TEMA BROJA

TERAPIJSKA PRIMENA MATIČNIH ĆELIJA

Pitanja i odgovori

Šta su matične ćelije i u čemu je njihov značaj?

Matične ćelije poseduju izuzetan potencijal za razvoj u veliki broj tipova ćelija u organizmu tokom ranih faza života i razvoja. Sem toga, u mnogim tkivima matične ćelije imaju ulogu neke vrste internog sistema održavanja, sposobne su za deobu praktično bez ograničenja radi zamene drugih ćelija sve dok je osoba ili životinja u životu. Kada dođe po deobe matične ćelije, svaka nova ćelija poseduje potencijal bilo da ostane matična ćelija ili da postane druga vrsta ćelije sa specijalizovanom funkcijom, na primer mišićna ćelija, crveno krvno zrnce, ili moždana ćelija.

Matične ćelije se od drugih vrsta ćelija razlikuju po dve bitne karakteristike. Prvo, radi se o ćelijama koje nisu specijalizovane a koje su sposobne za obnovu kroz ćelijsku deobu, ili ponekad na duže periode neaktivnosti. Drugo, pod određenim fiziološkim ili eksperimentalnim uslovima, na njih se može indukovano uticati da postanu ćelije specifične za konkretno tkivo ili organ sa specijalnim funkcijama. U nekim organima, kao na primer u crevima ili koštanoj srži, matične ćelije se redovno dele kako bi popravile ili zamenile istrošene ili oštećene ćelije. Međutim, u nekim drugim organima, kao na primer u pankreasu ili srcu, do deobe matičnih ćelija dolazi samo pod određenim uslovima.

Naučnici su donedavno radili prvenstveno sa samo dve vrste matičnih ćelija sa životinja ili ljudi: embrionske matične ćelije i ne-embrionske “somatske” ili “zrele” matične ćelije. Naučnici su po prvi put, pre skoro 30 godina, odnosno 1981. godine otkrili kako mogu da dobijaju embrionske matične ćelije od mladih embriona miševa. Detaljno izučavanje biologije matičnih ćelija miševa dovelo je 1981. godine do otkrića metode dobijanja matičnih ćelija iz humanih embriona i uzgajanja matičnih ćelija u laboratorijskim uslovima. Te ćelije nazivaju se ljudske embrionske matične ćelije. Embrioni korišćeni u ovim studijama kreirani su za reproduktivne svrhe putem procedure in vitro oplodnje. Kada više nisu bile potrebne za ovu svrhu, ćelije su donirane za istraživačke svrhe uz saglasnost davaoca. Godine 2006. istraživači su došli do sledećeg proboja u utvrđivanju uslova koji bi omogućili genetsko „reprogramiranje“ specijalizovanih odraslih ćelija radi kreiranja stanja sličnog matičnog ćeliji. Ova nova vrsta matičnih ćelija, poznata pod nazivom indukovane višenamenske matične ćelije (iPSC), biće predmet razmatranja u daljem delu teksta.

Matične ćelije su iz više razloga važne za žive organizme. U embrionu starosti 3 do 5 dana, odnosno u blastocistu, unutrašnje ćelije prerastaju u kompletnu građu organizma, uključujući sve vrste brojnih specijalizovanih tipova ćelija i organa, kao što su srce, pluća, koža, sperma, jajne ćelije i druga tkiva. Kod nekih odraslih tkiva, kakva su koštana srž, mišići ili mozak, diskretne populacije odraslih matičnih ćelija generišu zamenu za ćelije koje se izgube kroz normalno trošenje, povrede ili bolesti.

Obzirom na svoju jedinstvenu regenerativnu sposobnost, matične ćelije nude nov potencijal za lečenje bolesti kao što su dijabetes i srčana oboljenja. Međutim, potrebno je još dosta laboratorijskog i kliničkog rada da bi se do kraja razumeli načini na koji ove ćelije mogu da se iskoriste za lečenje, što se označava terminom regenerativna ili reparativna medicina.

Laboratorijske studije matičnih ćelija omogućiće naučnicima da shvate suštinske osobine ovih ćelija i šta je to što ih razlikuje od specijalizovanih vrsta ćelija. Naučnici već sada koriste matične ćelije u laboratorijama za ispitivanje novih lekova i razvoj modela sistema za identifikaciju uzroka urođenih mana.Istraživanje u oblasti matičnih ćelija dovodi do povećanja znanja i razumevanja o tome kako se organizam razvoja iz jedne jedine ćelije i kako zdrave ćelije zamenjuju oštećene ćelije u odraslim organizmima. Istraživanje u oblasti matičnih ćelija predstavlja jednu od najfascinantnijih oblasti savremene biologije ali, kao što je slučaj i sa mnogim drugim naučnim istraživanjima u usponu, istraživanje matičnih ćelija pokreće nova naučna pitanja jednako brzo kao što generiše nova otkrića.

Koje su jedinstvene osobine matične ćelije?

