Lidské embryonální kmenové buňky (ESC) mají svůj původ v časném lidském zárodku, kde ze zdrojových buněk vzniká celý organismus s nespočtem různých buněk složených v orgány s rozdílnou funkcí. Tyto buňky se vyznačují schopností neomezeného dělení bez změny genetické informace a mohou se vyvinout v celé spektrum specializovaných buněk lidského těla, kterých je minimálně přes 200.
Výzkum a vývoj v Brně
Tým z Ústavu histologie a embryologie Lékařské fakulty MU ve spolupráci s Centrem asistované reprodukce Gynekologicko-porodnické kliniky Fakultní nemocnice Brno a Centrem buněčného a tkáňového inženýrství FNUSA-ICRC pracuje na přípravě linií lidských embryonálních kmenových buněk v kvalitě, která umožní jejich aplikaci na člověka. Vědci se domnívají, že mají dostatek poznatků k přechodu ke klinickým studiím využití těchto buněk v medicíně.
Úkolem spolupracujících týmů je získat vhodná embrya darovaná rodičovskými páry, zdokonalit postupy ustavení linií embryonálních kmenových buněk, jejich množení, hodnocení, uchovávání a další aspekty manipulace s nimi. V Brně plánují v rámci projektu vytvořit alespoň tři linie ze tří různých embryí. Z těchto linií se pak mohou připravovat buňky určené pro klinické studie, v nichž se ověřuje bezpečnost a účinnost léčby při konkrétních diagnózách.
Charakteristika embryonálních kmenových buněk
Embryonální kmenová buňka (ESC) je pluripotentní kmenová buňka nacházející se ve vnitřní buněčné mase raného embrya ve stadiu tzv. blastocysty. Pluripotentní znamená, že se může vyvinout v jakýkoliv buněčný typ přítomný v dospělém těle. Tento proces, probíhající během zárodečného vývoje, se označuje jako buněčná diferenciace a u člověka je zodpovědný za více než 200 různých typů buněk, které společně vytvářejí orgánové soustavy dospělého těla.
ESC se nacházejí ve vnitřní části blastocysty. Lidský plod dosáhne stádia blastocysty 4 až 5 dní po splynutí pohlavních buněk, kdy se skládá z 50 až 150 buněk. Během vývoje z embryonálních kmenových buněk vznikají tři základní zárodečné listy: ektoderm, endoderm a mesoderm.
V průběhu embryonálního vývoje se tyto buňky neustále dělí a následně se stávají specializovanými v rámci organismu. Například určité množství ektodermu v oblasti hřbetu plodu se specializuje na "neuroektoderm", který se v budoucnu integruje a vyvine se v centrální nervovou soustavu (CNS). Později ve vývoji způsobí neurulace neuroektodermu vytvoření prvotní nervové trubice (prekurzor míchy). Přední část této nervové trubice podstoupí intenzivní encefalizaci vedoucí k vytvoření základní části mozku. Za základní buňku CNS je v tomto momentu považována nervová kmenová buňka, která je také ještě pluripotentní a může generovat veliký rozsah různých typů neuronů. Proces generování jednotlivých neuronů z původních kmenových buněk je nazýván neurogeneze.
Mechanizmy a kultivace ESC
Studie zabývající se embryonálními kmenovými buňkami myší (mES) a lidskými embryonálními kmenovými buňkami (hES) jsou odvozené z rané vnitřní hmoty a složení buňky. Oba typy projevují esenciální charakteristiky kmenových buněk, ale potřebují velmi odlišné prostředí k udržení stavu před diferenciací.
- mES jsou kultivovány na vrstvě želatiny ve formě extrabuněčného matrixu a vyžadují přítomnost LIF (leukemia inhibitory factor) v séru. Směsi organických látek obsahující inhibitory na GSK3B a MAPK/ERK linii, nazývané 2i, se prokázaly jako účinné pro udržení pluripotentního potenciálu v kultuře kmenových buněk.
- hES jsou kultivovány na živné vrstvě MEFs (embryonálních fibroblastů myší) a vyžadují přítomnost rostoucího faktoru základního fibroblastu (bFGF or FGF-2).
Definice lidských embryonálních kmenových buněk je určena povrchovými proteiny a expresí několika transkripčních faktorů. Transkripční faktory Oct-4, Nanog, Sox2 formují základní regulační síť, zabezpečující potlačení genů vedoucích k diferenciaci a udržování aktivního pluripotentního potenciálu. Povrchové antigeny pro rozpoznání hES jsou nejčastěji glykolipidová stadia embryonálních antigenů 3 a 4 a KS (keratosulfate) antigeny Tra-1-60 a Tra-1-81.
Potenciál a využití ESC v medicíně
Využívání hES k produkci specializovaných buněk, jako jsou nervové buňky nebo srdeční tkáně v laboratoři, umožňuje práci s těmito typy buněk bez nutnosti jejich odběru od pacientů. Následně mohou být tyto specializované buňky analyzovány k pochopení vzniku nemocí nebo na nich mohou být zkoušeny účinky nových typů léků.
ESC svou podstatou pluripotentní buňky vyžadují konkrétní signály pro zahájení správné diferenciace. Při přímé inserci do jiného těla se ESC mohou neřízeně dělit do mnoha různých typů buněk, což může způsobit teratom. Docílení diferenciace ESC při současném vyhnutí odmítnutí organismem příjemce je stále jednou z komplikací, kterým čelí výzkumníci.
