W ostatnim czasie komórki macierzyste stały się gorącym tematem, szczególnie ich potencjalne terapeutyczne zastosowanie w leczeniu przewlekłych schorzeń, a jednocześnie ich rola w powstawaniu na przykład nowotworów. Często używa się pojęć: komórka macierzysta embrionalna, somatyczna… Różnice między tymi pojęciami nie zawsze są rozumiane, co uniemożliwia na przykład ocenę moralną zastosowania danego rodzaju leczenia bądź prowadzenia eksperymentów z użyciem komórek macierzystych.
Definicja
Komórki macierzyste (ang. stem cells) od zwykłych komórek organizmu odróżnia kilka szczególnych właściwości. Wykazują one zdolność do samoodtwarzania (czyli jeśli np. z powodu zażywania przez pacjenta jakiegoś leku część z tych komórek w jego organizmie ulegnie obumarciu, będą zdolne do odtworzenia się), różnicowania w co najmniej jedną linię komórkową (co oznacza, że są zdolne przekształcić się w komórki konkretnej tkanki, np. komórki skóry) oraz posiadają wysoki potencjał proliferacyjny (czyli w razie potrzeby potrafią się wielokrotnie dzielić), aby móc odnawiać i utrzymywać tkanki, w których są obecne, a także inne rodzaje tkanek.
Pochodzenie
Ze względu na pochodzenie wyróżnia się embrionalne komórki macierzyste (ang. embrional stem cells; ESC), których źródłem są węzły zarodkowe blastocysty, odpowiadające za rozwój nowego organizmu. W warunkach laboratoryjnych (na drodze zapłodnienia na szkle) doprowadza się do powstania zarodka, na przykład ludzkiego, mysiego, szczurzego, i po kilku dniach jego hodowli, w stadium rozwoju zwanym blastocystą, pobiera się komórki do eksperymentów bądź ewentualnej terapii. Taka procedura zniekształca lub uniemożliwia dalszy rozwój zarodka, na przykład ludzkiego, i prowadzi do jego śmierci.
Somatyczne komórki macierzyste (inaczej komórki macierzyste tkanek, ang. adult stem cells; ASC) są niezróżnicowanymi komórkami znajdowanymi w organizmie już po etapie rozwoju embrionalnego. Pozyskiwane są na przykład ze szpiku kostnego, krwi pępowinowej, mieszka włosa czy krwi dorosłego człowieka. Odpowiedzialne są one za regenerację uszkodzonych tkanek oraz utrzymywanie odpowiedniej liczby komórek w danym miejscu, by konkretny narząd mógł prawidłowo funkcjonować, a jednocześnie nie rozrastał się w sposób niekontrolowany. W ludzkim organizmie trwa ciągła wymiana starych bądź uszkodzonych komórek na nowe i prawidłowo działające, a rezerwuarem tych ostatnich są właśnie komórki macierzyste. W krwioobiegu, przez cały okres naszego życia, krążą komórki macierzyste, by – jeśli dojdzie do miejscowego uszkodzenia komórek bądź części tkanki – natychmiast ją odbudować. Do niedawna uważano, że komórki uwalniane są do krwioobiegu wyłącznie z miejsc, w których dochodzi do wielu podziałów komórkowych, takich jak na przykład szpik kostny, ale aktualnie wiemy już, że komórki macierzyste znajdowane są między innymi w wątrobie, gruczole krokowym, trzustce, układzie nerwowym, śluzówce macicy, tkance tłuszczowej itp., gdzie od razu mogą uzupełnić pulę uszkodzonych lub obumarłych komórek. Pobieranie somatycznych komórek macierzystych z organizmu na przykład człowieka nie stanowi zagrożenia dla jego życia.
W 2006 roku z mysich komórek skóry, a w 2007 z ludzkich komórek skóry Japończyk Shinya Yamanaka zdołał w warunkach laboratoryjnych, na drodze modyfikacji genetycznej, uzyskać komórki macierzyste we wczesnym etapie ich rozwoju i komórki te nazywamy indukowanymi komórkami macierzystymi (ang. induced pluripotent stem cells, iPS).
Sekretne życie komórki
Komórki macierzyste mogą ulegać podziałowi w dwojaki sposób. Pierwszym z nich jest podział symetryczny. Jest to typowy podział komórki – mitoza. W wyniku tego procesu powstają dwie identyczne komórki potomne, które są kopiami komórki wyjściowej.
