Стволовые клетки
Стволовые клетки обладают замечательным потенциалом превращаться во множество различных типов клеток в организме на ранних этапах жизни и роста. Кроме того, многие ткани действуют как своего рода внутренняя система восстановления, где они по существу бесконечно делятся для регенерации других клеток, пока человек жив или все еще жив. Когда стволовая клетка делится, каждая новая клетка может либо остаться стволовой клеткой, либо стать клеткой другого типа с более специализированной функцией, такой как мышечная клетка, красная кровяная клетка или клетка мозга.
Стволовые клетки отличаются от клеток других типов двумя важными характеристиками. Во-первых, это неспециализированные клетки, способные восполнить себя путем деления клеток, иногда после длительных периодов бездействия. Во-вторых, при определенных физиологических или экспериментальных условиях их можно стимулировать, чтобы они стали клетками ткани или органа с особыми функциями. В некоторых органах, таких как кишечник и костный мозг, стволовые клетки регулярно делятся для восстановления и замены поврежденной ткани. В других органах, таких как поджелудочная железа и сердце, стволовые клетки делятся только в особых условиях.
До недавнего времени ученые работали в основном с двумя типами стволовых клеток животных и людей: эмбриональными стволовыми клетками и стволовыми клетками, которые были «физическими» или «взрослыми». Ученые открыли способы получения эмбриональных стволовых клеток из ранних эмбрионов мыши более 30 лет назад, в 1981 году. Подробное изучение биологии стволовых клеток мыши привело к открытию в 1998 году метода получения стволовых клеток из человеческих эмбрионов и выращивания клеток в лаборатория. Эти клетки называются эмбриональными стволовыми клетками человека. Эмбрионы, использованные в этих исследованиях для воспроизводства, были созданы с помощью процедур экстракорпорального оплодотворения. Когда он больше не использовался для этой цели, он был передан для исследования с информированного согласия донора.
В 2006 году исследователи совершили еще один прорыв, выявив условия, которые позволят некоторым генетически специализированным взрослым клеткам принять состояние, подобное стволовым клеткам, под названием индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК).
Стволовые клетки важны для живых организмов по нескольким причинам. У плода в возрасте от 3 до 5 дней, называемого «бластоцистой», внутренние клетки приводят к формированию всего тела организма, включая все типы клеток и специализированные органы, такие как сердце, легкие, кожа, сперматозоиды, яйца. и другие ткани. В некоторых тканях взрослого человека, таких как костный мозг, мышцы и мозг, отдельные группы взрослых стволовых клеток создают альтернативу клеткам, которые теряются в результате нормального износа, травм или болезней.
Благодаря своей уникальной способности к регенерации стволовые клетки открывают новые возможности для лечения таких заболеваний, как диабет и болезни сердца. Однако в лабораториях еще предстоит проделать большую работу, чтобы понять, как эти клетки используются в клеточной терапии для лечения заболеваний, также называемых регенеративной медициной или компенсаторной терапией.
Лабораторные исследования стволовых клеток позволяют ученым определить основные свойства клеток и то, что отличает их от специализированных типов клеток. Ученые уже используют стволовые клетки в лаборатории для изучения новых лекарств и разработки модельных систем для изучения естественного роста и выявления причин врожденных дефектов.
Исследования стволовых клеток продолжают расширять знания о том, как организмы развиваются из одной клетки и как здоровые клетки заменяют поврежденные клетки у взрослых организмов. Исследование стволовых клеток – одна из самых увлекательных областей современной биологии, но, как и во многих других расширяющихся областях научных исследований, исследование стволовых клеток поднимает научные вопросы так же быстро, как и новые открытия.
Исследование стволовых клеток на полоске ПЦР
Каковы уникальные характеристики всех стволовых клеток?
Стволовые клетки отличаются от клеток других типов в организме:
Все стволовые клетки – независимо от их происхождения – обладают тремя основными характеристиками: они способны делиться и восстанавливаться в течение длительного времени; Их можно преобразовать в специализированные типы клеток.
Стволовые клетки способны делиться и восстанавливаться в течение длительного времени. В отличие от мышечных клеток, стволовые клетки могут размножаться несколько раз, в отличие от мышечных клеток, клеток крови или нейронов, которые обычно не повторяются сами с собой. Группы стволовых клеток, которые месяцами размножаются в лаборатории, могут производить миллионы клеток.
Ученые пытаются понять две основные характеристики стволовых клеток, связанные с их длительной саморегенерацией:
- Почему эмбриональные стволовые клетки могут размножаться в течение года и более в лаборатории без разбора, а большинство взрослых стволовых клеток – нет.
- Какие факторы в живых организмах обычно регулируют пролиферацию и саморегенерацию стволовых клеток?
