...

Komórki macierzyste

Komórki macierzyste to niezróżnicowane komórki prekursorowe. Mogą ulegać nieograniczonym podziałom lub różnicować się w wyspecjalizowane komórki somatyczne. Ich właściwości znalazły zastosowanie w medycynie regeneracyjnej – wykorzystuje się je np. w leczeniu oparzeń i nowotworów hematopoetycznych. Są też pomocne w badaniu mechanizmów rozwoju chorób i w opracowywaniu nowych terapii.

Spis treści:

Komórki macierzyste (ang. stem cells, SCs) to niezróżnicowane komórki prekursorowe, które uczestniczą w procesach wzrostu, rozwoju i naprawy organizmu. Dzięki temu, że ulegają nieograniczonym podziałom komórkowym, są zdolne do ciągłego samoodnawiania swojej puli. Ponadto komórki macierzyste cechują się pluripotencją, czyli zdolnością do różnicowania w inne wyspecjalizowane komórki somatyczne. Są to cechy wyróżniające komórki macierzyste od innych typów komórek. Wynikają one z ich zdolności do asymetrycznych podziałów komórkowych.

Komórki macierzyste w obrębie narządów są zlokalizowane w mikrośrodowisku nazywanym niszą. W niszy znajdują się inne komórki, liczne białka macierzy zewnątrzkomórkowej, a także czynniki sygnalizacyjne i hormony, z którymi SCs nieustannie wchodzą w interakcje.

1. Historia

Termin „komórki macierzyste” pojawił się po raz pierwszy w literaturze naukowej pod koniec XIX wieku za sprawą niemieckiego biologa Ernesta Haeckela. Naukowiec w swojej pracy badawczej skupiał się na mechanizmach ewolucyjnych organizmów. Doszedł do wniosku, że wszystkie organizmy wielokomórkowe rozwijają się z jednej komórki, którą określił mianem macierzystej.

Pierwsze badania nad komórkami macierzystymi koncentrowały się głównie na komórkach obecnych w szpiku kostnym. Dlatego ówczesne znaczenie definicji SCs odnosiło się jedynie do hematopoetycznych komórek macierzystych (ang. hematopoetic stem cells, HSCs) oraz do zapłodnionej komórki jajowej, z której rozwija się cały organizm. Dopiero w kolejnych latach badania zostały rozszerzone na inne tkanki i narządy oraz przyczyniły się do lepszego zrozumienia właściwości i roli komórek macierzystych w organizmie.

2. Podział

Ze względu na pochodzenie wyróżnia się zarodkowe komórki macierzyste i somatyczne komórki macierzyste. Można wyodrębnić także indukowane pluripotentne komórki macierzyste (ang. induced pluripotent stem cells, iPSC), które powstają w procesie odróżnicowania do stadium pluripotentnego w wyniku modyfikacji genetycznych.

Embrionalne komórki macierzyste (ang. embryonic stem cells, ESC) występują jedynie w obrębie węzła zarodkowego w stadium blastocysty. Mają one charakter pluripotencjalny i mogą różnicować się we wszystkie typy komórek rozwijającego się organizmu za wyjątkiem komórek tworzących łożysko. Ich pozyskiwanie budzi wiele kontrowersji, ponieważ wiąże się ze zniszczeniem zarodka.

Tkankowe komórki macierzyste (ang. somatic stem cells, SSC) nazywane inaczej dorosłymi komórkami macierzystymi (ang. adult stem cells, ASC) występują w wielu narządach organizmu człowieka. Charakteryzują się mniejszą zdolnością do różnicowania i samoodnawiania w porównaniu do zarodkowych komórek macierzystych. ASCs stanowią pulę komórek zapasowych, które zastępują inne obumierające komórki w obrębie danego narządu. Oszacowano, że najliczniej występują w tkankach nabłonkowych w obrębie naskórka, jelit i błony śluzowej jamy ustnej. Zidentyfikowane w skórze komórki macierzyste naskórka (ang. epidermal stem cells, ESCs) występują w określonych miejscach: w przedziałach międzymieszkowych oraz w warstwie podstawnej, a także w wybrzuszeniach mieszka włosowego i gruczołów łojowych. Głównym źródłem hematopoetycznych oraz mezenchymalnych komórek macierzystych (ang. mesenchymal stem cells, MSCs) jest szpik kostny. Mogą one również występować we krwi pępowinowej, łożysku, sznurze pępowinowym i galarecie Warthona. Bogatym źródłem MSCs jest również tkanka tłuszczowa. W mięśniach szkieletowych SCs reprezentują komórki satelitarne. W obrębie mózgu nerwowe komórki macierzyste (ang. neural stem cells, NSCs) występują głównie w strefie podkomorowej. Do tej pory nie odkryto SCs w mięśniu sercowym, trzustce, tkance chrzęstnej.

