W tym wpisie na blogu przyjrzymy się roli i ograniczeniom komórek macierzystych w medycynie przyszłości, skupiając się na ich rodzajach i cechach, potencjale terapeutycznym i kontrowersjach etycznych.
W 2004 roku profesor Hwang Woo-suk ogłosił, że udało mu się sklonować komórki macierzyste zarodków przy użyciu ludzkich jajeczek w Korei Południowej. Chociaż ostatecznie udowodniono, że badania te były fałszywe, incydent ten wywołał szerokie zainteresowanie społeczeństwa komórkami macierzystymi w Korei. Jednak zainteresowanie komórkami macierzystymi rosło już od dłuższego czasu. Od czasu, gdy rosyjski naukowiec Aleksander Maksimow po raz pierwszy użył tego terminu w 1908 roku, a McCullough i James Till udowodnili ich istnienie w 1963 roku, badania nad komórkami macierzystymi i ich potencjałem w leczeniu chorób były prowadzone w różnych dziedzinach.
W szczególności badania nad komórkami macierzystymi poczyniły duże postępy od drugiej połowy XX wieku, wraz z rozwojem biotechnologii. Na przykład w 20 roku Martin Evans i Gale Martin odnieśli sukces w wyizolowaniu embrionalnych komórek macierzystych od myszy, a badania te stały się podstawą badań nad ludzkimi embrionalnymi komórkami macierzystymi. Następnie w 1981 roku James Thomson po raz pierwszy odniósł sukces w hodowli ludzkich embrionalnych komórek macierzystych, a badania nad ludzkimi komórkami macierzystymi rozpoczęły się na dobre. Chociaż badania nad komórkami macierzystymi stale postępowały, napotkały one różne ograniczenia, takie jak trudności w kontrolowaniu różnicowania komórek macierzystych i kwestie etyczne, i nie poczyniły dużego postępu. Jednak w 1998 roku Shinya Yamanaka odniósł sukces w badaniach nad komórkami macierzystymi iPS, które przezwyciężyły wszystkie te ograniczenia, ponownie rozpalając badania nad komórkami macierzystymi, które są nadal badane pod kątem potencjału różnych metod leczenia.
W tym artykule omówimy, czym są komórki macierzyste, jakie mają cechy, jakie są rodzaje komórek macierzystych, jakie zalety i wady ma każdy rodzaj w badaniach i leczeniu oraz w jaki sposób można je wykorzystać w leczeniu i badaniach.
Nasze ciała składają się z setek różnych typów komórek, z których każdy pełni określone funkcje. Na przykład komórki skóry izolują nasze ciała od środowiska zewnętrznego, komórki płuc wydalają dwutlenek węgla i pochłaniają tlen, a komórki jelita cienkiego wchłaniają składniki odżywcze do organizmu. Komórki, które produkują te różne typy komórek, nazywane są komórkami macierzystymi. Innymi słowy, komórki macierzyste to komórki, które mają zdolność do różnicowania się w różne typy komórek i są niezróżnicowanymi komórkami, które jeszcze się nie zróżnicowały. Dlatego w szerokim sensie zapłodnione jaja to również komórki, które mają zdolność do wielokrotnego dzielenia się i różnicowania w całe ciało, a zatem są zaliczane do komórek macierzystych. Jednak gdy termin „komórka macierzysta” jest używany ogólnie, odnosi się on do komórek, które mają zdolność do różnicowania się w komórki inne niż one same, z wyłączeniem zapłodnionych jaj.
Wszystkie komórki macierzyste mają dwie właściwości: zdolność do samoreplikacji i zdolność do różnicowania. Po pierwsze, zdolność do samoreplikacji to zdolność do replikacji poprzez podział komórek somatycznych, tak jak inne komórki. Jednak w przeciwieństwie do innych komórek, aby utrzymać ich liczbę w organizmie, gdy komórki macierzyste różnicują się w dwie komórki, tylko jedna różnicuje się w komórkę o nowej funkcji, a druga jest replikowana w tej samej formie co pierwotna komórka macierzysta. Jeśli jedna komórka macierzysta różnicuje się w dwie nowe komórki w organizmie, inne komórki macierzyste utrzymują swoją liczbę, wytwarzając dwie identyczne komórki macierzyste poprzez podział komórek somatycznych. Drugą właściwością jest zdolność do różnicowania się w różne komórki lub potencjał różnicowania. Komórki macierzyste są klasyfikowane jako totipotencjalne, pluripotentne lub multipotencjalne komórki macierzyste w zależności od zakresu ich potencjału różnicowania. Totipotencjalne komórki macierzyste to komórki macierzyste o zdolności różnicowania do wytworzenia kompletnego organizmu i obejmują zapłodnione jaja oraz komórki, które przechodzą podział komórkowy, aby utworzyć strukturę podobną do moruli. Pluripotentne komórki macierzyste to komórki macierzyste znajdujące się w nieco bardziej zróżnicowanym stadium niż totipotentne komórki macierzyste. Chociaż nie mogą utworzyć kompletnego organizmu, ponieważ nie mogą utworzyć łożyska, mają zdolność różnicowania do różnicowania się w niemal wszystkie typy komórek. Komórki endodermy, mezodermy i ektodermy, które powstają w wyniku dalszego różnicowania od stadium blastuli, należą do tej kategorii. Wreszcie, multipotentne komórki macierzyste są ograniczone pod względem typów komórek, w które mogą się różnicować z komórek macierzystych i głównie różnicują się w komórki o podobnych funkcjach. Na przykład NSC (neuralne komórki macierzyste) mogą różnicować się tylko w komórki takie jak neurony, astrocyty i oligodendrocyty w układzie nerwowym, a są to multipotentne komórki macierzyste.
