanych niedokładną naprawą DNA. Zgodnie z tą ideą ESC są nadwrażliwe na uszkodzenia DNA, aby zminimalizować mutacje przekazywane następnemu pokoleniu.

Płodowy

Pierwotne komórki macierzyste znajdujące się w narządach płodów nazywane są płodowymi komórkami macierzystymi.

Istnieją dwa rodzaje płodowych komórek macierzystych:

  1. Właściwe komórki macierzyste płodu pochodzą z tkanki płodu właściwego i są na ogół pozyskiwane po aborcji . Te komórki macierzyste nie są nieśmiertelne, ale mają wysoki poziom podziału i są multipotencjalne.
  2. Pozazarodkowe komórki macierzyste płodu pochodzą z błon pozazarodkowych i na ogół nie są odróżniane od dorosłych komórek macierzystych. Te komórki macierzyste są pozyskiwane po urodzeniu, nie są nieśmiertelne, ale mają wysoki poziom podziału komórek i są pluripotencjalne.

Dorosły

Podział i różnicowanie komórek macierzystych A: komórka macierzysta; B: komórka progenitorowa; C: komórka zróżnicowana; 1: symetryczny podział komórek macierzystych; 2: asymetryczny podział komórek macierzystych; 3: podział przodków; 4: zróżnicowanie końcowe

Dorosłe komórki macierzyste, zwane także somatycznymi (z greckiego σωματικóς, „ciała”), to komórki macierzyste, które utrzymują i naprawiają tkankę, w której się znajdują. Można je znaleźć zarówno u dzieci, jak i dorosłych.

Istnieją trzy znane dostępne źródła autologicznych dorosłych komórek macierzystych u ludzi:

  1. Szpik kostny , który wymaga ekstrakcji przez pobranie , zwykle z kości miednicy poprzez zabieg chirurgiczny.
  2. Tkanka tłuszczowa (komórki tłuszczowe), która wymaga ekstrakcji metodą liposukcji.
  3. Krew, która wymaga ekstrakcji przez aferezę , w której krew jest pobierana od dawcy (podobnie jak w przypadku oddawania krwi) i przepuszczana przez maszynę, która pobiera komórki macierzyste i zwraca inne porcje krwi dawcy.

Komórki macierzyste można również pobrać z krwi pępowinowej zaraz po urodzeniu. Ze wszystkich typów komórek macierzystych pobieranie autologiczne wiąże się z najmniejszym ryzykiem. Z definicji komórki autologiczne są pozyskiwane z własnego ciała, tak jak można przechowywać własną krew do planowych zabiegów chirurgicznych.

Dorosłe pluripotencjalne komórki macierzyste są rzadkie i generalnie nieliczne, ale można je znaleźć we krwi pępowinowej i innych tkankach. Szpik kostny jest bogatym źródłem dorosłych komórek macierzystych, które stosowano w leczeniu wielu schorzeń, w tym marskości wątroby, przewlekłego niedokrwienia kończyn i schyłkowej niewydolności serca. Ilość komórek macierzystych szpiku kostnego spada wraz z wiekiem i jest większa u mężczyzn niż u kobiet w okresie rozrodczym. Wiele dotychczasowych badań nad komórkami macierzystymi dorosłych miało na celu scharakteryzowanie ich siły działania i zdolności do samoodnowy. Uszkodzenia DNA kumulują się wraz z wiekiem zarówno w komórkach macierzystych, jak i komórkach tworzących środowisko komórek macierzystych. Uważa się, że ta akumulacja jest odpowiedzialna, przynajmniej częściowo, za zwiększenie dysfunkcji komórek macierzystych wraz ze starzeniem się (patrz teoria starzenia się uszkodzeń DNA ).