Обнаружение ответов на эти вопросы может позволить понять, как регулируется пролиферация клеток во время нормального развития плода или во время аномального деления клеток, которое приводит к раку. Такая информация также позволит ученым более эффективно разрабатывать эмбриональные и неэмбриональные стволовые клетки в лаборатории.
Особые факторы и условия, которые позволяют стволовым клеткам оставаться неспециализированными, имеют большое значение для ученых. Ученым потребовалось много лет экспериментов и ошибок, чтобы научиться получать стволовые клетки и поддерживать их в лаборатории без автоматического различения их в определенных типах клеток. Например, потребовалось два десятилетия, чтобы научиться имплантировать человеческие эмбриональные стволовые клетки в лаборатории после развития состояний стволовых клеток мыши. Точно так же ученые должны сначала понять признаки, которые позволяют взрослым стволовым клеткам воспроизводиться и оставаться неспециалистами, прежде чем они смогут вырастить большое количество неспециализированных взрослых стволовых клеток в лаборатории.
Стволовые клетки на красочном фоне, 3D иллюстрация
Неспециализированные стволовые клетки:
Одна из основных характеристик стволовой клетки заключается в том, что у нее нет тканевых структур, которые позволяют ей выполнять специализированные функции. Например, стволовая клетка не может работать со своими соседями, прокачивая кровь по телу (например, клетки миокарда), и не может транспортировать молекулы кислорода через кровоток (например, красные кровяные тельца). Однако неспециализированные стволовые клетки могут приводить к специализированным клеткам, включая клетки миокарда, клетки крови или нейроны.
Стволовые клетки могут привести к образованию специализированных клеток. Когда неспециализированные стволовые клетки приводят к появлению специализированных клеток, этот процесс называется дифференцировкой. Во время дифференцировки клетка обычно проходит несколько этапов и на каждом этапе становится все более специализированной. Ученые только начали понимать сигналы внутри и снаружи клеток, которые приводят к каждому этапу процесса дифференцировки. Внутренние сигналы контролируются клеточными генами, перемежающимися с длинными цепочками ДНК и несущими закодированные инструкции для всех клеточных структур и функций. Внешние сигналы дифференцировки клеток включают химические вещества, выделяемые другими клетками, физический контакт с соседними клетками и определенные молекулы в микросреде. Реакция сигналов во время дифференцировки заставляет ДНК клетки приобретать генетические маркеры, которые ограничивают экспрессию ДНК в клетке и могут передаваться через деление клетки.
Остается много вопросов о дифференцировке стволовых клеток. Например, сходны ли внутренние и внешние признаки дифференцировки клеток для всех типов стволовых клеток? Можно ли идентифицировать определенные группы сигналов, которые способствуют дифференцировке определенных типов клеток? Решение этих вопросов может привести ученых к поиску новых способов контроля дифференцировки стволовых клеток в лаборатории, культивирования клеток или тканей, которые можно использовать для определенных целей, таких как клеточная терапия или скрининг лекарств.
Взрослые стволовые клетки обычно генерируют клетки тканей того типа, в которых они живут. Например, гемопоэтические взрослые стволовые клетки в костном мозге обычно приводят к появлению многих типов клеток крови. Принято считать, что кроветворные клетки в костном мозге, называемые гемопоэтическими стволовыми клетками, не могут привести к совершенно другим тканевым клеткам, таким как нейроны в головном мозге. Исследования последних нескольких лет якобы показали, что стволовые клетки из ткани могут приводить к появлению совершенно разных типов клеток ткани. Это по-прежнему вызывает споры в исследовательском сообществе. Это противоречие иллюстрирует проблемы изучения взрослых стволовых клеток и предполагает, что необходимы дальнейшие исследования с использованием взрослых стволовых клеток, чтобы понять весь их потенциал в качестве будущих методов лечения.
Эмбриональные стволовые клетки
Эмбриональные стволовые клетки, как следует из названия, происходят из эмбрионов. Большинство эмбриональных стволовых клеток получают из эмбрионов, происходящих из оплодотворенных яйцеклеток в лаборатории – в клинике лабораторного оплодотворения – и затем передаются для исследовательских целей с осознанного согласия доноров, а не из оплодотворенных яйцеклеток в организме женщины.
Как имплантировать эмбриональные стволовые клетки в лаборатории?
Эмбриональные стволовые клетки человека (ЭСКЧ) создаются путем переноса клеток из предимплантационного эмбриона в пластиковый лабораторный контейнер, содержащий питательную жидкость. Клетки делятся и растекаются по поверхности емкостей. Внутри контейнера и вне контейнера внутренняя поверхность сосуда покрыта эмбриональными клетками кожи крысы, которые были подвергнуты специальной обработке, чтобы не делиться. Этот слой покрытия называется питающими ячейками. Мышиные клетки на дне сосуда обеспечивают клеткам поверхность, которая может прилипать к ним. Кроме того, питательные клетки выделяют питательные вещества в середине сосуда.