Jak wyjaśniono powyżej, komórki macierzyste mają zdolność różnicowania się w inne komórki, co czyni je niezwykle cennymi w dziedzinie medycyny. Aby komórki macierzyste mogły być wykorzystywane w różnych metodach leczenia, muszą mieć dobrą zdolność różnicowania, ich szybkość różnicowania musi być kontrolowana, nie mogą występować żadne problemy etyczne i nie mogą powodować odrzucenia immunologicznego u pacjentów. Komórki macierzyste można ogólnie podzielić na trzy typy: komórki macierzyste zarodkowe, komórki macierzyste dorosłe i indukowane pluripotentne komórki macierzyste (komórki iPS). Każdy typ ma inne cechy, jak opisano powyżej. Poniżej przedstawiono trzy typy komórek macierzystych oraz ich zalety i wady w kontekście zastosowań terapeutycznych w odniesieniu do cech wymienionych powyżej.
Po pierwsze, komórki macierzyste zarodka to komórki macierzyste, które odgrywają rolę w tworzeniu komórek, które wykonują różne funkcje w procesie formowania tkanek i narządów oraz rozwijania się w płód poprzez powtarzający się podział komórek zwany zapłodnieniem. Zarodek odnosi się do okresu około ośmiu tygodni po tym, jak męski plemnik i żeńska komórka jajowa spotykają się i stają się zapłodnionym jajem, kiedy różnicowanie w różne tkanki i narządy jest zakończone. Komórki macierzyste zarodka odgrywają ważną rolę w tym okresie i ponieważ są komórkami macierzystymi zaangażowanymi w tworzenie wszystkich komórek, które tworzą tkanki i narządy płodu, teoretycznie mają potencjał do różnicowania się we wszystkie komórki w naszym ciele. Z tego powodu komórki macierzyste zarodka są klasyfikowane jako komórki macierzyste totipotencjalne i pluripotentne, jak wyjaśniono powyżej. Jednak w przypadku komórek macierzystych zarodka, jeśli zarodek jest uważany za żywy organizm, eksperymentowanie z nim jest równoznaczne z zabiciem życia, co rodzi problemy etyczne. Ponadto komórki macierzyste zarodka różnicują się bardzo szybko, co utrudnia sztuczną kontrolę tempa różnicowania i różnicowania ich w określone komórki, a także istnieje ryzyko, że rozwiną się w komórki nowotworowe. Ponadto, gdy konieczne jest przeszczepienie komórek macierzystych zarodka od innej osoby, istnieje ryzyko odrzucenia immunologicznego. Aby rozwiązać problem odrzucenia immunologicznego, opracowano specyficzne dla pacjenta komórki macierzyste zarodka. Specyficzne dla pacjenta komórki macierzyste zarodka są tworzone przez usunięcie jądra z zapłodnionego jaja podczas procesu tworzenia komórek macierzystych zarodka, wstrzyknięcie jądra komórki somatycznej pacjenta do zapłodnionego jaja, a następnie hodowanie zapłodnionego jaja. Komórki macierzyste utworzone w ten sposób nie powodują reakcji odrzucenia immunologicznego w organizmie pacjenta. Jednak te specyficzne dla pacjenta komórki macierzyste zarodka również budzą kwestie etyczne, ponieważ wykorzystują zapłodnione jaja i nie nadają się do wykorzystania w badaniach lub leczeniu, ponieważ mają potencjał do rozwinięcia się w komórki nowotworowe.
