Komórki macierzyste

Komórki macierzyste

Rozwój organizmu wielokomórkowego takiego jak człowiek rozpoczyna się od zapłodnionej komórki jajowej, która zawiera informację genetyczną o budowie wszystkich tkanek i narządów. Ta zapłodniona komórka jajowa (zygota) jest podstawową, "najważniejszą" komórką macierzystą. Jest to komórka totipotencjalna, co oznacza, że może ona dać początek (w wyniku kolejnych podziałów i różnicowania) różnym rodzajom wyspecjalizowanych komórek, których w dorosłym organizmie jest ponad 100 rodzajów, a ich liczba przekracza 80 bilionów.
W wyniku połączenia plemnika z komórką jajową powstaje więc pierwotna, totipotencjalna komórka macierzysta. Pierwsze podziały tej komórki są symetryczne, tzn. że wszystkie jej komórki potomne zwane blastomerami (liczba ich wynosi 32 lub 64 a powstają one po 4 lub 5 podziałach) zawierają komplet informacji genetycznej i są totipotencjalne. Mogą wiec dać początek wszystkim wyspecjalizowanym komórkom całego organizmu.
Następnie tworzy się blastocysta, której część komórek zaczyna tracić "totipotencjalność". W dalszym etapie rozwoju zarodkowego (embrionalnego) zwanym gastrulacją zachodzi proces specjalizowania się (różnicowania) komórek, które organizują się w trzech odrębnych strefach i stają się komórkami multipotencjalnymi zwanymi także pluripotencjalnymi. Takie komórki mogą dawać początek (różnicować się) wielu, ale nie wszystkim rodzajom komórek organizmu.
Znaczna liczba komórek żyje znacznie krócej niż cały organizm. Do grupy krótkożyjących komórek należą miedzy innymi: komórki krwi (10 do 100 dni), naskórka (7 do 10 dni), nabłonka wyścielającego przewód pokarmowy i drogi oddechowe (7 do 10 dni). Istnieje więc potrzeba stałego uzupełniania liczby krótkożyjących komórek. Odbywa się to dzięki istnieniu komórek macierzystych, które można nazwać "tkankowymi" komórkami macierzystymi. Są to komórki, które w różnych tkankach stanowią samopodtrzymującą się populację, to znaczy mają zdolność do podziału niesymetrycznego na dwie potomne, z których jedna pozostaje dalej komórką macierzystą, a druga różnicuje się (specjalizuje), tworząc dojrzałe komórki krwi, nabłonka itp. Najlepiej proces ten prześledzić na przykładzie komórek krwi a dokładniej macierzystych komórek krwiotwórczych, które zawarte są przede wszystkim w szpiku, a także w krwi pępowinowej i obwodowej.


schemat przebiegu początkowych etapów rozwoju zarodka na przykładzie zarodka myszy

1) owulowany oocet – komórka ulegająca zapłodnieniu, z której powstaje później jednokomórkowy zarodek zawany zygota i później w trakcjie bruzdkowania powstają zarodki dwu, cztero , osimio komórkowe

2) Zygota - komórka powstała w wyniku zapłodnienia czyli połączenia haploidalnej gamety męskiej z haploidalną gametą żeńską w procesie rozmnażania płciowego. Nowopowstała diploidalna komórka ulega dalszym podziałom dając początek organizmowi potomnemu.

3) Morula – zaawansowane stadium bruzdkowania całkowitego (ok. 64 i 128 blastomerów), przypominające wyglądem owoc morwy; w stadium moruli może następować fragmentacja zarodka, co prowadzi do poliembrionii; u ssaków — stadium bruzdkowania poprzedzające wytworzenie jamy blastuli (blastocysty); kulista bryłka złożona z kilkunastu komórek

4) Blastocysta - stadium blastuli w rozwoju zarodka ssaka. Blastocysta to okrągły twór składający się z powierzchniowej pojedynczej warstwy komórek zwanej trofoblastem, od którego do jamy środkowej wystercza grupa komórek zwana węzłem zarodkowym lub embrioblastem.

