Świat komórek macierzystych

Wykład Barbary Świerczek z Zakładu Cytologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, XIX Festiwal Nauki w Warszawie, 19 września 2015 r. [31min]

Wykorzystanie komórek macierzystych w biologii i medycynie budzi wielkie nadzieje, ale też kontrowersje. O metodach ich uzyskiwania przez naukowców oraz prowadzonych badaniach nad ich użyciem opowiedziała Barbara Świerczek z Zakładu Cytologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

Wszystkie organizmy żywe w przyrodzie zbudowane są z komórek. Z wszystkich komórek można wyróżnić dwie główne grupy – komórki dojrzałe (w pełni wyspecjalizowane, które budują nasz organizm, pełnią określone funkcje i które się nie dzielą, nie mnożą) i komórki macierzyste (komórki, które zachowują zdolność podziału, w wyniku którego tworzą komórki potomne).

Komórki macierzyste mają również zdolność do różnicowania, w wyniku którego nabierają specjalizacji charakterystycznych dla komórek w pełni dojrzałych, jednocześnie tracąc zdolność do podziału. W ten sposób z komórek macierzystych mogą powstać komórki tak wyspecjalizowane, jak komórki nerwowe, komórki krwi czy komórki nabłonka.
Komórki macierzyste można znaleźć w organizmach na różnych etapach rozwoju. Wyróżniamy więc komórki macierzyste zarodkowe (które izoluje się z organizmów na etapie zarodka), komórki macierzyste płodowe (które izoluje się z organizmu na etapie płodowym, gdy możemy wyróżnić już specyficzne cechy morfologiczne dla danego gatunku), ale też komórki od dorosłych organizmów. W zależności od tego, na którym etapie życia izolujemy komórki macierzyste, różnią się one zdolnością do różnicowania. Im wcześniej w rozwoju zarodkowym wyizolujemy, tym więcej komórek możemy z komórki macierzystej uzyskać. Wyróżniamy komórki totipotencjalne (mogą różnicować we wszystkie komórki budujące organizm, które wejdą w skład struktur pozazarodkowych, takie jak błony płodowe zarodka), pluripotencjalne (mogą różnicować we wszystkie rodzaje komórek budujące dorosły organizm, których jest ok. 200 rodzajów dojrzałych komórek), multipotencjalne (mogą różnicować kilka rodzajów dojrzałych komórek) i unipotencjalne (różnicują tylko w jeden rodzaj dojrzałych komórek).
Badaczy najbardziej interesują komórki macierzyste pluripotencjalne i to na nich też skupiła się w wykładzie pani Barbara Świerczek. Komórki pluripotencjalne mogą różnicować we wszystkie rodzaje komórek dorosłego organizmu. Uzyskać je można przez izolacje komórek z węzła zarodkowego. Na wczesnym etapie rozwoju zarodkowego każdy ssak tworzy strukturę tzw. blastocysty, kiedy to po raz pierwszy komórki dzielą się na dwie populacje – komórki węzła zarodkowego (które w przyszłości utworzą ciało zarodka) i komórki trofektodermy (które otaczają węzeł zarodkowy i utworzą struktury pozazarodkowe, które umożliwią zarodkowi dalszy rozwój). Przez izolacje komórek z węzła zarodkowego i poddanie ich kreślonym procedurom i żmudnemu procesowi ustalania warunków w jakich można te komórki hodować, uzyskano zarodkowe komórki macierzyste – komórki pluripotencjalne, zdolne do różnicowania w komórki organizmu. Zarodkowe komórki macierzyste w hodowli na szalce (tzw. hodowli in vitro) tworzą kuliste kolonie.
Po raz pierwszy zarodkowe komórki macierzyste uzyskano z myszy w 1981 roku. Nie długo po tym odkryciu zaczęto badać w jakich warunkach można by uzyskać ludzkie zarodkowe komórki macierzyste. Udało się to dopiero w 1998 roku. Uzyskiwanie zarodkowych komórek macierzystych budzi spore konsekwencje etyczne, gdyż tak jak w przypadku myszy ludzkie zarodkowe komórki macierzyste uzyskano przez izolacje komórek węzła zarodkowego zarodka ludzkiego na bardzo wczesnym etapie, czyli uzyskanie tych zarodkowych komórek macierzystych wiąże się ze zniszczeniem zarodka.
W poszukiwaniu alternatywy dla tego tak kontrowersyjnego procesu, badano czy można uzyskać te komórki w jakimś stopniu wykorzystując metody inżynierii genetycznej. Udało się to w 2006 roku, kiedy to do komórek skóry, fibroblastów, wprowadzono (metodami inżynierii genetycznej) geny charakterystyczne dla zarodkowych komórek macierzystych i uzyskano morfologię charakterystyczna dla zarodkowych komórek macierzystych. Za to odkrycie, że dorosłe komórki można przeprogramować tak, by stały się one komórkami pluripotentnymi, Shin’ya Yamanaka i  John Gurdon dostali Nagrodę Nobla w dziedzinie biologii.
Komórki pluripotencjalne muszą spełniać określone wymagania i są poddawane bardzo ostrym testom, aby móc stwierdzić czy są w pełni pluripotencjalne – np. test różnicowania in vitro. Indukuje się to różnicowanie na wiele sposobów. Jedną z powszechnie używanych technik, jest hodowla komórek pluripotencjalnych w kulach zarodkowych. Kiedy komórki pluripotencjalne hoduje się w zawiesinie i trzyma się je w takich warunkach około dobę, one spontanicznie formują sferyczne agregaty, tzw. kule zarodkowe. Zachodzą w nich procesy, które przypominają te mające miejsce w zarodku. W wyniku procesów różnicowania można uzyskać wiele komórek w pełni dojrzałych (np. neurony). Komórki pluripotencjalne są bardzo cennym materiałem badawczym ponieważ można na nich śledzić bardzo wczesne etapy rozwoju, które do tej pory były dla człowieka niedostępne.
Oprócz testu in vitro komórki pluripotencjalne musza zdać test różnicowania in vivo. Jeśli wstrzykniemy do blastomy komórki ES, to jeśli są pluripotencjalne, powinny wspólnie z komórkami węzła zarodkowego rozwijać się w organizmie matki i stworzyć nowy organizm. Tak tworzy się myszy chimerowe – zwierające w sobie struktury, które są zbudowane z komórek, które pochodzą z dwóch różnych zarodków.
Dopiero gdy komórki zdają oba testy – in vitro i in vivo, można mówić, że są w pełni pluripotencjalne.
Ponieważ komórki pluripotencjalne są zdolne do różnicowania we wszystkie rodzaje komórek dorosłych organizmów, budzą ogromne zainteresowanie medycyny regeneracyjnej. Medycyna regeneracyjna jest to dziedzina medycyny, której celem jest leczenie za pomocą zastępowania komórek starych i chorych przez komórki młode (terapia komórkami macierzystymi, inżynieria tkankowa), lub regeneracja organizmu za pomocą terapii genowej. Przyczyną wielu chorób jest zanik określonych komórek (choroba Parkinsona, dystrofie mięśniowe, cukrzyca, choroby krwi). Firma Advanced Cell Technology prowadzi badania kliniczne nad terapią komórkami macierzystymi degeneracji plamki żółtej, która prowadzi do ślepoty. Firma Viacyte prowadzi badania nad terapią leczenia cukrzycy typu 1, w której zanikają komórki trzustki odpowiedzialne za produkcję hormonu insuliny i glukagonu. Firma BioTime prowadzi badania nad zastosowaniem komórek pluripotencjalych w leczeniu uszkodzeń rdzenia kręgowego.
W organizmie każdego z nas również występują komórki macierzyste, komórki multipotencjalne i unipotencjalne. Występują one w różnych narządach – mózg, skóra, rogówka, jelito cienkie, wątroba, szpik kostny i mięśnie szkieletowe, i odpowiadają za ich regenerację i utrzymanie ich funkcjonalności. Komórkami macierzystymi multipotencjalnymi są komórki, które znajdują się w szpiku kostnym. Procedura przeszczepu szpiku kostnego jest obecnie powszechnie wykorzystywana w leczeniu np. białaczek. Przeszczep szpiku kostnego jest skuteczny, ponieważ w szpiku kostnym znajdują się hematopoetyczne komórki krwi – komórki multipotencjalne, które dają początek wszystkim komórkom krwi – krwinkom białym , erytrocytom i płytkom krwi. Komórki macierzyste krwi poza szpikiem kostnym znajdują się też w krwi obwodowej i w krwi pępowinowej.
Komórki unipotencjalne różnicują tylko jeden rodzaj komórek. Są to komórki odpowiedzialne za regenerację wielu narządów. Komórkami macierzystymi rogówki są komórki rąbkowe, odpowiadają one za regenerację rogówki po jej zranieniu. Komórki macierzyste mięśni szkieletowych to komórki satelitowe, odpowiadają one za regenerację i wzrost mięśni szkieletowych.