Kolejnym kryterium podziału komórek macierzystych jest ich odmienny potencjał do różnicowania. Tym samym wyróżnia się następujące rodzaje komórek macierzystych: totipotentne, pluripotentne, multipotentne i unipotentne. Totipotentne komórki macierzyste (ang. totipotent stem cells, TSCs) występują w zygocie i charakteryzują się największą zdolnością przekształcania się do komórek wszystkich trzech listków zarodkowych (ektodermy, endodermy, mezodermy). W porównaniu do pozostałych typów komórek macierzystych mogą one dawać początek komórkom, tworzącym zarówno tkanki zarodkowe, jak i pozazarodkowe np. łożyska. Pluripotentne komórki macierzyste (ang. pluripotent stem cells, PSCs) mogą różnicować się tylko w obrębie listków zarodkowych. Do pluripotentnych komórek macierzystych należą zarodkowe oraz indukowane komórki macierzyste. Multipotentne komórki macierzyste (ang. multipotent stem cells, MSCs) różnicują się do komórek wywodzących się z określonego lista zarodkowego. Są to np. hematopoetyczne, nerwowe, czy też mezenchymalne komórki macierzyste. Komórki unipotentne (ang. unipotent stem cells, USCs) nazywane inaczej progenitorowymi są ukierunkowane tkankowowo i mogą tworzyć tylko komórki jednego rodzaju, np. komórki macierzyste unipotentne, różnicujące do komórek naskórka (keratynocytów).

3. Różnicowanie

Zdolność komórek macierzystych do samoodnowy oraz różnicowania w inne typy komórek zależy od sposobu, w jaki się dzielą. W wyniku asymetrycznego podziału powstają dwie różniące się od siebie komórki potomne. Jedna z nich pozostaje w niszy i zachowuje właściwości komórki macierzystej, druga zaś opuszcza niszę, a następnie proliferuje i różnicuje się do określonego fenotypu komórek. Podczas podziału symetrycznego powstają z kolei dwie identyczne komórki. Obie mają cechy komórki macierzystej lub są częściowo zróżnicowane do określonego fenotypu (tzw. komórki progenitorowe).

Czynniki i mechanizmy kontrolujące różnicowanie komórek macierzystych nie są w pełni poznane. Wiadomo, że fenotyp komórek w tkankach jest zdeterminowany przez określony wzór ekspresji genów oraz wpływające na niego czynniki epigenetyczne. Ponadto wpływ na różnicowanie mają interakcje z mikrośrodowiskiem.

W warunkach fizjologicznych tkankowe komórki macierzyste pozostają uśpione w fazie G0 cyklu komórkowego. Zarówno czynniki środowiskowe, jak i wewnętrzne (np. czynniki wzrostu, cytokiny, hormony) mogą aktywować komórki i wprowadzić je do fazy podziału mitotycznego. Przykładowo czynnik uszkadzający (np. uraz) może inicjować procesy naprawcze, które wymagają aktywacji komórek macierzystych do podziału i różnicowania się na komórki potrzebne do regeneracji uszkodzonej tkanki. Jest to możliwe dzięki obecności na powierzchni błony komórkowej SCs specyficznych receptorów, odbierających sygnały w postaci chemokin, które pochodzą z uszkodzonych komórek.

