Embrionalne komórki macierzyste: skąd pochodzą i co potrafią?

Embrionalne komórki macierzyste zawładnęły wyobraźnią zarówno naukowców, jak i osób niezwiązanych ze światem nauki. Czym jednak są te komórki, skąd pochodzą i dlaczego badacze na całym świecie pracują tak ciężko, aby dowiedzieć się o nich więcej?

Ludzkie embrionalne komórki macierzyste (EKM) są komórkami pluripotentnymi, co oznacza, że mogą dać początek każdej inne komórce ciała. Embrionalne komórki macierzyste pochodzą z komórek kilkudniowych embrionów, zwanych blastocystami.

 Naukowcy wykorzystują komórki EKM myszy w wielu obszarach - aby zbadać, w jaki sposób blastocysty rozwijają się w dorosłe formy oraz aby sprawdzić jakie sygnały zapoczątkowują przekształcanie się komórek macierzystych w komórki wyspecjalizowanie.

Poprzez tworzenie mysich „chimer” z genetycznie zmodyfikowanymi komórkami EKM naukowcom udało się zdobyć ogromną wiedzę na temat rozwoju embrionalnego oraz wielu chorób. Badania nad myszami pozwalają naukowcom sprawdzać, jaki konkretne geny wpływają na funkcje komórek oraz na choroby.

Naukowcy próbują dowiedzieć się, jak tworzyć wiele różnych  rodzajów wyspecjalizowanych komórek znajdujących się w ludzkim ciele poprzez wystawienie komórek EKM na działanie rozmaitych cząsteczek sygnałowych oraz zapewnianie im zróżnicowanych warunków rozwoju.

Komórki EKM myszy są używane do zdobycia wiedzy na temat rozwoju organizmu, począwszy od wczesnych faz embrionalnych po tworzenie się złożonych organów.

Naukowcy badają, w jaki sposób komórki łączą się w złożone tkanki, takie jak zwoje mózgowe, poprzez próby tworzenia prymitywnych organów w laboratoriach.

Wielu naukowców analizuje, jak można stosować komórki EKM w leczeniu wielu różnych chorób, począwszy od stwardnienia rozsianego, poprzez ślepotę, aż do cukrzycy.

Istnieją różnice w funkcjonowaniu komórek EKM u ludzi i u myszy. Z powodów moralnych i etycznych naukowcy nie mogą wykorzystywać  ludzkich komórek EKM w sposób, w jaki robią to w przypadku komórek myszy. Wymusza to konieczność analizowania  funkcjonowania ludzkich komórek EKM za pomocą bardziej skomplikowanych i niebezpośrednich metod.

Kolejnym wyzwaniem jest kontrolowanie, w jaki dokładnie sposób komórki EKM różnicują się w wyspecjalizowane rodzaje komórek.

Embrionalne komórki macierzyste powstają z komórek pochodzących z kilkudniowych embrionów. U ludzi, myszy i innych ssaków, embrion na tym etapie rozwoju jest kulą złożoną z około 100 komórek. Nazywany jest blastocystą i składa się z dwóch części:

  1. Blastocyst diagramZewnętrzna warstwa komórek, nazywana trofektodermą, z której później kształtuje się łożysko odżywiające embrion rosnący w macicy.
  2. Wewnętrzne skupisko komórek, nazywane węzłem zarodkowym, jest kulą składającą się z 10 – 20 komórek. Komórki te są niewyspecjalizowane. Będą one się mnożyć i różnicować w celu stworzenia wielu rodzajów komórek potrzebnych do powstania zwierzęcia.

Komórki węzła zarodkowego są pluripotentne: mogą przekształcić się w dowolny rodzaj komórki.

Mouse blastocyst
Blastocysta myszy 3,5 dnia po zapłodnieniu; wewnętrzna warstwa jest zaznaczona na zielono, a trofektoderma - na czerwono

Jeśli węzeł zarodkowy zostanie usunięty z mysiej blastocysty i jest odżywiany w odpowiedni sposób, może być dalej hodowany w laboratorium. Proces dojrzewania komórek i ich specjalizacji, który w normalnych warunkach zachodziłby w embrionie, zostaje zatrzymany. Zamiast tego komórki mnożą się i powstaje więcej niewyspecjalizowanych komórek przypominających komórki węzła zarodkowego. Te wyhodowane w warunkach laboratoryjnych komórki noszą nazwę embrionalnych komórek macierzystych (EKM).