***

Inicjatywa organizacji Festiwali Nauki w Warszawie, zapoczątkowana przez prof. Davida Shugara (fizyka i biologa molekularnego, twórcy polskiej szkoły biofizyki molekularnej) narodziła się w Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM) UW we wrześniu 1996 roku. Dokumentem formalnie powołującym Festiwal było Porozumienie podpisane w grudniu 1996 roku przez Rektorów Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Warszawskiej i Prezesa Polskiej Akademii Nauk. Dyrektorem Festiwalu Nauki w Warszawie został dr hab. Maciej Geller z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Od stycznia 2006 roku Festiwal nie jest już związany organizacyjnie z ICM. Jego animatorami są Wydział Fizyki UW i Instytut Biochemii i Biofizyki PAN, a oficjalnym reprezentantem, na mocy porozumienia Sygnatariuszy Porozumienia, pozostaje od początku Uniwersytet Warszawski. Od 2010 roku tytuł animatora otrzymał także Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej. W 2014 roku nowym dyrektorem Festiwalu została dr Zuzanna Toeplitz, związana z Wydziałem Psychologii Uniwersytetu Warszawskiego.

źródło: festiwalnauki.edu.pl

***

Licencja Creative Commons
Ten utwór jest dostępny na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Polska.

Partnerzy

Lista zapisanych wykładów jest aktualnie pusta.