Mikrofotografia mysiej blastocysty obserwowanej pod mikroskopem z kontrastem Huffmana.
I - węzeł zarodkowy T - trofoblast
Na początkowych etapach rozwoju te komórki są polipotentne czyli jedna komórka jest w wstanie utworzyć wszystkie tkanki i struktury wewnątrz zarodka


W czasie różnicowania blastocysty (proces kiedy komórka decyduje się na bycie taką czy inną komórką) możemy wyróżnić komórki, które otaczają zarodek, w których powstają poza zarodkowe struktury jak błony płodowe czy zarodkowa część łożyska oraz węzeł zarodkowy z którego powstaną wszystkie komórki budujące zarodek.
Z węzła zarodkowego wykształcą się trzy nitki zarodkowe ektoderma, endoderma i mezoderma, komórki które budują te nitki zarodkowe są w stanie ciągle tworzyć różne tkanki

ektoderma - zewnętrzna warstwa zarodka. Z ektodermy powstają głównie: skóra, nabłonek i pochodne (paznokcie), gruczoły potowe i łojowe, nabłonek jelita przedniego i tylnego, szkliwo zębów, elementy oka (rogówka, soczewka, siatkówka) i cały układ nerwowy.
endoderma wewnętrzna warstwa komórek w rozwoju zarodkowym zwierząt powstająca w stadium gastruli. Inaczej listek zarodkowy. W jej obrębie tworzy się jama zwana prajelitem, do której z zewnątrz prowadzi otwór, czyli pragęba. Z niej rozwijają się: nabłonek jelita środkowego, trzustka, wątroba, nabłonek układu oddechowego, pęcherz moczowy, cewka moczowa
mezoderma dzieli się na osiową, z której rozwinie się struna grzbietowa oraz przyosiową z której powstanie wtórna jama ciała - celoma. Z mezodermy rozwija się tkanka łączna, kora nadnerczy, układ krwionośny i limfatyczny, kanał rdzenia kręgowego, skóra właściwa, śluzówka, układ rozrodczy, a u kręgowców dodatkowo nerki. Szkielet i mięśnie powstają z mezenchymy (grupy komórek wyodrębniających się z mezodermy).

Historia:

1954 Stevens i Little opisali potworniaki jąder u samców myszy szczepu 129
potworniak – nowotwór powstajacy w komórkach rozrodczych, polegający na tym że oprócz standardowego wyposażenia w komórkach rozwijają się różne tkanki: mięśnie, chrząstki
1974 Stevens i Varnum zaobserwowali, że samice myszy szczepu LCV zapadają na potworniaki jajników
potworniak jajnika – komórki jajowe nie ulegały owulacji zostawały w jajniku tam ulegały aktywacji paratenogenetycznej czyli aktywacji bez udziału plemnika
W 1974 Martin i Evans z komórek we wczesnym stadium potworniaka uzyskali komórki które określili mianem mysich komórek raka zarodkowego. Komórki te sprawiały wrażenie, że są toitipotentne.
Jak można sprawdzić czy komórka jest totipotentna?


Jak stworzyć zarodek zbudowany z różnych rodzajów komórek?

Dawniej: łączono zarodek myszy białej z czarnym z czego powstawała mysia chimera

Obecnie: do pipety nabiera się komórek z jamy i wdmuchuje do jamy plastocysty. Komórki te „zasiedlą” węzeł zarodkowy co doprowadzi do powstania zarodka z różnych komórek. Jeżeli ten zarodek przeszczepimy do macicy samicy białej, a zarodek był czarny to powstanie łaciaty płód

W 1981 Evans i Kaufman oraz Martin uzyskali mysie zarodki komórek macierzystych

1998 Thomas we wsparciu oraz shamblott i zespół uzyskali ludzkie zarodkowe komórki macierzyste.

Jak wykorzystać zarodkowe komórki macierzyste?

Biologia rozwoju
badanie mechanizmów rozwoju zarodka, różniocowanie się tkanek i organów
badanie funkcji genów DNA komórek zarodkowych
uzyskiwanie myszy, których komórki zawierają zmodyfikowany gen lub myszy pozbawione genu kodującego badane białko
testowanie leków i kosmetyków

Medycyna
zwierzęce modele chorób
terapie komórkowe
wykorzystaine w badaniach antynowotworowych
Myszy pozbawione cykliny D1, CDK4 nie choryją na raka sutka. Usunięcie jakiegoś genu zmniejszy prawdopodobieństwo, że mysz zachoruje na raka

Klonowanie terapeutyczne

Celem klonowania terapeutycznego jest zmuszenie komórek do rozwinięcia się w konkretny organ, który potem może być wszczepiony osobie, która była dawcą komórek. To znacznie lepsza technika niż przeszczepianie organów od innych osób, gdyż chory dostaje organ identyczny z własnym, zaś ryzyko odrzucenia jest nikłe. Poza tym technika ta daje możliwość klonowania dowolnej ilości organów, co zlikwidowałoby skutecznie kolejki chorych czekających na przeszczep.