Większość dorosłe komórki macierzyste są pochodzenia linii ( multipotentne ) i są zwykle określane przez pochodzenie tkanki ( mezenchymalnych komórek macierzystych , pochodzących z tkanki tłuszczowej komórek macierzystych, komórek śródbłonka trzpienia , dentystycznej pulpy komórkę macierzystą , itp.); Komórki muzowe (wieloliniowe, różnicujące komórki odporne na stres) to niedawno odkryty pluripotencjalny typ komórek macierzystych, występujący w wielu tkankach dorosłych, w tym w tkance tłuszczowej, fibroblastach skóry i szpiku kostnym. Chociaż rzadkie, komórki muzowe można zidentyfikować na podstawie ekspresji SSEA-3 , markera niezróżnicowanych komórek macierzystych i ogólnych markerów mezenchymalnych komórek macierzystych, takich jak CD105 . Po poddaniu hodowli zawiesinowej pojedynczych komórek, komórki wytworzą klastry, które są podobne do ciał embrionalnych pod względem morfologii i ekspresji genów, w tym kanonicznych markerów pluripotencji Oct4 , Sox2 i Nanog .

Leczenie dorosłych komórkami macierzystymi jest z powodzeniem stosowane od wielu lat w leczeniu białaczki i związanych z nią nowotworów kości/krwi poprzez przeszczepy szpiku kostnego. Dorosłe komórki macierzyste są również wykorzystywane w medycynie weterynaryjnej do leczenia urazów ścięgien i więzadeł u koni.

Wykorzystanie dorosłych komórek macierzystych w badaniach i terapii nie jest tak kontrowersyjne jak wykorzystanie embrionalnych komórek macierzystych , ponieważ produkcja dorosłych komórek macierzystych nie wymaga zniszczenia zarodka . Dodatkowo, w przypadkach, gdy dorosłe komórki macierzyste są pozyskiwane od zamierzonego biorcy ( przeszczep autologiczny ), ryzyko odrzucenia zasadniczo nie istnieje. W związku z tym na badania nad komórkami macierzystymi dorosłych przeznacza się więcej funduszy rządowych USA.

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na ludzkie dorosłe komórki macierzyste zarówno do celów badawczych, jak i klinicznych (zwykle na 1 leczenie potrzeba 1-5 milionów komórek na kg masy ciała) niezwykle ważne staje się wypełnienie luki między potrzebą ekspansji komórek in vitro oraz zdolność do wykorzystania czynników leżących u podstaw starzenia replikacyjnego. Wiadomo, że dorosłe komórki macierzyste mają ograniczoną długość życia in vitro i niemal niewykrywalnie wchodzą w starzenie replikacyjne po rozpoczęciu hodowli in vitro.

Owodniowy

Nazywane również okołoporodowymi komórkami macierzystymi, te multipotencjalne komórki macierzyste znajdują się w płynie owodniowym i krwi pępowinowej. Te komórki macierzyste są bardzo aktywne, ekstensywnie rozrastają się bez pokarmów i nie są rakotwórcze. Komórki macierzyste owodni są multipotencjalne i mogą różnicować się w komórkach linii adipogenicznych, osteogennych, miogennych, śródbłonkowych, wątrobowych, a także neuronalnych. Owodniowe komórki macierzyste są przedmiotem aktywnych badań.

Wykorzystanie komórek macierzystych z płynu owodniowego przezwycięża zastrzeżenia etyczne dotyczące wykorzystywania ludzkich embrionów jako źródła komórek. Nauczanie rzymskokatolickie zabrania używania embrionalnych komórek macierzystych w eksperymentach; w związku z tym watykańska gazeta „ Osservatore Romano ” nazwała owodniowe komórki macierzyste „przyszłością medycyny”.

Możliwe jest pobranie komórek macierzystych owodniowych dla dawców lub do użytku autologicznego: pierwszy amerykański bank komórek macierzystych owodniowych został otwarty w 2009 r. w Medford, MA, przez Biocell Center Corporation i współpracuje z różnymi szpitalami i uniwersytetami na całym świecie.

Indukowany pluripotencjalny

Dorosłe komórki macierzyste mają ograniczoną moc; w przeciwieństwie do embrionalnych komórek macierzystych (ESC) nie są w stanie różnicować się w komórki ze wszystkich trzech listków zarodkowych . W związku z tym są uważane za multipotencjalne .