Embryonic stem cell diagram
Embrionalne komórki macierzyste mogą „kopiować” same siebie i tworzyć inne rodzaje wyspecjalizowanych komórek.

 

EKM myszy mogą zostać ponownie „włożone” do mysiej blastocysty, a ta blastocysta może w pełni dojrzeć po umieszczeniu w macicy samicy myszy. Wstrzyknięte EKM biorą udział w rozwoju zarodkowym i w rezultacie młode rodzą się z mieszanką komórek (a) z pierwotnej blastocysty i (b) komórek pochodzących z wstrzykniętych EKM. Mysz z komórkami z dwóch źródeł nazywana jest chimerą. 

Chimery mogą przekazywać geny z embrionalnych komórek macierzystych swojemu potomstwu. Naukowcy mogą więc zmieniać w laboratorium geny EKM, wszczepiać je w blastocysty i tworzyć nowe myszy ze zmienionymi genami, tak zwanymi „mutacjami”. Naukowcy wykorzystują genetycznie zmutowane myszy powstałe z EKM do badania genów odpowiedzialnych za wiele chorób człowieka. Na przykład wyhodowanie myszy z mutacjami odpowiedzialnymi za powstawanie nowotworów u ludzi pozwala na zbadanie, w jaki sposób powstaje i rozwija się nowotwór i na testowanie potencjalnych leków. Ogromne znaczenie tej metody dla nauki i medycyny zostało uhonorowane w 2007 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny. Przyznano ją trzem naukowcom, którzy są pionierami w zakresie wykorzystywania EKM do tworzenia genetycznie zmodyfikowanych myszy.

Wykorzystując tę samą metodę co w przypadku wyodrębniania EKM myszy naukowcy stworzyli również EKM z węzła zarodkowego człowieka. Możesz dowiedzieć się więcej o embrionach ludzkich wykorzystanych w tych badaniach, jak również o ich pochodzeniu, z broszury Badania nad embrionalnymi komórkami macierzystymi: dylemat etyczny. Wstrzykiwanie ludzkich EKM w blastocysty nie jest dopuszczalne, jednak te komórki mogą być używane w laboratoriach do stworzenia rozmaitych wyspecjalizowanych rodzajów komórek. Wykorzystując w laboratoriach ludzkie EKM do produkcji wyspecjalizowanych komórek, na przykład neuronów (komórek nerwowych) lub komórek serca, naukowcy uzyskują dostęp do dorosłych ludzkich komórek bez konieczności pobierania tkanki od pacjentów. Dzięki temu naukowcy mogą szczegółowo zbadać te wyspecjalizowane komórki i ustalić, jakie są przyczyny pewnych chorób, lub też określić, jak reagują one na potencjalne nowe leki.

Do tej pory naukowcy pozyskali EKM z myszy i szczurów, a także ludzi i innych naczelnych, jednak ich celem jest uzyskanie EKM również z pozostałych gatunków. Naukowcy również pracują nad stworzeniem nowych i udoskonaleniem istniejących już metod pozyskiwania z EKM poszczególnych  rodzajów dorosłych komórek w warunkach laboratoryjnych. Największym wyzwaniem pozostaje nadal określenie, w jaki dokładnie sposób EKM ulegają specjalizacji. Niektórzy naukowcy rozpoczynają prace badawcze mające na celu udzielenie odpowiedzi na pytanie, czy EKM mogłyby w przyszłości być wykorzystywane do wyhodowania dorosłych komórek, które następnie zostałyby przeszczepione pacjentom w celu leczenia uszkodzonej lub objętej procesem chorobowym tkanki.

Broszura została opracowana przez Kate Blair i zrecenzowana przez Jenny Nichols i Austina Smith.

Tłumaczenie na język polski: Barbara Banasiuk

Zdjęcie blastocysty ludzkiej (główne zdjęcie): Mila Roode. Zdjęcie blastocysty myszy: Maria Elena Torres Padilla. Zdjęcie chimery myszy: Jenny Nichols. Zdjęcie neuronu: Oliver Bruestle. Pozostałe zdjęcia i wykresy: Kate Blair.