Historie kmenových buněk

By Hidaya Aliouche, B.Sc.Reviewed by Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

Objev kmenových buněk začal v 50. letech 20. století z neobvyklého zdroje – teratokarcinomů a nádorů obsahujících různé typy tkání (neboli heterogenní směs). Patří mezi ně plně specializované, diferencované struktury, jako jsou zuby a vlasy.

nobeastsofierce |

Pozorování maligního růstu a transplantovatelnosti naznačilo přítomnost proliferativní (vysoce dělící se) a nediferencované (nespecializované a schopné produkovat řadu buněčných typů) buňky. Tato buňka byla pojmenována jako buňka embryonálního karcinomu (EC).

Průkopnický experiment prokázal, že injekce EC buněk do mozku dospělé myši vedla ke vzniku teratokarcinomu; to poskytlo konkrétní důkaz, že EC buňky mohou produkovat všechny buněčné složky teratokarcinomu. Potvrzující důkaz o jejich schopnosti propagovat nádory a sebeobnovovat se naznačila jejich schopnost být transplantovány.

Buňky zárodku a buňky embryonálního karcinomu

Původ EC buněk je u lidí a myší především testikulární. Leroy Stevens zjistil, že teratokarcinomy u 129 kmenů inbredních myší vznikly ze zárodečných buněk, tedy buněk spermií a vajíček. Je paradoxní, že zárodečné buňky nedávají vznik nádorům, ani se nediferencují na jiné typy buněk.

EC buňky vykazovaly podobnou morfologii (tvar) jako buňky přítomné v raném embryu, což potvrzovalo jejich zárodečný původ. Tyto embryonální zakladatelské buňky mají schopnost produkovat buňky všech tělních linií, tzv. somatické buňky. Tato vlastnost se označuje jako pluripotence a takové buňky bylo možné zachovat při sériové transplantaci vzorku teratokarcinomu.

Objevování potence

Buňky EC jsou podobné buňkám v raném embryu, které se vyskytují před gastrulací. Buňky EC lze rozšířit do buněčné linie, což se skutečně podařilo v roce 1970 s kulturami z testikulárních a embryonálních teratokarcinomů.

Úspěšné vysvětlení vyžadovalo použití fibroblastů, které byly inaktivovány, aby se zabránilo mitotickému dělení. Tyto buňky vylučují faktory, které podporují udržení, proliferaci a životaschopnost buněk EC.

Linie EC navíc vykazovaly variabilitu ve schopnosti diferenciace, což bylo podnětem k hypotéze, že ne všechny buňky jsou pluripotentní; přesněji řečeno, že existuje rozdíl v potenciálu buňky dávat různé specializované (diferencované) typy buněk.

Tato vlastnost se označuje jako potence, které existují čtyři typy v hierarchickém pořadí:

1. Totipotence – potenciál dát vzniknout všem typům buněk v embryu a dospělosti (např.g. oplodněné vajíčko), tedy totipotentní buňka může dát vzniknout celému organismu
2. Pluripotence – potenciál dát vzniknout buňkám všech tělních linií, ale ne celý organismus
3. Multipotence – potenciál buňky dát vzniknout omezenému počtu typů buněk v těle
4. Unipotence – schopnost buňky dát vzniknout pouze jednomu typu buněk

Z těchto samoobnovujících se nediferencovaných buněk mohou vzniknout terminálně diferencované buňky. Vědci Martin Evans a Gail Martinová se místo toho zaměřili na způsoby, jak zachovat pluripotenci, o níž v současnosti víme, že je nejsilnějším typem buněk. Zjistili, že subklony pluripotentních buněk EC při pěstování na napájecí vrstvě a při absenci této vrstvy vytvářejí smíšenou populaci fibroblastických buněk (diferencovaných buněk) prokládanou hnízdy nediferencovaných buněk.

Toto zjištění naznačuje, že buňky EC mohou prostřednictvím diferenciace vytvářet vlastní napájecí fibroblastické buňky, a vyvozují z toho, že tyto buňky musí být nezbytné pro zachování pluripotentní povahy těchto buněk. Současně si Martin a Evans všimli, že séra, v nichž byly buňky EC suspendovány, se lišila ve schopnosti podporovat expanzi a schopnost diferenciace buněk EC. To vedlo ke zjištění pluripotence a následně ke spolehlivé kultivační metodice pro produkci a množení EC buněk se zachovanou pluripotencí.

Kmenové buňky jako iniciátory embryonálního růstu a vývoje

Další zkoumání EC buněk Martinem a Evansem odhalilo, že při agregaci EC buněk tvoří vzniklé kolonie struktury zvané embryoidní tělíska se specifickou embryonální identitou díky svým diferenciačním vlastnostem.

Podobnost mezi nimi podnítila další zkoumání; aby se ověřilo, zda buňky EC mohou přispět k embryu, byly buňky EC injikovány do blastocysty (předembryonální struktury vytvořené 5-6 dní po oplodnění) a výsledky byly analyzovány.

Ve většině případů se buňky EC nedokázaly začlenit do embrya, některé vytvořily nádory nebo vývojové abnormality. Některé pluripotentní buněčné linie EC však kolonizovaly hostitelské embryo a následně se narodily chiméry.

Chiméry jsou organismy, které obsahují dvě různé sady DNA; v tomto případě byly myši vytvořeny z DNA kódované v pohlavních buňkách a DNA buněk EC. Tím se prokázalo, že podskupina buněk EC může plnit funkci normálních embryonálních buněk a pracovat v kontextu prostředí hostitelského embrya.

Na cestě ke zdravé chiméře

Podíl chimérických myší byl však nízký. Toto zjištění spolu s obrovskými rozdíly v jejich účinnosti mezi jednotlivými liniemi, vznikem chimérických nádorů a změnami v jejich genetické stabilitě podnítilo hledání jiného zdroje pluripotentních buněk.

Pravděpodobným vysvětlením těchto jevů byla neměnná pravděpodobnost, že buňky EC nesou chromozomální anomálie. Všechny výsledky naznačovaly, že jejich podobnost s embryi je sporná; přesněji řečeno, jejich schopnost chovat se pluripotentním způsobem podobným embryu byla podmíněna jejich výskytem v nádorech a jejich vrozenými genetickými abnormalitami.

Méně problematický zdroj pluripotentních kmenových buněk poskytovalo samotné embryo. Evans a Martins použili stejné podmínky pro optimalizovaný sběr buněk EC na podávacích vrstvách, aby úspěšně získali nediferencované buněčné linie z myších blastocyst.

Vzniklé buňky se funkčně podobaly buňkám EC a při transplantaci do dospělých myší mohly produkovat teratokarcinomy. To naznačovalo, že se mohly transformovat na buňky ES.

Aby Evans tuto možnost vyloučil, zjistil v roce 1984, že tyto buňky mohou přispívat ke vzniku zdravých chimér, u nichž byla DNA úspěšně přenesena prostřednictvím zárodečné linie (vajíčka a spermie). Pluripotentní buňky, které bylo možné získat z embrya, se rozšiřovaly mnohonásobným dělením, aniž by se transformovaly, a zachovaly si vlastní genetické složení. Tyto buňky jsou v současnosti známy jako embryonální kmenové buňky (ESC).

O deset let později Matsui zjistil, že z primordiálních zárodečných buněk (PGC) vznikají proliferativní kmenové buňky. Ty byly označeny jako embryonální zárodečné buňky (EG) a kromě původu se od ES buněk prakticky neliší. Tím se vysvětlil původ zárodečných buněk nebo teratokarcinomů – zárodečné buňky byly indukovány k přeměně na pluripotentní kmenové buňky in vivo.

Perspektivy do budoucna: terapie kmenovými buňkami

Schopnost přenosu a uchování genetické složky ES buněk prostřednictvím zárodečné linie nabízí možnost zavedení genetických modifikací u myší. Jsou také přístupné řadě přístupů ke genetické manipulaci a lze je rozšiřovat; například o funkce umožňující oddělení buněk, které prošly vzácnou událostí, jako je homologní rekombinace, při níž buňky procházejí určitou genetickou změnou v podobě výměny mezi dvěma podobnými molekulami DNA.

V roce 1989 byly úspěšně vytvořeny ES buňky s upraveným genetickým knokautem. Od té doby bylo toto genové cílení ES buněk rozšířeno. A zatímco výzkum v osmdesátých a počátkem devadesátých let se zaměřil na genetické cílení, koncem devadesátých let došlo k velkému pokroku v pochopení toho, proč a proč se pluripotence udržuje v ES buňkách.

V současné době byly odhaleny molekulární mechanismy, které jsou základem stavu ES buněk. První ohlášená izolace linií lidských embryonálních kmenových buněk (hESC) přesunula pozornost od myších modelů a umožnila prozkoumat jejich terapeutické důsledky. V současné době jsou hESC nepostradatelné a výsledky klinických studií založených na hESC stanoví zlatý standard pro budoucí terapii založenou na kmenových buňkách.

V roce 2006 se podařil průlom díky identifikaci podmínek, které umožní buněčné přeprogramování dospělých somatických buněk tak, aby mohly nabýt stavu podobného kmenovým buňkám. To je nyní známo jako indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSC). Jejich terapeutické využití je potenciálně větší než u hESC, protože díky tomu, že tyto buňky mohou být odebrány samotnému pacientovi a následně přeprogramovány, se lékaři mohou vyhnout problému odmítnutí, který je způsoben histokompatibilitou.

Tou se rozumí proces, kdy dárce disponuje různými antigeny, které signalizují imunitnímu systému hostitele příjemce, že buňka je cizí, a proto vedou k imunitní reakci, která cizí buňku zničí. This is basically seen as organ rejection.

This additionally avoids the need for immunosuppressive treatment throughout the patient’s life to prevent this, and eliminates the ethical implications of hESCs, as iPSCs do not require an embryonic source for production. More research on the topic will definitely bring further progress in stem cell usage.

Written by

Hidaya Aliouche

Hidaya is a science communications enthusiast who has recently graduated and is embarking on a career in the science and medical copywriting. She has a B.Sc. in Biochemistry from The University of Manchester. She is passionate about writing and is particularly interested in microbiology, immunology, and biochemistry.

Citations