Istoria celulelor stem

De Hidaya Aliouche, B.Sc.Revizuit de Dr. Tomislav Meštrović, MD, Ph.D.

Descoperirea celulelor stem a început în anii 1950 dintr-o sursă neobișnuită – teratocarcinoame și tumori care conțin o varietate (sau un amestec eterogen) de tipuri de țesuturi. Printre acestea se numără structuri complet specializate și diferențiate, cum ar fi dinții și părul.

nobeastsofierce |

Observarea creșterii maligne și a transplantabilității a sugerat prezența unei celule proliferative (care se divide foarte mult) și nediferențiate (nespecializate și capabile să producă o serie de tipuri de celule). Această celulă a fost denumită celulă de carcinom embrionar (CE).

Un experiment de pionierat a demonstrat că injectarea de celule CE în creierul de șoarece adult a dus la apariția teratocarcinoamelor; acest lucru a oferit dovezi concrete că celulele CE pot produce toți constituenții celulari ai teratocarcinomului. Dovada coroborată a capacității lor de a propaga tumori și de a se autoregenera a fost indicată de capacitatea lor de a fi transplantate.

Celule germinale și celule de carcinom embrionar

Originea celulelor CE este în principal testiculară la om și la șoarece. Leroy Stevens a descoperit că teratocarcinoamele din 129 de tulpini de șoareci consangvinizați proveneau din celulele germinale, cele ale spermatozoizilor și ale ovulului. În mod paradoxal, celulele germinale nu dau naștere la tumori și nici nu se diferențiază în alte tipuri de celule.

Celele CE prezentau o morfologie (formă) similară cu cea a celulelor prezente în embrionul timpuriu, ceea ce a coroborat originea lor germinală. Aceste celule fondatoare embrionare posedă capacitatea de a produce celulele din toate neamurile corpului, numite celule somatice. Această proprietate este descrisă drept pluripotență, iar astfel de celule au putut fi menținute atunci când o mostră de teratocarcinom a fost transplantată în serie.

Descoperirea potenței

Celele CE sunt asemănătoare celulelor din embrionul timpuriu care apar înainte de gastrulare. Celulele CE pot fi extinse în linie celulară, ceea ce a fost de fapt realizat în 1970 cu culturi din teratocarcinoame testiculare și embrionare.

Explicația de succes a necesitat utilizarea fibroblastelor, care au fost inactivate pentru a preveni diviziunea mitotică. Aceste celule secretă factori care susțin menținerea, proliferarea și viabilitatea celulelor CE.

În plus, liniile de CE au prezentat o variabilitate în ceea ce privește capacitatea lor de diferențiere, o observație care a determinat ipoteza că nu toate celulele erau pluripotente; mai precis, exista o diferență în potențialul celulei de a da diferite tipuri de celule specializate (diferențiate).

Această calitate este denumită potență, din care există patru tipuri, în ordine ierarhică:

2. Totipotență – potențialul de a da naștere tuturor tipurilor de celule din embrion și adult (de ex.g. ovulul fecundat), astfel o celulă totipotentă poate da naștere întregului organism
4. Pluripotență – potențialul de a da naștere la celule din toate liniile corpului, dar nu un întreg organism
5. Multipotență – potențialul unei celule de a da naștere unui număr limitat de tipuri de celule din organism
6. Unipotență – capacitatea unei celule de a da naștere unui singur tip de celulă

Din aceste celule nediferențiate, care se reînnoiesc singure, pot lua naștere celule diferențiate terminal. Oamenii de știință Martin Evans și Gail Martin s-au concentrat, în schimb, asupra modalităților de a păstra pluripotența, despre care știm în prezent că este cel mai puternic tip de celulă. Aceștia au descoperit că subclonele de celule CE pluripotente, atunci când sunt cultivate pe un strat de hrănire și în absența acestui strat, produc o populație mixtă de celule fibroblastice (celule diferențiate) intercalate cu cuiburi de celule nediferențiate.

Această descoperire a sugerat că celulele CE pot produce propriile celule fibroblaste de hrănire prin diferențiere și au dedus că acestea trebuie să fie necesare pentru a menține natura pluripotentă a acestor celule. Concomitent, Martin și Evans au observat că serul în care au fost suspendate celulele CE diferă în ceea ce privește capacitatea lor de a susține expansiunea celulelor CE și capacitatea de diferențiere. Acest lucru a condus la pluripotență și, ulterior, la o metodologie de cultură fiabilă pentru producerea și propagarea celulelor EC cu pluripotență păstrată.

Celele stem ca inițiatori ai creșterii și dezvoltării embrionare

Profundarea celulelor EC de către Martin și Evans a dezvăluit că, atunci când celulele EC au fost agregate, coloniile care au apărut au format structuri numite corpuri embrioide cu identitate embrionară specifică datorită caracteristicilor lor de diferențiere.

Similitudinea dintre cele două a determinat explorări suplimentare; pentru a testa dacă celulele CE ar putea contribui la un embrion, celulele CE au fost injectate în blastociste (structuri pre-embrionare formate la 5-6 zile după fertilizare) și au fost analizate rezultatele.

