Wiedza i Życie 05/2017
W numerze m.in.:
Medycyna
Czy stres może zabić?; Anna Lewandowska-Ronnegren

Fizjologia
Pociąg do wieczności; Kamil Nadolski

Astronomia
Kosmos dla zuchwałych; Przemek Berg

Technologia
Nanotechnolodzy mimo woli; Jacek Tyczkowski

Entomologia
Morderca kasztanowców; Wiesław B. Pietrzak
Nasz niebywale plastyczny mózg do prawidłowego rozwoju potrzebuje od samego początku nieustającej stymulacji. Jej brak daje opłakane skutki.
Dekadę temu, gdy ropa była droga, rozpędu nabrała idea produkowania paliwa z glonów. Opowiadano, że niebawem zastąpią ropę naftową. Skończyło się na opowieściach. Przegraliśmy bitwę, ale nie wojnę – odpowiadają jednak naukowcy.
Aktualne numery
06/2017
05/2017
Kalendarium
Maj
29
W 1919 r. obserwacja przesunięcia położenia gwiazd podczas zaćmienia Słońca potwierdziła teorię względności Alberta Einsteina.
Warto przeczytać
Zmyl trop to użyteczna, ale i pełna powabu oraz przekonująca, kieszonkowa esencja wszystkiego, co chcielibyście wiedzieć o obronie przed inwigilacją.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Maria Anna Ciemerych-Litwinienko | dodano: 2012-06-13
Polowanie na wszechmocne komórki

(Na zdjęciu: ludzka zarodkowa komórka macierzysta. Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego. Zarodkowe komórki macierzyste mogą różnicować w każdy z około 200 znanych rodzajów komórek budujących ciało człowieka, a rodzaj powstających komórek zależy od sygnałów, które docierają ze środowiska. Ta zdolność sprawia, że zarodkowe komórki macierzyste rozpatrywane są jako te, które mogą zostać wykorzystane do naprawy uszkodzonych tkanek, np. do leczenia choroby Parkinsona czy cukrzycy. Ponieważ uzyskiwanie tych komórek wymaga zniszczenia zarodka, badania nad nimi budzą wielkie kontrowersje natury etycznej)

Zastosowanie komórek macierzystych może okazać się kamieniem milowym medycyny. Niewykluczone, że dzięki nim będziemy naprawiać chore lub zużyte tkanki. Ale kiedy to będzie możliwe?

Pierwsze doniesienia o uzyskaniu mysich zarodkowych komórek macierzystych opublikowano w 1981 roku. Doświadczenia zostały opisane w dwóch pracach naukowych. Autorami jednej byli Brytyjczycy Martin Evans i Matthew Kaufman, drugiej zaś Amerykanka Gail Martin. Publikacje te były kluczowe m.in. dla badań mechanizmów powstawania wyspecjalizowanych komórek budujących organizm. Z czasem zajęto się zastosowaniem komórek macierzystych w medycynie, a autor pionierskich odkryć Martin Evans uhonorowany został w 2007 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Uzyskanie komórek, z których "na życzenie" będzie można otrzymać każdy z ponad 200 rodzajów komórek budujących organizm, nie tylko umożliwiło zrozumienie wielu aspektów ich różnicowania, ale także dało nadzieję na opracowanie terapii, dzięki którym będzie można zastąpić wadliwie funkcjonujące lub trwale uszkodzone tkanki.

Nadzieje te zostały podsycone 17 lat po publikacjach Evansa i Martin, w roku 1998, kiedy opisano pierwsze linie ludzkich zarodkowych komórek macierzystych. Uzyskanie tych komórek spowodowało jednak nie tylko pojawienie się nowych perspektyw, ale także poważnych wątpliwości natury etycznej. Dziesięć lat temu rozpoczęła się więc nie tylko era niezwykle intensywnych badań, w których były wykorzystywane zarodkowe komórki macierzyste, ale także poszukiwań takich dróg ich uzyskiwania, które nie budziłyby kontrowersji. Dziś, w roku 2009, poszukiwania te wydają się zakończone sukcesem. Ale po kolei...

Ab ovo, czyli od jaja...