Matične ćelije razlikuju se od drugih vrsta ćelija u organizmu. Sve matične ćelije - bez obzira na njihovo poreklo - imaju tri osnovne karakteristike: poseduju sposobnost deobe i obnove u dugom vremenskom periodu; nisu specijalizovane; mogu da dovedu do stvaranja specijalizovanih tipova ćelija.

Matične ćelije poseduju sposobnost deobe i obnove u dugom vremenskom periodu. Za razliku od mišićnih ćelija, krvnih ćelija, ili nervnih ćelija - koje normalno ne repliciraju same sebe - matične ćelije mogu da se repliciraju više puta, ili su sposobne za proliferaciju. Polazna populacija matičnih ćelija koja prolazi proliferaciju u trajanju od više meseci u laboratoriji može da proizvede milione ćelija. Ukoliko su ćelije koje iz toga nastanu i dalje ne-specijalizovane ćelije, poput roditeljskih matičnih ćelija, veruje se da su sposobne za samo-obnavljanje u dugom vremenskom periodu.

Naučnici pokušavaju da shvate sve osnovne osobine matičnih ćelija koje uzrokuju njihovo dugotrajno samo-obnavljanje:

1. zašto je moguće da embrionske matične ćelije mogu da budu predmet proliferacije godinu dana ili više u laboratoriji a da pri tom ne dođe do diferencijacije, a da to nije slučaj sa većinom ne-embrionskih ćelija; i

2. koji faktori u živim organizmima regulišu proliferaciju matičnih ćelija i njihovo samo-obnavljanje?

Odgovori na ova pitanja će možda omogućiti da razumemo kako se reguliše proliferacija ćelija tokom normalnog embrionskog razvoja ili tokom abnormalne deobe ćelija koja uzrokuje kancer. Ovakve informacije će takođe omogućiti naučnicima da efikasnije u laboratorijskim uslovima uzgajaju embrionske i ne-embrionske matične ćelije.

Naučnici su veoma zainteresovani za specifične faktore i uslove koji omogućavaju da ćelije ostanu ne-specijalizovane. Bilo su potrebne godine rada da se u laboratorijskim uslovima dobiju i održavaju matične ćelije a da ne dođe do njihove spontane diferencijacije u specifične tipove ćelija. Na primer, bile su potrebne dve decenije da se nauči kako uzgajati ljudske embrionske matične ćelije u laboratoriji nakon stvaranja uslova za uzgoj matičnih ćelija miša, tj. razumevanje signala u odraslom organizmu koji uzrokuju proliferaciju populacije matičnih ćelija a da one pri tom ostanu nespecijalizovane sve do momenta kada budu potrebne. Takve informacije su od presudnog značaja naučnicima da bi bili u stanju da uzgoje veliki broj nespecijalizovanih matičnih ćelija za dalje eksperimente.

Matične ćelije su nespecijalizovane. Jedna od najvažnijih osobina matične čelije je što ona nema strukturu specifičnu za bilo koje tkivo a što bi joj omogućilo obavljanje bilo koje specifične funkcije. Na primer, matična ćelija nije u stanju da sa svojim susedima radi na pumpanju krvi kroz telo (kao što to može ćelija mišića srca) i ne može da prenosi molekule kiseonika kroz krvotok (kao što to može crveno krvno zrnce). Međutim, nespecijalizovane matične ćelije su u stanju da dovedu do stvaranja specijalizovanih ćelija, uključujući ćelije srčanog mišića, crvena krvna zrnca, ili nervne ćelije.

Matične ćelije mogu da uzrokuju stvaranje specijalizovanih ćelija. Proces kroz koji nespecijalizovane matične ćelije dovedu do stvaranja specijalizovanih ćelija zovemo procesom diferencijacije. Tokom diferencijacije, ćelija obično prolazi kroz nekoliko faza pri kojima sa svakim sledećim korakom postaje sve više specijalizovana. Naučnici tek počinju da razumevaju signale unutar i izvan ćelija koji pokreću svaku ćeliju da započne proces diferencijacije. Unutrašnji signali su pod kontrolom ćelijskih gena, koji su rasuti duž dugih lanaca DNK, i prenose kodirane instrukcije za sve ćelijske strukture i funkcije. Spoljni signali za diferencijaciju ćelija obuhvataju hemikalije koje izlučuju druge ćelije, fizički kontakt sa susednim ćelijama, i određeni molekuli u mikro-okruženju. Interakcija signala tokom diferencijacije uzrokuje da DNK ćelije dobije epigenetske markere koji ograničavaju ekspresiju DNK u ćeliji i koji mogu da se prenose putem deobe ćelije.

