Komórki macierzyste – podstawowe definicje

Marta

Magdalena Szaryńska

Komórki macierzyste są obecnie w centrum zainteresowania z dwóch powodów: udanej ich hodowli i różnicowania w warunkach laboratoryjnych oraz z powodu doniesień, że komórki macierzyste mogą różnicować się w różne typy komórek również niespokrewnionych linii. Oczywistym jest fakt, że wszystkie te badania mają na celu jak najszybsze wprowadzenie komórek macierzystych do terapii jak największej liczby schorzeń do tej pory uznawanych za nieuleczalne lub, które trudno się leczy przy wykorzystaniu obecnych środków.

Aby komórkę móc nazwać komórką macierzystą powinna ona po pierwsze, być zdolna do samoodnawiania i po drugie, mieć potencjał różnicowania w przynajmniej jeden typ spośród 200 typów wyspecjalizowanych komórek ciała (Kőgler G, 2004). Komórki macierzyste różnicują się w wyspecjalizowane komórki mające oprócz morfologicznych i fenotypowych, także funkcjonalne właściwości komórek tkanki, w której się znajdują, jednocześnie nie powodując jej uszkodzenia.

Komórki macierzyste różnią się między sobą potencjałem różnicowania (Preston SL, 2003). W wyniku kilku pierwszych podziałów zygoty powstają blastomery, które są komórkami totipotencjalnymi. Również zapłodniona komórka jajowa – zygota jest totipotencjalną komórką macierzystą. Komórki o takim potencjale mogą dać początek wszystkim wyspecjalizowanym komórkom całego organizmu oraz błonom płodowym i łożysku – wszystkim typom komórek niezbędnym z czasie normalnej embriogenezy. Następne podziały sprawiają, że komórki tracą swoją totipotencjalność. W dalszych etapach ontogenezy w organizmie znaleźć można komórki macierzyste już o znacznie mniejszym potencjale. Komórki pluripotencjalne różnicują się we wiele, ale nie we wszystkie typy komórek ciała wywodzące się ze wszystkich trzech listków zarodkowych. Taki potencjał przypisuje się komórkom macierzystym embrionalnym (komórkom węzła zarodkowego) (Cedar SH, 2007). Multipotencjalność jest cechą komórek macierzystych zasiedlających większość tkanek dojrzałego organizmu człowieka. Mają one zdolność różnicowania się w linie komórek specyficznych dla danej niszy. Dla przykładu, krwiotwórcze komórki macierzyste (HSC) mogą dać początek wszystkim komórkom hematopoezy, nerwowe komórki macierzyste (NSC) mogą różnicować się w neurony, astrocyty oraz oligodendrocyty. Najmniejszy potencjał posiadają komórki unipotencjalne, które mają zdolność różnicowania się w tylko jedną linię, np.: spermatogonia jąder, epidermalne komórki macierzyste.

Pomiędzy stadium komórek macierzystych a ich w pełni dojrzałym potomstwem występuje zwykle kilka stadiów pośrednich o wzrastającym stopniu zróżnicowania o ograniczonej aktywności proliferacyjnej i określonej ścieżce różnicowania. Są one znane jako przejściowe, amplifikujące komórki. Prawdopodobnie podstawową funkcją tych przejściowych komórek jest zwiększenie liczebności populacji wyspecjalizowanych komórek produkowanych po jednym podziale komórki macierzystej (Preston SL, 2003).

Sądzi się, że komórki macierzyste występują w większości tkanek ciała, prawdopodobnie z wyjątkiem serca, jako tzw. tkankowe komórki macierzyste (Preston SL, 2003). W większości tkanek tworzą one bardzo małą populację, najczęściej stanowią tylko 1-2% wszystkich komórek tkanki. Wiele różnych typów komórek macierzystych jest niezbędnych w czasie życia człowieka. Poprzez asymetryczne podziały komórki macierzyste ludzi dorosłych (adult stem cells) tworzą odpowiednią liczbę komórek zróżnicowanych uzupełniając pulę komórek wyspecjalizowanych. Druga z komórek potomnych jest siostrzaną komórką macierzystą o identycznych właściwościach jak ta, w wyniku podziału której powstała (Preston SL, 2003). W warunkach normalnych komórki macierzyste są wyłączone z cyklu komórkowego. W szpiku kostnym zaledwie 10% komórek macierzystych jednocześnie znajduje się w fazie S/G2/M, pomimo nieograniczonej aktywności proliferacyjnej, stosunkowo rzadko ulegają podziałom. Pełni to funkcję mechanizmu chroniącego komórki przed wyczerpaniem się ich puli i przed mutacjami, jakie często pojawiają się w czasie replikacji. Inny mechanizm prawdopodobnie występuje w komórkach macierzystych jelit. Zaobserwowano, bowiem, że część ich genomu występuje jako tzw. „nieśmiertelne nici”. W czasie kolejnych podziałów niektóre matryce zawsze przechodzą razem do komórki potomnej. Zapobiega to akumulacji błędów replikacyjnych w genomie komórek macierzystych (Rando TA, 2007). Ostatnio jednak prace zaprzeczają istnieniu takich „nieśmiertelnych nici”, a taki asymetryczny podział komórek macierzystych tłumaczą epigenetycznymi różnicami pomiędzy siostrzanymi chromatydami (Lansdorp PM., 2007; Cairns J, 2002).