4. Zastosowanie w medycynie

Właściwości komórek macierzystych znalazły zastosowanie w medycynie regeneracyjnej. Narządem, z którego najczęściej izoluje się komórki macierzyste w celach terapeutycznych, jest szpik kostny. Znajdujące się w nim hematopoetyczne komórki macierzyste stosuje się rutynowo w leczeniu nowotworów hematologicznych: białaczek, chłoniaków, szpiczaków, a także w przebiegu ciężkich niedokrwistości i niedoborów odporności. W tych celach równie powszechnie wykorzystywane są komórki macierzyste pochodzące z krwi pępowinowej. W porównaniu z komórkami izolowanymi ze szpiku kostnego są one pozyskiwane w sposób mniej inwazyjny dla dawcy.

Obecne w skórze komórki macierzyste są skutecznie stosowane w leczeniu oparzeń i ran, zaś komórki nabłonka rogówki w uszkodzeniach narządu wzroku. Inne zastosowania SCs obejmują eksperymentalne leczenie chorób pęcherzowych, stwardnienia rozsianego, twardziny układowej, uszkodzeń rdzenia kręgowego, leukodystrofii, a nawet choroby Parkinsona. Z kolei otrzymane w wyniku liposukcji mezenchymalne komórki macierzyste stosuje się m.in. w leczeniu stanów zapalnych i zmian zwyrodnieniowych w obrębie narządu ruchu. Dzięki możliwości przechowywania SCs w bankach komórek macierzystych mogą one zostać wykorzystane jako materiał do przeszczepu, kiedy zajdzie taka potrzeba, nawet wiele lat od momentu ich wyizolowania.

Komórki macierzyste są również niezwykle ważne w badaniach naukowych. Są pomocne w poznawaniu mechanizmów rozwoju chorób i opracowywaniu nowych terapii. Mogą być wykorzystywane np. w terapiach genowych do wprowadzania zdrowych genów do organizmu w celu leczenia chorób genetycznych, takich jak mukowiscydoza. Ponadto SCs mogą być stosowane w badaniach nad nowymi lekami, aby ocenić ich skuteczność i bezpieczeństwo, zanim zostaną dopuszczone do stosowania u ludzi.

Bibliografia

  1. Biffi A. Hematopoietic Stem Cell Gene Therapy for Storage Disease: Current and New Indications. Molecular Therapy, 2017.
  2. Blau H. M., Daley G.Q. Stem Cells in the Treatment of Disease. The New England Journal of Medicine, 2019.
  3. Brożek R., Kurpisz M., Koczorowski J. Jama ustna jako potencjalne źródło komórek macierzystych. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 2017.
  4. Chagastelles P. C., Nardi, N. B. Biology of stem cells: an overview. Kidney international supplements, 2011.
  5. De Luca M., et al. Advances in stem cell research and therapeutic development. Nature Cell Biology, 2019.
  6. Dulak J. Komórki macierzyste: zastosowania, perspektywy, nieporozumienia. Nauka, 2020.
  7. Gliński Z., Luft-Deptuła D. Komórki macierzyste – korzyści i zagrożenia. Życie Weterynaryjne, 2015.
  8. Kubiak J. Z., Ciemerych M. A. Od Gudona do Yamanaki, czyli krótka historia reprogramowania komórek. Postępy Biochemii, 2013.
  9. Oki T., et al. A novel cell-cycle-indicator, mVenus-p27K−, identifies quiescent cells and visualizes G0–G1 transition. Scientific Reports, 2014.
  10. Ramalho-Santos M., Willenbring H. On the origin of the term “stem cell”. Cell Stem Cell, 2007.
  11. Seita J., Weissman I.L. Hematopoietic stem cell: self-renewal versus differentiation. Wiley Interdisciplinary Reviews: Systems Biology and Medicine, 2010.
  12. Szabłowska-Gadomska I. Bużańska L., Małecki M. Właściwości komórek macierzystych, regulacje prawne oraz zastosowanie w medycynie. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 2017.
  13. Uzarska M., et al. Komórki macierzyste naskórka – biologia i potencjalne zastosowanie w medycynie regeneracyjnej. Postępy Biochemii, 2013.