Rozwój zarodkowy ssaków rozpoczyna się, gdy oocyt, zwany także komórką jajową, owulowany jest z jajnika do jajowodu, a więc do miejsca, gdzie dochodzi do zapłodnienia. Powstający w wyniku zapłodnienia jednokomórkowy zarodek - zygota - jest komórką totipotentną. Oznacza to, że w czasie rozwoju powstają z niego wszystkie rodzaje komórek. Te budujące ciało zarodka oraz te, z których powstają błony płodowe i łożysko, czyli tkanki pozazarodkowe, które po porodzie nie odgrywają już żadnej roli w życiu organizmu. Dzięki tkankom pozazarodkowym możliwe jest zagnieżdżenie się zarodka w macicy i wymiana substancji między płodem a matką. Takie oddziaływania są nieodzowne dla prawidłowego rozwoju zarodka podczas ciąży. Już w pierwszej dobie po zapłodnieniu zygota dzieli się na dwie komórki, które nie tylko są do siebie bardzo podobne, ale także zachowują totipotencję, każda z nich może więc dać początek prawidłowo rozwijającemu się organizmowi. Jeżeli te dwie komórki oddzielą się od siebie, może dojść do powstania bliźniąt jednojajowych.

Jednak wraz z kolejnymi podziałami obserwuje się stopniową utratę totipotencji. Komórki zarodka zaczynają się od siebie różnić nie tylko wyglądem, ale także pełnionymi funkcjami. Proces, podczas którego z komórek mniej wyspecjalizowanych powstają bardziej wyspecjalizowane, nazywamy różnicowaniem. Pierwsze przejawy różnicowania można zauważyć, obserwując 3-4-dniowy zarodek pod mikroskopem. Zbudowany z kilkudziesięciu komórek zarodek przekształca się w pęcherzyk zwany blastocystą. W takim zarodku można wyróżnić dwa rodzaje komórek. Zewnętrzne, kontaktujące się ze środowiskiem, to komórki trofektodermy. Podczas implantacji nawiążą one kontakt z macicą i wezmą udział w powstawaniu błon płodowych i łożyska. Natomiast komórki znajdujące się wewnątrz zarodka, zlokalizowane na jednym jego biegunie w postaci wyraźnie widocznej grudki, to węzeł zarodkowy. Z niego powstaną wszystkie tkanki i narządy budujące rozwijający się organizm. Komórki węzła zarodkowego blastocysty potrafią więc bardzo dużo - są pluripotentne, co oznacza, że mogą różnicować się we wszystkie tkanki budujące ciało zarodka. To one właśnie stały się źródłem zarodkowych komórek macierzystych.

Na przełomie lat 70. i 80. zeszłego stulecia, kiedy Evans i Martin prowadzili swoje pionierskie badania, powszechnie stosowano metody hodowli wczesnych zarodków poza organizmem. Możliwe było więc wyizolowanie zygot z jajowodu samicy myszy i zapewnienie im warunków hodowli in vitro pozwalających na rozwój do stadium blastocysty. Stosowane procedury są nieszkodliwe dla zarodka - po ponownym umieszczeniu hodowanej in vitro blastocysty w drogach rodnych samicy nie tylko może dojść do jego implantacji, ale także do prawidłowego rozwoju i narodzin. Najbardziej jednak zaawansowanym stadium rozwojowym, jakie może osiągnąć hodowany in vitro zarodek ssaka, to właśnie blastocysta. Dalszy rozwój poza organizmem matki nie jest możliwy - zamiast normalnego zarodka z blastocysty powstaną jedynie grupy różnego rodzaju komórek, które rozrosną się na podłożu, na którym są hodowane, i zarodek straci swą integralność.