Jednakże w przypadku tych szczególnych komórek musi istnieć również podział, który jednocześnie umożliwiałby odnowienie puli komórek macierzystych oraz tworzenie komórek potomnych o większej specjalizacji. Mechanizm ten nazywany jest asymetrycznym podziałem komórek (Rys.1). Podczas tego procesu powstaje komórka identyczna z wyjściową, która uzupełnia liczbę komórek, ale tworzy się również komórka bardziej zróżnicowana, będąca stadium pośrednim na drodze specjalizacji. Może to być komórka progenitorowa, która kierunkowana jest do cyklu przemian odpowiedzialnych za różnicowanie specyficznych tkanek. Komórki te odpowiadają za większość podziałów mitotycznych w tkankach. Komórki progenitorowe ulegają następnie proliferacji do przejściowo namnażających się komórek (ang. transit amplifying cells, TA). Komórki TA nie są już zdolne do samoodtwarzania, podlegają jednak kilku podziałom, podczas których stopniowo nabywają cech zróżnicowanych komórek, tworząc wyspecjalizowaną populację.
I jeszcze więcej podziałów
Można stworzyć osobne kategorie komórek macierzystych również ze względu na ich zdolność do różnicowania się w określoną liczbę linii komórkowych. Komórki totipotentne posiadają umiejętność różnicowania się w każdą z tkanek organizmu. Takie zdolności wykazują komórki powstałe z kilku pierwszych podziałów zapłodnionej komórki jajowej. Komórki pluripotentne mogą przekształcić się w większość rodzajów komórek, ale już nie we wszystkie. Do tego typu komórek można zaliczyć komórki węzła zarodkowego. Komórki multipotentne mają jeszcze bardziej ograniczone możliwości różnicowania, tworzą więcej niż jeden rodzaj komórek, ale z reguły o zbliżonych właściwościach. Natomiast komórki unipotentne mogą wytwarzać jeden rodzaj komórek, czego przykładem są komórki macierzyste gonad produkujące gamety.
Przedmiotem sporu badaczy jest tak zwana plastyczność somatycznych komórek macierzystych, czyli zdolność do ulegania transdyferencjacji. Proces ten polega na tym, że jeden typ komórki zamienia się na inny, z nabyciem nowych cech funkcjonalnych i fizycznych (np. komórka wyściółki macicy, endometrium, może przekształcić się w komórkę trzustki). Przyczyną transdyferencjacji mogą być zmiany w środowisku zewnątrzkomórkowym, na przykład uszkodzenie tkanki. Uważa się, że dużą zdolność do transdyferencjacji wykazują komórki szpiku kostnego. Badania wykazują, że komórki macierzyste obserwowano w różnych uszkodzonych tkankach, między innymi w mięśniach szkieletowych, neuronach czy śródbłonku. Wyniki wskazują, że somatyczne komórki macierzyste mogą mieć właściwości podobne do embrionalnych komórek macierzystych, co poza względami etycznymi stanowi poważny argument za odchodzeniem od prowadzenia eksperymentów badawczych na embrionalnych komórkach macierzystych.
Nisza komórek macierzystych
Komórki macierzyste podlegają regulacji przez specyficzne fizjologiczne mikrośrodowisko określane jako nisza. Nisza składa się z jednej lub większej liczby komórek macierzystych będących w bliskim kontakcie z komórkami immunologicznymi (odpowiedzialnymi za obronę organizmu) i zróżnicowanymi danej tkanki. Komórki te wraz z substancją międzykomórkową i cząsteczkami wydzielanymi przez komórki (np. cytokinami, chemokinami) pełnią kluczową rolę w kontroli proliferacji i specjalizacji komórek. Mają wpływ na podjęcie decyzji przez komórki macierzyste o samoodtwarzaniu lub rozpoczęciu różnicowania.
Jak rozpoznać komórkę macierzystą?
Somatyczne komórki macierzyste zasiedlające daną tkankę, na przykład tłuszczową, wykazują spore podobieństwo do komórek macierzystych występujących w innej części organizmu, na przykład w endometrium, dlatego nie można ich odróżnić na podstawie zwykłej obserwacji. Profil komórki można stworzyć na podstawie specjalnych markerów znajdujących się na jej powierzchni, które nazywamy antygenami. Spełniają one różne funkcje, takie jak wzajemne rozpoznawanie się komórek czy odbiór sygnałów. Każdy rodzaj komórki ma określone antygeny, na przykład komórki macierzyste krwinek charakteryzują się obecnością markera CD45, a komórki macierzyste mięśni – CD56. Wadą tej metody rozpoznawania komórek macierzystych jest to, że zarówno komórki dojrzałe jak i niedojrzałe mogą prezentować taki sam antygen. Wiemy również, że pojawienie się markerów na komórce zależy od miejsca ich występowania. Komórka może wykazywać dany antygen w niszy, a zupełnie inny poza nią. W takim wypadku ważne jest znalezienie odpowiedniej liczby charakterystycznych markerów, których kombinacja byłaby unikatowa dla danego typu komórki i tkanki. Komórki niewykazujące danego markera oznacza się znakiem minus, na przykład CD45(-), natomiast komórki pozytywne posiadające dany marker znakiem plus, na przykład CD45(+). Istnieją jednak markery, które są bardzo silnie skorelowane z komórkami macierzystymi (najczęściej je charakteryzują). Przykładem mogą być markery CD34 i CD133, związane z krwiotwórczymi komórkami macierzystymi, czy CD105 i CD44, charakteryzujące mezenchymalne komórki macierzyste.