Powstało już wiele teorii dotyczących sposobu determinacji losu komórek dojrzewających z komórki macierzystej. Mówi się o stymulacji w postaci sygnałów ze środowiska zewnętrznego (czynniki wzrostu, sąsiedztwo komórek zrębu) i wewnętrznego (czynniki regulujące ekspresję określonych genów). Prawdopodobnie obie te metody regulacji są niezbędne dla prawidłowego dojrzewania i utrzymania puli macierzystych i dojrzewających komórek. Największe znaczenia w determinacji losu komórek macierzystych/ progenitorowych in vivo ma prawdopodobnie nisza, czyli mikrośrodowisko. Składają się na nie zewnętrzne sygnały będące rezultatem współistnienia ze sobą komórek macierzystych, wyspecjalizowanych komórek potomnych oraz komórek sąsiadujących. Sygnały te mogą mieć postać czynników sekrecyjnych, interakcji międzykomórkowych za pośrednictwem integralnych białek błonowych czy elementów macierzy międzykomórkowej. Sygnały te pełnią kluczową rolę w kontroli proliferacji i specjalizacji komórek. Komórki macierzyste są zdolne do reakcji na bodźce swojej niszy i albo generują powstanie nowych komórek macierzystych albo wybierają jeden określony program różnicowania(Preston SL, 2003).

PIŚMIENNICTWO

1. Cairns J. Somatic stem cells and the kinetics of mutagenesis and carcinogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002; 99: 10567-10570.

2. Cedar SH, Cooke JA, Patel MR, Luo Z, Minger SL. The therapeutic potential of human embryonic stem cells. Indian J Med Res. 2007 Jan; 125: 17-24.

3. Kőgler G, Sensken S, Airey JA, Trapp T, Muschen M, Feldhahn N, Liedtke S, Sorg RV, Fischer J, Rosenbaum C, Greschat S, Knipper A, Bender J, Degistirici O, Gao J, Caplan AI, Colletti EJ, Almeida-Porada G, Muller HW, Zanjani E, Wernet P. A New Human Somatic Stem Cell from Placental Cord Blood with Intrinsic Pluripotent Differentiation Potential. J Exp Med 2004; 200: 123-135.

4. Lansdorp PM. Immortal strands? Give me a break. Cell. 2007; 129: 1244-1247.

5. Preston SL, Alison MR, Forbes SJ, Direkze NC, Poulsom R, Wright NA. The new stem cell biology: something for everyone. Mol Pathol. 2003; 56: 86-96.

6. Rando TA. The immortal strand hypothesis: segregation and reconstruction. Cell. 2007; 129: 1239-1243.

7. Wallace VA. Stem cells: a source for neuron repair in retinal disease. Can J Ophthalmol. 2007; 42: 442-446.

Notka o autorze:
Magdalena Szaryńska

Zakład Histologii

Katedra Histologii i Immunologii

Akademia Medyczna w Gdańsku

Mgr Magdlaena Szaryńska jesy studentką 3 roku studiów doktoranckich Akademii Medycznej w Gdańsku. Projekt badawczy dotyczy oceny zależności pomiędzy właściwościami komórek macierzystych krwi pępowinowej a parametrami położniczymi i pediatrycznymi noworodka. Drugim celem badań jest ekspansja komórek dendrytycznych z komórek macierzystych CD34+. Promotorem pracy jest prof. dr hab. Andrzej Myśliwski. praca wykonywana jest w Katedrze Histologii i Immunologii Akademii Medycznej w Gdańsku.

Źródło: Serwis Biotechnologiczny