Od dowolnej kobiety pobierane jest jajeczko, jego DNA zastępowane jest DNA chorego. Następnie komórka pobudzana jest impulsem elektrycznym do rozwoju. Gdy embrion dostatecznie się rozwinie, pobierane są z niego specjalne komórki, hemocytoblasty, które mogą rozwinąć się w dowolny organ ludzkiego ciała. Po odczekaniu stosownego czasu organ gotowy jest do przeszczepu.


Można klonować ludzkie zarodki do celów terapeutycznych - orzekła HFEA - brytyjska rada nadzorująca przestrzeganie zasad etycznych w naukach biologicznych. Uzyskane w ten sposób komórki macierzyste posłużą do leczenia m.in. cukrzycy, choroby Alzheimera i choroby Parkinsona.

Rys 7

Wyleczenie myszy


Znaczenie komórek macierzystych w życiu człowieka

Na przydatność komórek macierzystych u ludzi zwróciło uwagę zapłodnienie in vitro, w języku codziennym: metoda „dziecka z probówki”. Wówczas to pobiera się od przyszłej matki wiele komórek jajowych, które „w probówce”, a więc poza ustrojem człowieka, zapładnia się plemnikami przyszłego ojca. Po skutecznym zapłodnieniu rozpoczyna się podział zarodka tak jak w organizmie kobiety w ciąży. Następnie wszczepia się do macicy przyszłej matki zarodek składający się z około 16-32 komórek. Jeśli wszczepienie uda się za pierwszym razem, wówczas pozostałe zarodki mogą zostać zachowane i stać się źródłem pozyskania komórek macierzystych. Jednak metoda „dziecka z probówki” zapewnia tylko ograniczoną liczbę zarodków, a przez to i komórek macierzystych. Większość ekspertów oraz przedstawiciele kościołów uważają za niedopuszczalne, aby w celu pozyskania komórek macierzystych „produkować” w taki sposób zarodki.
Komórki macierzyste z krwi pępowinowej są doskonałą i etyczną alternatywą.

Pępowina po porodzie zostaje usunięta wraz z łożyskiem. Pępowina i łożysko stanowią bogate źródło komórek macierzystych doskonałej jakości, które w łatwy sposób i bez ryzyka mogą zostać pobrane i przechowane dla Państwa dziecka jako własne komórki macierzyste.
Zalety przechowywania komórek macierzystych z krwi pępowinowej:

Komórki macierzyste występują w organizmie człowieka przez całe jego życie m.in. w szpiku kostnym, jelitach, krwi, tkance nerwowej. Jednak tylko komórki zawarte w krwi pępowinowej posiadają pewne unikalne właściwości.

Są bardziej pierwotne i mniej ukierunkowane niż komórki pochodzące z organizmu dorosłego człowieka. Wykazują większą skłonność do transdyferencjacji (zmiany w komórki innego typu np. mięśniowe).

Z reguły nie zawierają one komórek nowotworowych, które mogą powstać w trakcie życia człowieka w wyniku oddziaływania środowiska zewnętrznego.

Jeśli są przeszczepiane tej samej osobie, od której zostały pobrane (tzw. przeszczep autologiczny) zapewniają brak reakcji odrzucenia a także nie wywołują reakcji "przeszczep przeciwko gospodarzowi" (GvHD).

W przeszczepach allogenicznych (inny dawca i biorca - rodzeństwo, rodzice, obce osoby) obniżona aktywność immunologiczna komórek macierzystych zmniejsza niebezpieczeństwo powikłań i odrzuceń.

Proces pobierania komórek macierzystych z krwi pępowinowej jest bezbolesny i całkowicie bezpieczny zarówno dla matki jak i dziecka, gdyż następuje już po tzw. odpępnieniu.

Pobieranie, przetwarzanie i bankowanie komórek macierzystych krwi pępowinowej nie budzi żadnych wątpliwości natury moralnej i etycznej. Jest ono popierane przez Kościół Katolicki oraz autorytety etyczne jako przeciwstawienie się wykorzystywaniu komórek embrionalnych.