Jednak przeprogramowanie pozwala na tworzenie pluripotencjalnych komórek, indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) z komórek dorosłych. Nie są to dorosłe komórki macierzyste, ale komórki somatyczne (np. komórki nabłonkowe) przeprogramowane, aby dać początek komórkom o zdolnościach pluripotencjalnych. Dzięki przeprogramowaniu genetycznemu z użyciem białkowych czynników transkrypcyjnych uzyskano pluripotencjalne komórki macierzyste o zdolnościach podobnych do ESC. Pierwszą demonstrację indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych przeprowadzili Shinya Yamanaka i jego koledzy z Uniwersytetu w Kioto . Wykorzystali czynniki transkrypcyjne Oct3/4 , Sox2 , c-Myc i Klf4 do przeprogramowania mysich fibroblastów w komórki pluripotencjalne. W dalszych pracach wykorzystano te czynniki do wywołania pluripotencji w ludzkich komórkach fibroblastów. Junying Yu , James Thomson i ich koledzy z University of Wisconsin-Madison wykorzystali inny zestaw czynników, Oct4, Sox2, Nanog i Lin28, i przeprowadzili swoje eksperymenty na komórkach z ludzkiego napletka . Jednak były one zdolne do replikacji Yamanaka stwierdzenie, jakoby wywoływania pluripotencja w komórkach ludzkich było możliwe.

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste różnią się od embrionalnych komórek macierzystych. Mają wiele podobnych właściwości, takich jak pluripotencja i potencjał różnicowania, ekspresja genów pluripotencji , wzorce epigenetyczne , tworzenie ciał embrionalnych i potworniaków oraz tworzenie żywotnych chimer , ale istnieje wiele różnic w tych właściwościach. Chromatyna iPSC wydaje się być bardziej „zamknięta” lub zmetylowana niż chromatyna ESC. Podobnie wzór ekspresji genów między ESC i iPSC, a nawet iPSC pochodzących z różnych źródeł. Pojawiają się zatem pytania o „kompletność” przeprogramowania i pamięć somatyczną indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. Mimo to indukowanie pluripotencjalnych komórek somatycznych wydaje się być możliwe.

W wyniku sukcesu tych eksperymentów Ian Wilmut , który pomógł stworzyć pierwsze sklonowane zwierzę Owca Dolly , ogłosił, że zrezygnuje z transferu jądra komórki somatycznej jako drogi badawczej.

IPSC znacznie pomogły dziedzinie medycyny, znajdując liczne sposoby leczenia chorób. Ponieważ ludzkie IPSCc dało przewagę w tworzeniu modeli in vitro do badania toksyn i patogenezy.

Ponadto indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste zapewniają szereg korzyści terapeutycznych. Podobnie jak ESC są pluripotencjalne . Mają więc duży potencjał różnicowania; teoretycznie mogą wytworzyć dowolną komórkę w ludzkim ciele (jeśli przeprogramowanie do pluripotencji było „kompletne”). Co więcej, w przeciwieństwie do ESC, mogą potencjalnie umożliwić lekarzom stworzenie pluripotencjalnej linii komórek macierzystych dla każdego indywidualnego pacjenta. Zamrożone próbki krwi mogą być wykorzystywane jako cenne źródło indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. Swoiste dla pacjenta komórki macierzyste pozwalają na skrining pod kątem działań niepożądanych przed leczeniem farmakologicznym, a także zmniejszają ryzyko odrzucenia przeszczepu. Pomimo ich obecnego ograniczonego zastosowania terapeutycznego, iPSC mają ogromny potencjał do przyszłego zastosowania w leczeniu i badaniach medycznych.