В настоящее время исследователи разработали способы развития эмбриональных стволовых клеток без кормовых клеток крыс. Это крупный научный прогресс, связанный с риском передачи вирусов или других молекул из клеток мыши в клетки человека.
Процесс создания линии эмбриональных стволовых клеток несколько неэффективен, поэтому линии не образуются каждый раз, когда клетки эмбриональной стадии помещаются перед трансплантацией в вегетативную чашку. Однако, если окрашенные клетки преуспеют, расщепятся и начнут размножаться в количестве, достаточном для мобилизации чашки, они будут аккуратно удалены. Перекраска или трансплантация клеток повторяется несколько раз и месяцев. Каждый цикл субклеточной трансплантации называется путем. После создания клеточной линии исходные клетки дают миллионы эмбриональных стволовых клеток. Эмбриональные стволовые клетки, которые пролиферировали в культуре клеток в течение шести месяцев или более, упоминаются здесь без дифференцировки, которые обладают множественной способностью и кажутся генетически естественными как линия эмбриональных стволовых клеток. На любом этапе процесса партии клеток можно заморозить и отправить в другие лаборатории для дальнейшего тестирования.
Какие лабораторные тесты используются для идентификации эмбриональных стволовых клеток?
На различных этапах процесса создания линий эмбриональных стволовых клеток ученые тестируют клетки, чтобы увидеть, проявляют ли они основные свойства, которые делают их эмбриональными стволовыми клетками. Этот процесс называется характеристикой.
Ученые, изучающие эмбриональные стволовые клетки человека, еще не согласовали стандартный набор тестов, которые измеряют основные характеристики клеток. Однако лаборатории, производящие линии эмбриональных стволовых клеток человека, используют несколько типов тестов, в том числе:
Трансплантация стволовых клеток в течение нескольких месяцев: это гарантирует, что клетки способны к долгосрочному росту и самовосстановлению. Ученые исследуют сосуды под микроскопом, чтобы убедиться, что клетки кажутся здоровыми и остаются недифференцированными.
Использование специальных методов для определения наличия факторов транскрипции, обычно продуцируемых недифференцированными клетками. Двумя наиболее важными факторами копирования являются Nanog и Oct4. Факторы транскрипции помогают своевременно включать и выключать гены, что является важной частью процессов дифференцировки клеток и развития плода. В этом случае Oct4 и Nanog поддерживают стволовые клетки в недифференцированном состоянии, способные к самовосстановлению.
Используйте специальные методы для определения конкретных маркеров клеточной поверхности, которые обычно производятся недифференцированными клетками.
Хромосомное исследование под микроскопом: этот метод используется для оценки того, повреждены ли хромосомы или изменяется ли количество хромосом, но не обнаруживает генетические мутации в клетках.
Определите, можно ли перестраивать или пересаживать клетки после замораживания, плавления и перекраски.
Проверить, обладают ли эмбриональные стволовые клетки человека многофункциональными: позволяя клеткам автоматически дифференцироваться в клеточную структуру;
Поскольку иммунная система мыши подавлена, введенные человеческие стволовые клетки не отторгаются иммунной системой мыши, и ученые могут наблюдать рост и дифференцировку человеческих стволовых клеток. Тератомы обычно содержат комбинацию многих типов дифференцированных или частично дифференцированных клеток, что свидетельствует о том, что эмбриональные стволовые клетки способны делиться на несколько типов клеток.
Как эмбриональные стволовые клетки стимулируются к дифференцировке?
Пока эмбриональные стволовые клетки в клеточной ткани растут в соответствующих условиях, они могут оставаться недифференцированными (неспециализированными). Но если клеткам дать возможность сгруппироваться вместе, чтобы сформировать эмбриональные тела, они начнут автоматически дифференцироваться. Это позволяет им формировать мышечные клетки, нейроны и многие другие типы клеток. Хотя автоматическая дифференцировка является хорошим индикатором того, что культура эмбриональных стволовых клеток здорова, этот процесс не контролируется и, следовательно, является неэффективной стратегией для производства ткани для определенных типов клеток.
Следовательно, чтобы создать ткань из определенных типов дифференцированных клеток, таких как, например, клетки сердечной мышцы, клетки крови или нейроны, ученые пытаются контролировать дифференцировку эмбриональных стволовых клеток и изменять химический состав средней части ткани по мере их изменения. поверхность чашки с клеточной тканью или модифицировать клетки путем введения определенных генов.
За годы экспериментов ученые создали некоторые базовые протоколы или «рецепты» для прямой дифференциации эмбриональных стволовых клеток в определенные типы клеток, что способствовало развитию медицины и скорости научных исследований.