Testy
W warunkach laboratoryjnych komórki macierzyste poddaje się testom, które badają kilka ich cech: klonogenność, potencjał proliferacyjny, zdolność do samoodtwarzania i różnicowania się komórek. Klonogenność definiuje się jako zdolność pojedynczych komórek do tworzenia kolonii. W tym celu do hodowli używa się zawiesiny komórek o znacznym rozcieńczeniu, tak aby do naczyń hodowlanych zostały wprowadzone pojedyncze komórki. Potencjał proliferacyjny określa się jako całkowitą liczbę komórek potomnych lub podwojoną liczebność komórek powstałych z jednej komórki. Badanie zdolności do samoodtwarzania potencjalnych komórek macierzystych dokonuje się przez tak zwane seryjne klonowanie (ang. serial cloning), które polega na pobieraniu pojedynczej komórki z kolonii i sprawdzaniu, czy stworzy kolejną kolonię, z nowej kolonii ponownie pobiera się jedną komórkę i obserwuje, czy znowu stworzy kolonie itd. Aby określić zdolność do różnicowania się komórek macierzystych, hoduje się je w środowisku substancji pobudzających różnicowanie lub transplantuje. Utworzone tkanki identyfikuje się ze względu na obecność markerów, o których była już mowa w tekście, lub ekspresję tkankowo-specyficznych czynników transkrypcyjnych – białek wiążących DNA, odpowiedzialnych za włączanie poszczególnych genów.
Techniki z wykorzystaniem zwierząt laboratoryjnych obejmują badanie zdolności komórek do rekonstrukcji tkanki. Procedury te wymagają użycia specjalnych typów myszy, które są między innymi pozbawione obrony immunologicznej. Zwierzęta te służą jako biorcy przeszczepów w postaci populacji badanych komórek. Próby wszczepiane są często w torebkę nerki lub tkankę podskórną. Aby odróżnić transplantowane komórki oraz ich pochodne od komórek biorcy, trzeba używać zaawansowanych metod genetycznych.
Co wiemy, a o co pytamy?
Najnowsze doniesienia badaczy pokazują, że dorosły organizm jest rezerwuarem somatycznych komórek macierzystych o bardzo dużym potencjale odtwarzania, porównywalnym do potencjału embrionalnych komórek macierzystych czy komórek z krwi pępowinowej. Ponadto w warunkach laboratoryjnych udaje się, przy pomocy manipulacji genetycznych, sztucznie cofnąć komórkę do etapu mniej zróżnicowanego. To skutkuje intensyfikacją badań na komórkach macierzystych we wczesnych stadiach ich rozwoju pod kątem wykorzystania w inżynierii tkankowej czy terapii chorób, w których dochodzi lub doszło do przedwczesnego wymierania komórek, na przykład w stwardnieniu rozsianym, chorobie Alzheimera, przy niedotlenieniu mózgu w czasie porodu czy po udarze mózgu, bez potrzeby niszczenia embrionów ludzkich.
Od wielu lat obserwujemy korzystny wpływ komórek macierzystych izolowanych ze szpiku bądź, coraz częściej, z krwioobiegu czy krwi pępowinowej, na wspomaganie odbudowy komórek krwi w leczeniu pacjentów po chemioterapii. Wciąż jednak nie poznaliśmy do końca roli, jaką pełnią komórki macierzyste w zdrowym organizmie oraz czym ona się różni od roli tych komórek w stanach chorobowych. Eksperymentalne terapie prowadzone na pacjentach-ochotnikach leczonych z powodu nienowotworowych przewlekłych schorzeń przy użyciu embrionalnych czy somatycznych komórek macierzystych nie przynoszą oczekiwanych efektów. Nie jest wykluczone, że rolą komórek macierzystych jest nie tyle ich zdolność do namnażania, a później różnicowania, co modulowanie środowiska w jakim się znajdują, a to w konsekwencji może prowadzić do odtwarzania tkanki.
Wydaje się, że w tej chwili wciąż wiemy za mało, by w sposób precyzyjny i przewidywalny używać komórek macierzystych w leczeniu chorób, ale z powodu zaangażowania w badania wielu laboratoriów i olbrzymich środków finansowych opracowanie terapii jest tylko kwestią czasu. Jednego natomiast możemy być już pewni – leczenie schorzeń przy użyciu komórek macierzystych nie musi odbywać się kosztem życia innego człowieka, będącego we wczesnym stadium swojego rozwoju.
Agnieszka Chrobak
Katarzyna Jonek
Artykuł pochodzi z IMAGO – Czasopismo Fundacji Pro Humana Vita, które było wydawane w latach 2011-2012 w celu promocji bioetyki. Jest próbą wakacyjnego przypomnienia tego cennego dzieła i najciekawszych artykułów.