Najważniejsze wydarzenia:
W styczniu 2004 roku Y. Cohen i A. Nagler dokonali oceny wyników 1398 zabiegów przeszczepienia krwi pępowinowej w sześciu klinikach hematologicznych w Europie, Stanach Zjednoczonych i Japonii. Zabiegi przeszczepiania wykonywano również w przypadkach chorób nienowotworowych, np. w tzw. chorobach spichrzeniowych i w niewydolnościach układu odpornościowego. Autorzy podkreślają mniejszą częstość powikłań typu choroba przeszczep przeciw gospodarzowi po zabiegach przeszczepienia krwi pępowinowej w porównaniu z zabiegami przeszczepienia szpiku.
We wrześniu 2003 roku opublikowano dane o działalności zrzeszonych w organizacji Netcord 13 banków krwi pępowinowej w Europie, Stanach Zjednoczonych, Australii i Japonii. Zgromadzono ogółem 71842 porcje krwi pępowinowej, przeszczepiono łącznie 2592 porcje, z tego 1578 u dzieci i 1014 u dorosłych.
Podobną publikację przedstawili autorzy amerykańscy, oceniając w 2001 roku wyniki leczenia krwią pępowinową od niespokrewnionych dawców 68 dorosłych chorych na różne choroby hematologiczne.
W 1998 dr Eliane Gluckman i współpracownicy podsumowali wyniki 143 zabiegów przeszczepienia krwi pępowinowej w 45 ośrodkach w Europie, stwierdzając, że zabiegi takie stanowią skuteczną metodę leczenia chorób układu krwiotwórczego.
W latach 1997-2003 w fachowych czasopismach medycznych opublikowano wiele doniesień o leczniczym stosowaniu przeszczepienia krwi pępowinowej przede wszystkim u dzieci, ale także u dorosłych. Stosowano zarówno przeszczepy autologiczne oraz allogeniczne od dawców niespokrewnionych. Większość przeszczepów wykonano u biorców z chorobami układu krwiotwórczego, stwierdzając skuteczność tej metody leczenia.
W 1996 roku wykonano pierwszy przeszczep krwi pępowinowej u dorosłego - chorego na przewlekłą białaczkę szpikową.
W 1988 roku po raz pierwszy z sukcesem przeszczepiono krew pepowinową. Dawcą była nowonarodzona dziewczynka a biorcą jej pięcioletni brat chory na niedokrwistość Fanconiego. To zapoczątkowało coraz szersze stosowanie krwi pępowinowej w leczeniu chorób tkanki krwiotwórczej i układu odpornościowego u dzieci.

Komórki macierzyste w terapii chorób

W chwili obecnej komórki macierzyste stosuje się w leczeniu ponad 70 schorzeń, w których wykorzystywane są do autologczinych lub allogenicznych przeszczepów krwiotwórczych.
Poniżej prezentujemy listę chorób leczonych za pomocą komórek macierzystych

Ostre białaczki
Białaczki przewlekłe
Zespół mielodysplastyczny
Choroby spowodowane defektem komórki macierzystej
Zespoły mieloproliferacyjne
Zespoły rozrostowe układu chłonnego
Choroby fagocytów
Choroby związane z zaburzeniami spichrzania w liposomach
Inne nowotwory złośliwe
Histiocytozy
Dziedziczne nieprawidłowości krwinek czerwonych
Wrodzone (dziedziczne) zaburzenia układu odpornościowego
Inne choroby dziedziczne
Nieprawidłowości płytek krwi
Nieprawidłowości komórek plazmatycznych