Właśnie skutki hodowli in vitro wykorzystali naukowcy, którzy pierwsi uzyskali mysie zarodkowe komórki macierzyste. W hodowanych blastocystach myszy zarówno trofektoderma, jak i węzeł zarodkowy intensywnie się rozrastały. Kiedy węzeł zarodkowy znacznie powiększył swoje rozmiary, pobierano go z szalki hodowlanej, budujące go komórki rozseparowywano, a następnie umieszczano w specjalnej pożywce hodowlanej. W naczyniach, do których przeniesiono tak uzyskaną zawiesinę pojedynczych komórek, po kilku dniach hodowli pojawiały się małe kolonie komórek. Kolonie te ponownie rozdzielano na pojedyncze komórki i jeszcze raz umieszczano w hodowli in vitro. Wielokrotne powtarzanie tej procedury, określanej także jako pasażowanie, doprowadziło do uzyskania komórek o charakterystycznych i unikalnych właściwościach. Były to właśnie pluripotentne zarodkowe komórki macierzyste. 

Dlaczego unikalne?

O wyjątkowości zarodkowych komórek macierzystych decyduje przede wszystkim fakt, że zachowują cechy komórek węzła zarodkowego, a więc są pluripotentne, czyli mogą różnicować we wszystkie tkanki budujące ciało zarodka. Hodowane w odpowiednich warunkach zarodkowe komórki macierzyste mogą nie tylko zachować niezróżnicowany charakter, ale także przechodzić nieograniczoną wręcz liczbę podziałów komórkowych. Cecha ta odróżnia je od większości komórek izolowanych z różnych tkanek organizmu, które w trakcie hodowli in vitro mogą podzielić się tylko kilka lub kilkanaście razy.

Naukowcy przez ponad ćwierć wieku poddają mysie i ludzkie zarodkowe komórki macierzyste różnorakim testom, wiedza na ich temat rośnie więc z miesiąca na miesiąc. Oczywiście nie oznacza to, że wiadomo o nich absolutnie wszystko. Dziś znane są mechanizmy molekularne, a więc "działające" wewnątrz komórki i angażujące aktywność specyficznych genów i białek, które odpowiedzialne są za pluripotencję i podziały tych komórek. Poznano kluczowe geny oraz scharakteryzowano produkty tych genów, a więc białka. Do markerów pluripotencji jest zaliczany czynnik Oct3/4, a także czynnik Nanog, którego nazwa pochodzi od staroirlandzkiego Tír na nÓg i oznacza Krainę Wiecznej Młodości. Ogromne możliwości różnicowania zarodkowych komórek macierzystych po raz pierwszy wykazano, testując komórki mysie. Okazało się, że mogą one, po wprowadzeniu ich do rozwijającego się zarodka myszy, brać udział w tworzeniu wszystkich tkanek i narządów. Jednocześnie rozpoczęto badania, które wykazały, w jaki sposób in vitro można zaindukować zarodkowe komórki macierzyste do tego, aby przekształciły się wyłącznie w komórki nerwowe, włókna mięśniowe, komórki tłuszczowe, a nawet komórki rozrodcze. Zbadano także, jakie procesy molekularne towarzyszą ich różnicowaniu.

Komórki uzyskane w wyniku ukierunkowanego różnicowania są poddawane skrupulatnym testom w celu określenia, czy mogłyby one pełnić takie same funkcje jak komórki izolowane z prawidłowo działających tkanek i narządów. Tylko wtedy, gdy wyniki badań okażą się pozytywne, można będzie poważnie myśleć o zastosowaniu zarodkowych komórek macierzystych w terapii mającej na celu zastąpienie źle funkcjonujących komórek lub tkanek. Jednocześnie poszukuje się odpowiedzi na pytanie, czy faktycznie komórki macierzyste mogą być przydatne w takich terapiach. Liczne doświadczenia, w których wykorzystywane są zwierzęta laboratoryjne, mają pomóc w znalezieniu odpowiedzi. Podejmowane są próby uzyskania prawidłowo funkcjonujących komórek produkujących insulinę, co mogłoby pozwolić na leczenie chorych na cukrzycę. Uzyskane z zarodkowych komórek macierzystych komórki mięśnia sercowego są przeszczepiane do serc myszy, które przeszły sztucznie wywołany zawał serca. Takich prób można wymienić wiele, jednak mimo to ciągle jest za wcześnie, by komórki te mogły być wykorzystywane jako skuteczne, bezpieczne i na dodatek niebudzące etycznych wątpliwości "lekarstwo" na ludzkie dolegliwości. Dlaczego?