În cele mai multe cazuri, celulele CE nu au reușit să se încorporeze în embrion, unele au produs tumori sau anomalii de dezvoltare. Cu toate acestea, unele linii de celule CE pluripotente au colonizat embrionul gazdă și, ulterior, s-au născut chimeri.

Chimerii sunt organisme care conțin două seturi diferite de ADN; în acest caz, șoarecii au fost produși din ADN-ul codificat în celulele sexuale și ADN-ul celulelor CE. Acest lucru a demonstrat că un subset de celule CE poate îndeplini funcția de celule embrionare normale și poate lucra în contextul mediului embrionar gazdă.

Pe calea unei chimera sănătoase

Cu toate acestea, proporția de șoareci chimeri a fost slabă. Această constatare, coroborată cu diferențele mari de potență dintre liniile lor, cu dezvoltarea de tumori chimerice și cu modificări ale stabilității lor genetice, a determinat explorarea unei alte surse de celule pluripotente.

O explicație probabilă pentru aceste apariții a fost probabilitatea invariabilă ca celulele CE să fie purtătoare de anomalii cromozomiale. Toate rezultatele au sugerat că asemănarea lor cu embrionii era discutabilă; mai precis, capacitatea lor de a acționa într-o manieră pluripotentă, asemănătoare celei embrionare, era condiționată de apariția lor în tumori și de anomaliile genetice inerente.

În schimb, embrionul însuși a oferit o sursă mai puțin problematică de celule stem pluripotente. Evans și Martins au folosit aceleași condiții pentru recoltarea optimizată a celulelor CE pe straturi de hrănire pentru a recolta cu succes linii de celule nediferențiate din blastocistele de șoarece.

Celele rezultate aveau o asemănare funcțională cu celulele CE și puteau produce teratocarcinoame atunci când au fost transplantate în șoareci adulți. Acest lucru a sugerat că este posibil ca acestea să se fi transformat în celule CE.

Pentru a elimina această posibilitate, în 1984 Evans a stabilit că aceste celule puteau contribui la chimeri sănătoși, în care ADN-ul a fost transmis cu succes prin linia germinală (ovulul și sperma). Celulele pluripotente, care puteau fi obținute dintr-un embrion, au fost extinse prin diviziuni multiple fără a se transforma, păstrându-și propria compoziție genetică. Aceste celule sunt cunoscute în prezent sub denumirea de celule stem embrionare (CSE).

Un deceniu mai târziu, Matsui a descoperit că celulele germinale primordiale (PGC) dau naștere la celule stem proliferative. Acestea au fost denumite celule germinale embrionare (EG) și sunt practic imposibil de distins de celulele ES, în afară de originea lor. Acest lucru a explicat originea celulelor germinale sau teratocarcinoamele – celulele germinale au fost induse să se transforme în celule stem pluripotente in vivo.

Perspective viitoare: terapia cu celule stem

Capacitatea componentei genetice a celulelor ES de a fi transmisă și reținută prin linia germinală oferă posibilitatea de a introduce modificări genetice la șoareci. De asemenea, acestea se pretează la o serie de abordări de manipulare genetică și pot fi extinse; de exemplu, caracteristicile care permit separarea celulelor care au suferit un eveniment rar, cum ar fi recombinarea omoloagă, în care celulele suferă o anumită modificare genetică sub formă de schimb între două molecule de ADN similare.

În 1989, au fost generate cu succes celule ES cu un knockout genetic modificat. De atunci, această direcționare genetică a celulelor ES a fost extinsă. Și, în timp ce cercetarea din anii 1980 și începutul anilor 1990 s-a concentrat pe direcționarea genetică, o mare parte din înțelegerea motivelor pentru care și pluripotența a fost menținută în celulele ES a făcut progrese la sfârșitul anilor 1990.

În prezent, au fost descoperite mecanismele moleculare care stau la baza stării celulelor ES. Prima izolare raportată a liniilor de celule stem embrionare umane (hESCs) a mutat atenția de la modelele murine și a permis explorarea implicațiilor lor terapeutice. În prezent, hESC sunt indispensabile, iar rezultatele studiilor clinice bazate pe hESC vor stabili un standard de aur pentru viitoarele terapii bazate pe celule stem.

În 2006, a fost realizat un progres prin identificarea condițiilor care ar permite reprogramarea celulară a celulelor somatice adulte pentru a le permite să adopte o stare asemănătoare celulelor stem. Acest lucru este cunoscut acum sub denumirea de celule stem pluripotente induse (iPSC). Utilizarea lor terapeutică este potențial mai mare decât cea a hESCs, deoarece, deoarece aceste celule pot fi prelevate chiar de la pacient și apoi reprogramate, medicii pot evita problema respingerii care este cauzată de histocompatibilitate.

Aceasta din urmă se referă la procesul prin care donatorul posedă diferite antigene care semnalează sistemului imunitar al gazdei primitoare că celula este străină și, prin urmare, conduce la un răspuns imunitar pentru a distruge celula străină. 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