Kontrola cyklu komórkowego

Kluczowe czynniki kontrolujące cykl komórkowy regulują również pluripotencję . Zatem manipulacja odpowiednimi genami może utrzymać pluripotencję i przeprogramować komórki somatyczne do indukowanego stanu pluripotencjalnego. Jednak przeprogramowanie komórek somatycznych jest często mało wydajne i uważane za stochastyczne .

Przy założeniu, że szybszy cykl komórkowy jest kluczowym elementem pluripotencji, można poprawić wydajność przeprogramowania. Sposoby poprawy pluripotencji poprzez manipulacje regulatorami cyklu komórkowego obejmują: nadekspresję cykliny D/Cdk4, fosforylację Sox2 w S39 i S253, nadekspresję cykliny A i cykliny E, knockdown Rb i knockdown członków rodziny Cip/Kip lub rodzina atramentów. Ponadto skuteczność przeprogramowania jest skorelowana z liczbą podziałów komórkowych zachodzących w fazie stochastycznej, co sugeruje rosnąca nieefektywność przeprogramowania starszych lub wolno nurkujących komórek.

Rodowód

Rodowód jest ważną procedurą analizy rozwijających się zarodków. Ponieważ linie komórkowe pokazują relacje między komórkami w każdym podziale. Pomaga to w analizie linii komórek macierzystych po drodze, co pomaga rozpoznać skuteczność komórek macierzystych, długość życia i inne czynniki. Dzięki technice linii komórkowej zmutowane geny można analizować w klonach komórek macierzystych, co może pomóc w szlakach genetycznych. Te szlaki mogą regulować działanie komórek macierzystych.

Aby zapewnić samoodnowę, komórki macierzyste podlegają dwóm rodzajom podziału komórek (patrz schemat podziału i różnicowania komórek macierzystych ). Podział symetryczny daje początek dwóm identycznym komórkom potomnym, które mają właściwości komórek macierzystych. Natomiast podział asymetryczny wytwarza tylko jedną komórkę macierzystą i komórkę progenitorową o ograniczonym potencjale samoodnowy. Komórki progenitorowe mogą przejść przez kilka rund podziału komórki, zanim ostatecznie zróżnicują się w dojrzałą komórkę. Możliwe, że molekularne rozróżnienie między podziałami symetrycznymi i asymetrycznymi polega na zróżnicowanej segregacji białek błony komórkowej (takich jak receptory ) między komórkami potomnymi.

Alternatywna teoria głosi, że komórki macierzyste pozostają niezróżnicowane ze względu na czynniki środowiskowe w ich konkretnej niszy . Komórki macierzyste różnicują się, gdy opuszczają tę niszę lub nie otrzymują już tych sygnałów. Badania nad Drosophila germarium zidentyfikowały sygnały połączeń dekapentapletycznych i przylegających, które zapobiegają różnicowaniu się komórek macierzystych germarium.

Terapie

Terapia komórkami macierzystymi to wykorzystanie komórek macierzystych do leczenia lub zapobiegania chorobie lub stanowi. Przeszczep szpiku kostnego to forma terapii komórkami macierzystymi stosowana od wielu lat, ponieważ okazała się skuteczna w badaniach klinicznych.

Implantacja komórek macierzystych może pomóc we wzmocnieniu lewej komory serca, a także w zachowaniu tkanki serca u pacjentów, którzy w przeszłości cierpieli na zawały serca.

Zalety

Leczenie komórkami macierzystymi może zmniejszyć objawy choroby lub stanu, który jest leczony. Obniżenie objawów może pozwolić pacjentom na zmniejszenie przyjmowania leku na chorobę lub stan. Leczenie komórkami macierzystymi może również dostarczyć społeczeństwu wiedzy, która pozwoli lepiej poznać komórki macierzyste i przyszłe metody leczenia. Credo lekarzy brzmi: nie wyrządzać krzywdy, a komórki macierzyste czynią to prostszym niż kiedykolwiek wcześniej. Procesy chirurgiczne ze względu na swój charakter są szkodliwe. Aby osiągnąć pomyślny wynik, tkankę należy upuścić. Można zapobiec niebezpieczeństwu interwencji chirurgicznych z wykorzystaniem komórek macierzystych. Dodatkowo istnieje możliwość choroby, a jeśli zabieg się nie powiedzie, może być konieczna dalsza operacja. Zagrożenia związane ze znieczuleniem można również wyeliminować za pomocą komórek macierzystych. Co więcej, komórki macierzyste zostały pobrane z ciała pacjenta i umieszczone w miejscu, w którym są poszukiwane. Ponieważ pochodzą z własnego ciała pacjenta, określa się to mianem leczenia autologicznego. Uważa się, że autologiczne środki zaradcze są najbezpieczniejsze, ponieważ prawdopodobieństwo odrzucenia substancji dawcy jest zerowe.