Po drugie, istnieją dorosłe komórki macierzyste. Dorosłe komórki macierzyste to komórki macierzyste występujące u dojrzałych dorosłych. Występują w różnych tkankach w całym ciele i mogą różnicować się w komórki tworzące określone tkanki. Obecnie znane dorosłe komórki macierzyste obejmują komórki macierzyste szpiku kostnego, tkanki tłuszczowej i krwi. W przeciwieństwie do komórek macierzystych zarodka, dorosłe komórki macierzyste mają stabilne różnicowanie i nie mają potencjału, aby stać się komórkami nowotworowymi, co jest etyczną zaletą. Dlatego są bardziej odpowiednie do celów badawczych i terapeutycznych niż embrionalne komórki macierzyste. Typowym przykładem ich zastosowania w terapii jest przeszczep szpiku kostnego. Jednak dorosłe komórki macierzyste występują w niewielkich ilościach w tkankach, więc liczba komórek macierzystych, które można uzyskać, jest ograniczona. W porównaniu do embrionalnych komórek macierzystych, dorosłe komórki macierzyste mogą różnicować się w ograniczoną liczbę typów komórek, co czyni je odpowiednimi do hodowli określonych komórek, ale ogranicza ich zastosowanie w wielu dziedzinach.
Indukowane pluripotentne komórki macierzyste zostały opracowane w celu przezwyciężenia problemów i ograniczeń tych dwóch typów komórek macierzystych. Indukowane pluripotentne komórki macierzyste to komórki macierzyste utworzone z komórek somatycznych w naszych ciałach poprzez indukowanie ich powrotu do pierwotnego stanu komórek macierzystych, tj. poprzez indukowanie dedyferencjacji komórek somatycznych. Podobnie jak komórki macierzyste zarodkowe, te komórki macierzyste mają tę zaletę, że mogą różnicować się w dowolne komórki w ciele, ale w przeciwieństwie do komórek macierzystych zarodkowych nie stwarzają problemów etycznych. Jednak ponieważ czynnik wprowadzony do komórek somatycznych w celu dedyferencjacji jest częścią genu nowotworowego, istnieje ryzyko, że może on spowodować raka, jeśli nie zostanie wykonany prawidłowo, a te komórki macierzyste są nadal w fazie rozwoju i nie mogą być jeszcze stosowane klinicznie. Dlatego komórki macierzyste obecnie stosowane w badaniach i leczeniu to głównie dorosłe komórki macierzyste, podczas gdy indukowane pluripotentne komórki macierzyste przyciągają uwagę jako potencjalna przyszła terapia komórkowa.
Obecnie komórki macierzyste są wykorzystywane w niektórych obszarach leczenia. Przeszczep szpiku kostnego jest przykładem reprezentatywnym, ale terapia komórkami macierzystymi nie jest jeszcze szeroko stosowana w obszarach innych niż przeszczep szpiku kostnego. Jednak trwają prace nad znalezieniem metod leczenia z wykorzystaniem komórek macierzystych w różnych dziedzinach, takich jak cukrzyca, reumatoidalne zapalenie stawów, choroba Parkinsona, choroba Alzheimera, zawał mózgu, zawał mięśnia sercowego, rekonwalescencja rdzenia kręgowego i leczenie raka. Komórki macierzyste są również wykorzystywane w podstawowych badaniach medycznych, takich jak eksperymentowanie z odpowiedziami farmakologicznymi przy użyciu tkanek i narządów utworzonych z komórek macierzystych. Ostatnio prowadzone są badania nad technologią tworzenia sztucznych organów przy użyciu drukarek 3D poprzez połączenie komórek macierzystych i technologii druku 3D, aby uczynić proces tworzenia organów do leczenia lub badań bardziej wyrafinowanym i łatwiejszym.
Badania nad komórkami macierzystymi szybko postępują wraz z postępem nauki i technologii. Na przykład ostatnie badania skupiają się na zwiększeniu możliwości leczenia konkretnych chorób poprzez precyzyjną edycję genów komórek macierzystych przy użyciu technologii edycji genów CRISPR-Cas9. Ponadto aktywnie prowadzone są badania nad hodowlą mini-organów zwanych organoidami z komórek macierzystych i wykorzystaniem ich do badania procesu rozwoju ludzkich organów i testowania efektów leków. Badania te pokazują, że komórki macierzyste stają się ważnym narzędziem do zrozumienia ludzkiej biologii i chorób, wykraczając poza ich rolę jako terapii komórkowych.
Podobnie jak nasiona niezbędne do wzrostu drzew, komórki macierzyste są źródłem niezliczonych komórek tworzących nasze ciała i mają różne zdolności różnicowania w zależności od ich rodzaju. Komórki macierzyste zarodkowe i indukowane pluripotentne komórki macierzyste mogą różnicować się w niemal wszystkie rodzaje komórek, podczas gdy dorosłe komórki macierzyste mają zdolność różnicowania się w komórki tworzące określone tkanki. Spośród nich dorosłe komórki macierzyste są szeroko badane, ponieważ są bezpieczne, nie stwarzają problemów etycznych i nie mają potencjału wywoływania raka i są faktycznie wykorzystywane w celach terapeutycznych w praktyce klinicznej. Chociaż komórki macierzyste nadal mają wiele możliwości, ale nie zostały szeroko zastosowane w praktyce, są przedmiotem zainteresowania wielu osób, które rozważają ich przyszły potencjał.