I dalje ostaju otvorena brojna pitanja u vezi sa diferencijacijom ćelija. Na primer, da li su interni i spoljni signali za diferencijaciju ćelija slični za sve vrste matičnih ćelija? Da li je moguće identifikovati specifične setove signala koji podstiču diferencijaciju u specifične tipove ćelija? Odgovori na ova pitanja možda će odvesti naučnike na put nalaženja novih načina da kontrolišu proces diferencijacije ćelija u laboratoriji, i da tako uzgajaju ćelije ili tkiva koja mogu da se koriste za konkretna namene kao što su ćelijska terapija ili testiranje lekova.

Odrasle matične ćelije tipično generišu onu vrstu ćelija iz tkiva u kome se nalaze. Na primer, odrasla matična ćelija koja ulazi u sastav krvi obično dalje vodi stvaranju brojnih vrsta krvnih ćelija. Opšte je prihvaćeno da ćelija koja učestvuje u stvaranju krvi u koštanoj srži - koja se označava terminom hematopoietična matična ćelija - ne može da dovede do stvaranja nekog veoma različitog tkiva, kakvo je u mozgu. Eksperimenti sprovođeni tokom poslednjih godina imali su nameru da pokažu da matične ćelije iz jednog tkiva mogu da uzrokuju nastajanje ćelija potpuno drugog tipa za potpuno drugo tkivo. Ovo je i dalje oblast velikih rasprava među istraživačima. Ova kontroverza pokazuje kakvi su izazovi prisutni u oblasti izučavanja odraslih matičnih ćelija i pokazuju da su neophodna dodatna istraživanja uz korišćenje odraslih matičnih ćelija da bismo došli do razumevanja njihovog punog potencijala za buduće terapijske svrhe.

Šta je embrionska matična ćelija? Koje su faze ranog embrionskog razvoja važne za generisanje embrionskih matičnih ćelija?

Embrionske matične ćelije dobijaju se iz embriona. Većina embrionskih matičnih ćelija dobija se iz embriona koji se razvijaju iz jajašaca oplođenih in vitro - u in vitro klinikama za oplodnju - koje se nakon toga doniraju za istraživačke svrhe uz saglasnost donora. One se ne dobijaju iz jajnih ćelija oplođenih u telu žene. Embrioni iz kojih se dobijaju embrionske matične ćelije su u principu starosti četiri do pet dana i predstavljaju šuplju mikroskopsku kuglu ćelija koju poznajemo pod nazivom blastocista. Blastocista se sastoji od tri strukture: trophoblast, što je sloj ćelija koji okružuje blastocistu, šuplju prazninu unutar blastociste; i unutrašnju ćelijsku masu, koja je grupa ćelija sa jedne strane blastocoela koja se razvoja u sam embrion.

Kako se embrionske matične ćelije uzgajaju u laboratoriji?

Uzgajanje ćelija u laboratorijskim uslovima poznato je kao ćelijska kultura. Ljudske embrionske matične ćelije se izoluju prenošenjem unutrašnje ćelijske mase u plastičnu laboratorijsku posudu za uzgoj ćelijske kulture u kojoj se nalazi rastvor nutrijenata koji je poznat kao medijum za uzgoj kulture. Dolazi do deobe ćelija i one se raspoređuju po površini posude. Unutrašnja površina posude za uzgoj kulture se obično prekrije mišjim embrionskim kožnim ćelijama koje su prethodno tretirane tako da ne dolazi do njihove deobe. Ovaj premaz ćelijama nazivamo „fider“ sloj. Mišje ćelije sa dna posude za uzgoj kulture obezbeđuju jednu unutrašnju ćelijsku masu koja je lepljiva i na koji ćelije mogu da se vežu. Isto tako, „fider“ ćelije ispuštaju nutrijente u „čorbicu“ odnosno medijum. Istraživači su pronašli načine da uzgajaju embrionske matične ćelije i bez mišjih „fider“ ćelija. To predstavlja značajan naučni pomak obzirom na rizik od prenosa virusa ili drugih makromolekula iz mišjih ćelija u humane ćelije.

Proces generisanja embrionskih matičnih ćelija je donekle neefikasan, i ne dešava se svaki put kada se unutrašnja ćelijska masa stavi u posudu da se proizvedu linije. Međutim, ukoliko postavljena unutrašnja ćelijska masa preživi, obavi deobu i razmnožava se dovoljno da napuni posudu, onda se one pažljivo odvajaju iz posude i „posade“ u nekoliko novih posuda za uzgoj kulture. Proces presađivanja ili uzgoja sub-kultura označava se izrazom „pasaž“ ili prelazak. Kada je ćelijska linija uspostavljena, originalne ćelije su proizvele milione embrionskih matičnih ćelija. Embrionske matične ćelije koje prolaze proces proliferacije u ćelijskoj kulturi tokom šest ili više meseci bez diferencijacije, koje su pluripotentne i izgledaju genetski normalne, označavaju se nazivom linija embinoskih matičnih ćelija. U bilo kojoj fazi ovog procesa, grupe ćelija mogu da se zamrznu i otpreme u druge laboratorije za dalji uzgoj kulture i sprovođenje eksperimenata.