Niedogodności

Leczenie komórkami macierzystymi może wymagać immunosupresji ze względu na konieczność napromieniowania przed przeszczepem w celu usunięcia wcześniejszych komórek danej osoby lub ponieważ układ odpornościowy pacjenta może atakować komórki macierzyste. Jednym ze sposobów uniknięcia drugiej możliwości jest wykorzystanie komórek macierzystych od tego samego pacjenta, który jest leczony.

Pluripotencja niektórych komórek macierzystych może również utrudniać uzyskanie określonego typu komórek. Trudno jest również uzyskać dokładny typ komórek, ponieważ nie wszystkie komórki w populacji różnicują się równomiernie. Niezróżnicowane komórki mogą tworzyć tkanki inne niż pożądane typy.

Niektóre komórki macierzyste tworzą guzy po przeszczepie; Pluripotencja jest związana z powstawaniem guza, zwłaszcza w embrionalnych komórkach macierzystych, właściwych komórkach macierzystych płodu, indukowanych pluripotencjalnych komórkach macierzystych. Prawidłowe komórki macierzyste płodu tworzą guzy pomimo multipotencji.

Podnoszone są również obawy etyczne dotyczące praktyki wykorzystywania lub badania embrionalnych komórek macierzystych. Pobranie komórek z blastocysty powoduje śmierć blastocysty. Problemem jest to, czy blastocysta powinna być uważana za ludzkie życie. Debata na ten temat ma głównie charakter filozoficzny, a nie naukowy. Ocena naukowa potwierdziłaby, że blastocysta rzeczywiście żyje i że komórki są rzeczywiście ludzkie, co czyni z blastocysty ludzkie życie.

Turystyka z komórkami macierzystymi

Turystyka komórkami macierzystymi to branża, w której pacjenci (a czasami ich rodziny) podróżują do innej jurysdykcji, aby uzyskać niezatwierdzone procedury z wykorzystaniem komórek macierzystych, które są reklamowane w Internecie jako sprawdzone leki.

W ostatnich latach w Stanach Zjednoczonych nastąpiła eksplozja „klinik komórek macierzystych”. Procedury z wykorzystaniem komórek macierzystych są bardzo opłacalne dla klinik. Reklama brzmi autorytatywnie, ale skuteczność i bezpieczeństwo procedur nie zostało udowodnione. Pacjenci czasami doświadczają powikłań, takich jak guzy kręgosłupa i śmierć. Wysoki koszt może również doprowadzić do ruiny finansowej. Zdaniem badaczy istnieje potrzeba edukowania społeczeństwa, pacjentów i lekarzy na ten temat.

Według Międzynarodowego Towarzystwa Badań nad Komórkami Macierzystymi , największej organizacji akademickiej, która opowiada się za badaniami nad komórkami macierzystymi, terapie komórkami macierzystymi są w trakcie opracowywania i nie można ich jeszcze uznać za udowodnione. Lekarze powinni informować pacjentów, że badania kliniczne nadal sprawdzają, czy te terapie są bezpieczne i skuteczne, ale nieetyczne kliniki przedstawiają je jako udowodnione.