A) Młodszy brat ciężarnej zmarł w wieku dwudziestu kilku lat z powodu białaczki, w trakcie oczekiwania na znalezienie dawcy szpiku zgodnego z chorym w zakresie antygenów układu HLA. Nie znaleziono odpowiedniego dawcy ani wśród członków rodziny chorego, ani w rejestrze dawców szpiku. Zdecydowano się na pobranie i zamrożenie krwi pępowinowej od dwu noworodków w celu zapewnienia możliwości przeszczepienia w przyszłości komórek macierzystych w przypadku zachorowania w tej rodzinie.
B) U matki rozpoznano chłoniaka (lymphoma) w 28. tygodniu ciąży. Ze względu na szybko pogarszający się stan chorej i konieczność rozpoczęcia chemioterapii w 29. tygodniu ciąży wykonano cięcie cesarskie, pobierając krew pępowinową. Krew zamrożono w celu ewentualnego przeszczepienia zawartych w niej komórek macierzystych chorej matce (przeszczep allogeniczny), w przypadku kiedy nie będzie można znaleźć "zgodnego" dawcy szpiku.
C) Ciężarna ma siedmioletnie dziecko chore na ostrą białaczkę limfoblastyczną. Są wskazania do przeszczepienia komórek szpiku. Wykonane badania in vitro wykazały, że chore dziecko i płód są zgodne w zakresie antygenów HLA klasy I i II. Pobrano, zbadano i zamrożono krew pępowinową. Dwa miesiące później krew została wysłana do klientki, rozmrożona i przetoczona choremu dziecku w trakcie chemioterapii. Trzy miesiące po przeszczepieniu dziecko zostało wypisane ze szpitala i do chwili obecnej jego stan zdrowia jest dobry.

Perspektywy

Wykonane w ciągu ostatnich kilku lat (1998-2003) badania wykazały, że szpik a również krew pępowinowa zawierają komórki, które po przeszczepieniu różnicują się w organizmie biorców na komórki wątroby, mięśni, śródbłonka, trzustki, mięśnia sercowego, mózgu, nerki, płuc i siatkówki oka. Wyniki tych badań na zwierzętach, ale również obserwacji klinicznych po transplantacji u ludzi pozwalają przypuszczać, że w szpiku, krwi pępowinowej i obwodowej obecne są także macierzyste komórki totipotencjalne. To dawałoby niezwykłą perspektywę wykorzystywania ich nie tylko w leczeniu chorób hematologicznych ale również na przykład w celu regeneracji tkanki mięśniowej (np. komórek mięśnia sercowego), komórek nerwowych (w chorobie Alzheimera, chorobie Parkinsona).
Obecnie znanych jest około 70 chorób, przy których przeszczep komórek macierzystych stwarza szanse wyleczenia.
Obiecujące są także wyniki prób klinicznych w leczeniu przeszczepianiem komórek macierzystych chorób autoimmunologicznych (chorób z autoagresji, w których limfocyty chorego atakują jego własne komórki) takich jak układowy toczeń rumieniowaty, stwardnienie rozsiane, reumatoidalne zapalenie stawów i inne. W takich przypadkach chorych poddawano intensywnej chemioterapii, a z komórek macierzystych usuwano "szkodliwe" limfocyty.
Przeciętna porcja krwi pępowinowej zawiera mniej krwiotwórczych komórek macierzystych niż przeciętna porcja pobranego szpiku. Z tego względu większość opisanych dotychczas zabiegów przeszczepiania krwi pępowinowej wykonano u dzieci, wykorzystując zarówno krew własną jak i pobraną od brata lub siostry, a także od dawcy niespokrewnionego. W celu zwiększenia potrzebnej do przeszczepiania liczby komórek macierzystych od kilkunastu lat prowadzone są badania nad możliwością namnażania ich poza organizmem (in vitro). Wyniki dotychczasowo wykonanych badań są obiecujące. Hodowla komórek macierzystych in vitro to również możliwość ich wykorzystania do somatycznej terapii genowej, tj. leczenia chorób genetycznych, które spowodowane są brakiem lub zaburzeniem czynności określonego genu. W takich przypadkach "zdrowy" gen można by wprowadzić do hodowanych komórek macierzystych chorego i po namnożeniu przeszczepić go chorym. Tego rodzaju pomyślne próby kliniczne zostały już wykonane przy użyciu innych komórek jako nośników "zdrowego" genu. Pojawiły się już doniesienia o dobrych wynikach leczenia krwią pępowinową rzadkich chorób dziedzicznych takich jak mukopolisacharydoza (zespół Sanfilippo i zespół Hurlera).
Wszystko wskazuje więc na to, że krew pępowinowa może być przyszłością medycyny.



Bibliografia
- opracowanie haseł na podstawie encyklopedii „Wikipedia” i Encyklopedii biologicznej PWN
- strony internetowe o komórkach macierzystych w krwi pępowinowej
www.cryo-save.com
www.pbkm.pl
www.progenis.pl
-przykłady zastosowań: Cellular characteristic of cord blood and cord blood transplantation, Ed. H. E. Broxmeyer, AABB Press, Bethesda, Maryland, 1998.