Vlastnosti jako pluripotentní potenciál a neustálá expanze podtrhují význam ESC jako možného zdroje pro medicínu regenerace a léčbu porušených tkání po úrazu nebo nemoci. ESC se mohou diferencovat do jakéhokoliv typu buňky v plodu organismu. Tento pluripotentní potenciál rozděluje ESC buňky od dospělých kmenových buněk, které jsou multipotentní a mohou produkovat jen limitovaný počet typů buněk.
Potenciální neomezená obnova, schopnost oprav a plasticita vedou k navrhování ESC terapií pro medicínu regenerace a výměny tkání, například po popáleninách, zraněních či jiných chorobách. Mezi nemoci, které by mohly být léčeny za využití ESC, patří mnoho typů rakovin, poruch, raná stadia cukrovky, genetické choroby a nemoci spojené s krví a imunitním systémem, ale také vývoj zubní, kostní a svalové tkáně. Díky pluripotentní vlastnosti se předpokládá i léčba Parkinsonovy nemoci, slepoty a poranění míchy.
Embryo Folding: Amniotic Cavity & Yolk Sac - Animated Embryology
Indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSC)
Objev indukovaných pluripotentních kmenových buněk (iPSC) v roce 2006 Shinya Yamanakou znamenal revoluci v oboru. Tato technika umožňuje "přeprogramovat" dospělé specializované buňky, například kožní buňky, do pluripotentního stavu umělým přidáním čtyř genů. iPSC se vyvarovaly několika morálních otázek spojených s používáním ESC a nabídly novou možnost pro studium a léčbu nemocí.
iPSC buňky a ESC buňky jsou si velmi podobné. Obě se mohou obnovovat a v kontrolovaných laboratorních podmínkách mohou být využity k vytvoření téměř kterékoli specializované buňky. Pomáhají nám porozumět vývoji specializovaných buněk z buněk pluripotentních a v budoucnosti mohou poskytnout neomezenou zásobu náhradních buněk nebo tkání.
Na rozdíl od ESC, iPS buňky se nezískávají z časného embrya. Současný výzkum naznačuje, že některé geny v iPS buňkách se mohou chovat jinak než v ES buňkách, což je způsobeno neúplnou reprogramací nebo genetickými změnami během jejich růstu. Tyto rozdíly jsou předmětem intenzivního studia.
Reprogramace umožňuje vědcům získat přístup k buňkám postiženým nemocemi, například mozkovým buňkám od pacientů s Parkinsonovou chorobou, a studovat je v laboratoři. Buněčné modely nemocí se mohou použít také k vývoji a testování nových léčiv. Jelikož se iPS buňky dají vytvořit z pacientovy vlastní kůže, mohou být použity k získání specializovaných buněk, které nebudou odmítnuty imunitním systémem pacienta.
Výzvy a etické aspekty
Projekt využití lidských embryonálních kmenových buněk je složitý nejen technicky, ale především z hlediska etiky. Náročnou otázkou je získávání vhodných embryí. Dárci se musí vzdát jakéhokoliv nároku a kontroly nad buňkami odvozenými z jejich embrya a zároveň musí splňovat celou řadu podmínek.
Využití embryonálních kmenových buněk v léčbě má i další úskalí. Imunogenní vlastnosti ESC jsou sice odlišné od zralých buněk, takže reakce organismu na jejich transplantaci může být mírnější, přesto mohou pacienta ovlivnit. V současnosti nejsou žádné státem podporované léčby využívající ESC. Mnoho států má na výzkum ESC a obzvláště hES nastavené limity a restrikce vzhledem k etickým faktorům.
Přestože se v roce 2006 podařilo vytvořit embryonální kmenové buňky člověka, jejich nasazení k léčbě stále naráží na problémy s tolerováním těchto buněk imunitním systémem příjemce či s možným nekontrolovaným růstem. Řešením se zdálo být terapeutické klonování, ale i to je spojeno s etickými problémy.
Další nadějí se zdají být indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSC). Nehrozí u nich riziko odmítnutí, lze je snadno "přeprogramovat" a jejich tvorba se nepotýká s takovými etickými problémy jako ESC. Nicméně, k úplnému pochopení, jak přesně reprogramace funguje a jak mohou být iPS buňky kontrolovány pro klinické použití, je potřeba další výzkum.
Budoucnost kmenových buněk v medicíně
Kmenové buňky představují naději i výzvu pro medicínu 21. století. Umí obnovit poškozenou tkáň, za určitých okolností mohou dokonce vytvořit novou zdravou tkáň nebo celý orgán. V současnosti probíhají klinické studie, které využívají kmenové buňky pro léčbu širokého spektra onemocnění.
V budoucnu by embryonální kmenové buňky mohly být použity v lékařství k opravě poškozených tkání. Kmenové buňky by se diferencovaly na požadovaný buněčný typ a obnovily by funkčnost dané tkáně. V současné době však stále nejsou vyřešeny problémy s možným nekontrolovaným růstem podaných kmenových buněk.
Indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSC) jsou někdy označovány za budoucnost medicíny. Nehrozí u nich riziko odmítnutí, lze je snadno "přeprogramovat" a jejich tvorba se nepotýká s takovými etickými problémy, jako embryonální kmenové buňky. Technologie přípravy buněk iPSC se podle odborníků "propojila s technologií přesné editace genomu, tzv. CRISPR/Cas9, a nabídla tak medicíně téměř dokonalé modely genetických onemocnění". Je pravděpodobné, že bariéra širokého preklinického a klinického využívání buněk iPSC bude brzy prolomena a změní medicínu.
tags: #pluripotentni #bunky #embryo