Badania

Niektóre z podstawowych patentów obejmujących ludzkie embrionalne komórki macierzyste są własnością Fundacji Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF) – są to patenty 5 843 780, 6 200 806 i 7 029 913 wynalezione przez Jamesa A. Thomsona . WARF nie egzekwuje tych patentów przeciwko naukowcom akademickim, ale egzekwuje je przeciwko firmom.

W 2006 roku wniosek o Patentów i Znaków Towarowych (USPTO), aby ponownie przeanalizować trzy patenty został złożony przez Public Patent Foundation w imieniu swojego klienta, non-profit grupa patentem watchdog Consumer Watchdog (dawniej Fundacja Prawa podatnika i konsumenta). W procesie ponownej oceny, który obejmuje kilka rund dyskusji między USPTO a stronami, USPTO początkowo zgodził się z Consumer Watchdog i odrzucił wszystkie roszczenia we wszystkich trzech patentach, jednak w odpowiedzi WARF zmienił roszczenia wszystkich trzech patentów na uczynić je bardziej zawężonymi, aw 2008 roku USPTO uznała, że ​​zmienione zastrzeżenia we wszystkich trzech patentach mają zdolność patentową. Decyzja w sprawie jednego z patentów (7 029 913) była zaskarżalna, w przypadku pozostałych dwóch nie. Consumer Watchdog odwołał się od przyznania patentu '913 do Rady Odwołań Patentowych i Zakłóceń (BPAI) USPTO, która uwzględniła odwołanie, a w 2010 roku BPAI zdecydował, że zmienione roszczenia patentu '913 nie mają zdolności patentowej. Jednak WARF był w stanie ponownie wszcząć postępowanie w sprawie i zrobił to, zmieniając zastrzeżenia patentu '913 ponownie, aby je zawęzić, a w styczniu 2013 r. zmienione roszczenia zostały dopuszczone.

W lipcu 2013 r. Consumer Watchdog ogłosił, że odwoła się od decyzji o dopuszczeniu roszczeń z patentu '913 do amerykańskiego Sądu Apelacyjnego dla Okręgu Federalnego (CAFC), federalnego sądu apelacyjnego, który rozpatruje sprawy patentowe. Na rozprawie w grudniu 2013 r. CAFC podniósł kwestię, czy Consumer Watchdog ma legitymację prawną do odwołania; sprawa nie mogła być kontynuowana, dopóki problem nie został rozwiązany.

Dochodzenia

Choroby i stany, w których badane jest leczenie komórkami macierzystymi.

Choroby i stany, w których badane jest leczenie komórkami macierzystymi, obejmują:

Trwają badania mające na celu opracowanie różnych źródeł komórek macierzystych i zastosowanie terapii komórkami macierzystymi w chorobach i schorzeniach neurodegeneracyjnych , cukrzycy , chorobach serca i innych schorzeniach. Trwają również badania nad generowaniem organoidów przy użyciu komórek macierzystych, co pozwoliłoby na dalsze zrozumienie rozwoju człowieka, organogenezy i modelowania chorób człowieka.

W ostatnich latach, wraz ze zdolnością naukowców do izolowania i hodowania embrionalnych komórek macierzystych oraz rosnącą zdolnością naukowców do tworzenia komórek macierzystych za pomocą transferu jądra komórki somatycznej i technik tworzenia indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych , wkradły się kontrowersje, oba związane z polityka aborcyjna i klonowanie ludzi .

Hepatotoksyczność i polekowe uszkodzenie wątroby odpowiadają za znaczną liczbę niepowodzeń opracowywania nowych leków i wycofywania z rynku, co wskazuje na potrzebę badań przesiewowych, takich jak komórki hepatocytopodobne pochodzące z komórek macierzystych, które są zdolne do wczesnego wykrywania toksyczności leku proces rozwoju .

Wybitne badania

W sierpniu 2021 r. naukowcy z Princess Margaret Cancer Center w University Health Network opublikowali swoje odkrycie mechanizmu uśpienia w kluczowych komórkach macierzystych, które mogą pomóc w opracowaniu metod leczenia raka w przyszłości.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki