Historia komórek macierzystych

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

Odkrywanie komórek macierzystych rozpoczęło się w latach 50. XX wieku z nietypowego źródła – teratocarcinomas i guzów zawierających różnorodne (lub heterogeniczną mieszankę) typy tkanek. Należą do nich w pełni wyspecjalizowane, zróżnicowane struktury, takie jak zęby i włosy.

nobeastsofierce |

Obserwacja złośliwego wzrostu i możliwości przeszczepiania sugerowała obecność proliferacyjnej (silnie dzielącej się) i niezróżnicowanej (niewyspecjalizowanej i zdolnej do wytwarzania szeregu typów komórek) komórki. Komórka ta została nazwana komórką raka embrionalnego (EC).

Pionierski eksperyment wykazał, że wstrzyknięcie komórek EC do mózgu dorosłej myszy spowodowało powstanie teratocarcinoma; dostarczyło to konkretnych dowodów, że komórki EC mogą produkować wszystkie składniki komórkowe teratocarcinoma. Dowodem potwierdzającym ich zdolność do rozmnażania się i samoodnawiania była ich zdolność do transplantacji.

Komórki zarodkowe i komórki raka zarodkowego

Pochodzenie komórek EC jest głównie jąderkowe u ludzi i myszy. Leroy Stevens odkrył, że teratocarcinoma u 129 szczepów myszy wsobnych powstały z komórek zarodkowych, czyli komórek plemnika i komórki jajowej. Paradoksalnie, komórki zarodkowe nie powodują powstawania guzów, ani nie różnicują się w inne typy komórek.

KomórkiEC wykazywały podobną morfologię (kształt) do komórek obecnych we wczesnym zarodku, co potwierdziło ich pochodzenie z komórek zarodkowych. Te embrionalne komórki założycielskie posiadają zdolność do wytwarzania komórek wszystkich linii ciała, zwanych komórkami somatycznymi. Właściwość ta określana jest jako pluripotencja, a takie komórki mogły być zachowane, gdy próbka teratokarcytów była seryjnie przeszczepiana.

Odkrywanie potencji

Komórki EC są jak komórki we wczesnym zarodku, które pojawiają się przed gastrulacją. Komórki EC mogą być rozszerzane do linii komórkowej, co zostało osiągnięte w 1970 roku dzięki hodowlom z teratocarcinoma jąder i zarodków.

Skuteczne wyjaśnienie wymagało użycia fibroblastów, które zostały inaktywowane, aby zapobiec podziałom mitotycznym. Komórki te wydzielają czynniki, które wspierają utrzymanie, proliferację i żywotność komórek EC.

Ponadto, linie EC wykazywały zmienność w zdolności do różnicowania się, co było obserwacją skłaniającą do postawienia hipotezy, że nie wszystkie komórki były pluripotencjalne; dokładniej, istniała różnica w potencjale komórki do dawania różnych wyspecjalizowanych (zróżnicowanych) typów komórek.

Jakość ta określana jest mianem potencji, której wyróżnia się cztery rodzaje, w kolejności hierarchicznej:

1. Totipotencja – potencjał do dania początku wszystkim typom komórek w zarodku i dorosłym (np.g. zapłodnionego jaja), a więc komórka totipotencjalna może dać początek całemu organizmowi
2. Pluripotencja – potencjał do dania początku komórkom wszystkich linii rozwojowych organizmu, ale nie całego organizmu
3. Wielopotencjalność – potencjał komórki do dania początek ograniczonej liczbie typów komórek w organizmie
4. Jednopotencjalność – zdolność komórki do dania początek tylko jednemu typowi komórek

Z tych samoodnawiających się, niezróżnicowanych komórek mogą powstać komórki terminalnie zróżnicowane. Naukowcy Martin Evans i Gail Martin zamiast tego skupili się na sposobach zachowania pluripotencji, o której obecnie wiemy, że jest najsilniejszym typem komórki. Odkryli oni, że subklony pluripotencjalnych komórek EC, gdy hodowane na warstwie odżywczej, a w przypadku braku tej warstwy, produkowały mieszaną populację komórek fibroblastycznych (komórek zróżnicowanych) przeplatanych gniazdami komórek niezróżnicowanych.

To odkrycie sugerowało, że komórki EC mogą produkować własne komórki fibroblastów odżywczych poprzez różnicowanie i wywnioskowali, że muszą one być niezbędne do utrzymania pluripotencjalnej natury tych komórek. Jednocześnie Martin i Evans zauważyli, że surowica, w której zawieszone były komórki EC, różniła się pod względem zdolności do wspierania ekspansji komórek EC i ich zdolności do różnicowania. To doprowadziło do pluripotencji, a następnie do niezawodnej metodologii hodowli w celu wytworzenia i rozmnażania komórek EC z zachowaną pluripotencją.

Komórki macierzyste jako inicjatory wzrostu i rozwoju embrionalnego

Dalsze badania komórek EC przez Martina i Evansa ujawniły, że kiedy komórki EC były agregowane, powstałe kolonie tworzyły struktury zwane ciałkami embrionalnymi ze specyficzną tożsamością embrionalną ze względu na ich cechy różnicowania.

Podobieństwo między nimi skłoniło do dalszych badań; aby sprawdzić, czy komórki EC mogą przyczynić się do powstania embrionu, wstrzyknięto je do blastocyst (struktur przedembrionalnych powstałych 5-6 dni po zapłodnieniu) i przeanalizowano wyniki.

W większości przypadków, komórki EC nie zdołały włączyć się do embrionu, niektóre wytworzyły guzy lub anomalie rozwojowe. Jednak niektóre pluripotencjalne linie komórek EC skolonizowały zarodek gospodarza, a następnie powstały chimery.

Chimery to organizmy, które zawierają dwa różne zestawy DNA; w tym przypadku myszy powstały z DNA zakodowanego w komórkach płciowych i DNA komórek EC. Pokazało to, że podzbiór komórek EC może pełnić funkcję normalnych komórek embrionalnych i działać w kontekście środowiska embrionalnego gospodarza.

W kierunku zdrowej chimery

Jednakże odsetek myszy chimerycznych był niski. To odkrycie, w połączeniu z ogromnymi różnicami w sile działania pomiędzy liniami, rozwojem chimerycznych guzów i zmianami w ich stabilności genetycznej, skłoniło do poszukiwania innego źródła komórek pluripotencjalnych.

Prawdopodobnym wyjaśnieniem tych zjawisk było niezmienne prawdopodobieństwo, że komórki EC są nosicielami anomalii chromosomalnych. Wszystkie wyniki sugerowały, że ich podobieństwo do embrionów było wątpliwe, a dokładniej, że ich zdolność do działania w sposób podobny do embrionalnego, pluripotentnego była uwarunkowana ich występowaniem w guzach i ich nieodłącznymi nieprawidłowościami genetycznymi.

Zamiast tego, sam embrion stanowił mniej problematyczne źródło pluripotentnych komórek macierzystych. Evans i Martins wykorzystali te same warunki do zoptymalizowanego pozyskiwania komórek EC na warstwach odżywczych, aby z powodzeniem pozyskać niezróżnicowane linie komórkowe z blastocyst myszy.

Powstałe komórki wykazywały funkcjonalne podobieństwo do komórek EC i mogły produkować teratocarcinoma, gdy były przeszczepiane dorosłym myszom. Sugerowało to, że mogły one przekształcić się w komórki EC.

Aby wyeliminować tę możliwość, w 1984 roku Evans ustalił, że komórki te mogą przyczynić się do powstania zdrowych chimer, w których DNA zostało z powodzeniem przeniesione przez linię zarodkową (jajo i plemnik). Komórki pluripotencjalne, uzyskiwane z embrionu, ulegały wielokrotnym podziałom bez transformacji, zachowując swój własny skład genetyczny. Komórki te znane są obecnie jako embrionalne komórki macierzyste (ESCs).

Dziesięć lat później Matsui odkrył, że pierwotne komórki zarodkowe (PGCs) dają początek proliferacyjnym komórkom macierzystym. Zostały one nazwane zarodkowymi komórkami germinalnymi (EG) i są praktycznie nie do odróżnienia od komórek ES, z wyjątkiem ich pochodzenia. Wyjaśniło to pochodzenie komórek zarodkowych lub teratocarcinoma – komórki zarodkowe były indukowane do przekształcania się w pluripotencjalne komórki macierzyste in vivo.

Perspektywy na przyszłość: terapia komórkami macierzystymi

Zdolność genetycznego komponentu komórek ES do przekazywania i zachowania przez linię zarodkową oferuje możliwość wprowadzenia modyfikacji genetycznych u myszy. Są one również podatne na szereg manipulacji genetycznych i mogą być rozszerzane, na przykład o funkcje umożliwiające oddzielenie komórek, które przeszły rzadkie zdarzenia, takie jak rekombinacja homologiczna, w której komórki przechodzą pewne zmiany genetyczne w formie wymiany między dwiema podobnymi cząsteczkami DNA.

W 1989 roku udało się wygenerować komórki ES z genetycznym nokautem. To ukierunkowanie genowe komórek ES zostało od tego czasu rozszerzone. Podczas gdy badania w latach 80-tych i wczesnych 90-tych koncentrowały się na ukierunkowaniu genetycznym, większość zrozumienia dlaczego i pluripotencja została zachowana w komórkach ES dokonała się w późnych latach 90-tych.

Obecnie, molekularne mechanizmy, które leżą u podstaw stanu komórek ES zostały odkryte. Pierwsze doniesienia o izolacji linii ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (hESCs) przeniosły punkt ciężkości z modeli mysich i pozwoliły na zbadanie ich implikacji terapeutycznych. W chwili obecnej hESC są niezastąpione, a wyniki badań klinicznych opartych na hESC wyznaczą złoty standard dla przyszłych terapii opartych na komórkach macierzystych.

W 2006 roku dokonano przełomu, identyfikując warunki, które pozwoliłyby na przeprogramowanie komórek dorosłych komórek somatycznych w celu umożliwienia im przyjęcia stanu podobnego do komórek macierzystych. Jest to obecnie znane jako indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC). Ich zastosowanie terapeutyczne jest potencjalnie większe niż w przypadku hESC, ponieważ komórki te mogą być pobrane od samego pacjenta, a następnie przeprogramowane, dzięki czemu klinicyści mogą uniknąć problemu odrzucenia spowodowanego przez zgodność histologiczną.

Ten ostatni odnosi się do procesu posiadania przez dawcę różnych antygenów, które sygnalizują układowi odpornościowemu gospodarza-biorcy, że komórka jest obca i w związku z tym prowadzą do odpowiedzi immunologicznej mającej na celu zniszczenie obcej komórki. 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