Komórki macierzyste to niezróżnicowane komórki, które mogą pełnić różne funkcje regeneracyjne w ludzkim ciele. Mogą na przykład poprzez różnicowanie generować lub zastępować różne komórki, regulować układ odpornościowy i stymulować inne komórki w ich naturalnych środowisku.
Komórki macierzyste są obecne u wszystkich ludzi od rozwoju zarodka / płodu (embrionalne komórki macierzyste) i przez cały okres życia aż do śmierci (dorosłe komórki macierzyste) Istnieje 5 głównych typów komórek macierzystych i są one zdefiniowane ze względu zarówno na ich pochodzenie, jak i ich zdolność do generowania nowych komórek.
- Totipotencjalne: znane również jako zapłodniona komórka jajowa, komórka ta rozwinie się i stanie się wszystkimi innymi komórkami, tworząc człowieka.
- Pluripotencjalne: Te komórki macierzyste mogą różnicować się do dowolnego innego rodzaju komórek, jednak brakuje im zdolności do stworzenia całego organizmu, tak jak w przypadku komórki totipotencjalnej.
- Multipotencjalne: Nieco bardziej ograniczone niż komórki pluripotencjalne, przypisane do określonego zakresu typów komórek.
- Oligopotencjalne: Te komórki są podobne do multipotencjalnych komórek macierzystych i są również w stanie różnicować się w określony zakres rodzajów komórek.
- Unipotencjalne: Te komórki macierzyste są w stanie różnicować się tylko w jeden typ komórek.
Embrionalne komórki macierzyste (ESC) i dorosłe komórki macierzyste (ASC) to dwie bardzo różne kategorie komórek macierzystych o różnych właściwościach. U każdego osobnika po urodzeniu wymiana i regeneracja komórek zachodzą w dwóch kontekstach: odnowie naturalnie umierających komórek (apoptoza) oraz w odpowiedzi na obrażenia zewnętrzne (spowodowane czynnikami takimi jak urazy, infekcje, rak, zawał, toksyny, stany zapalne itp.). Komórki macierzyste biorące udział w tym procesie regeneracyjnym to dorosłe komórki macierzyste (zwane również somatycznymi komórkami macierzystymi).
Dorosłe komórki macierzyste i embrionalne komórki macierzyste
Embrionalne komórki macierzyste są obecne w wewnętrznej masie komórkowej blastocysty, w znaczącej mierze pustej kuli komórek, która u człowieka tworzy się trzy do pięciu dni po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemniki. W normalnym rozwoju komórki w środku wewnętrznej masy komórkowej dadzą początek bardziej wyspecjalizowanym komórkom, które z kolei dadzą początek całemu ciału – wszystkim naszym tkankom i narządom. Embrionalne komórki macierzyste są pluripotencjalne, co jak wcześniej wspomniano, oznacza, że mogą one dawać początek każdemu typowi komórek w pełni uformowanym ciele, ale nie w łożysku i pępowinie.
Dorosłe komórki macierzyste (zwane również somatycznymi) są bardziej wyspecjalizowane niż embrionalne komórki macierzyste. Zazwyczaj te komórki macierzyste mogą generować różne typy komórek dla określonej tkanki lub narządu, w którym żyją. Istnieje wiele różnych rodzajów dorosłych komórek macierzystych, z których wszystkie mają swoje specyficzne funkcje regeneracyjne. Na przykład krwiotwórcze komórki macierzyste (lub hematopoetyczne) mogą powodować powstawanie czerwonych krwinek, białych krwinek i płytek krwi. Jednak krwiotwórcze komórki macierzyste nie wytwarzają na przykład komórek organów takich jak wątroba czy płuca, a komórki macierzyste w innych tkankach i narządach nie wytwarzają czerwonych lub białych krwinek ani płytek krwi. Niektóre tkanki i narządy w twoim ciele zawierają zmagazynowane małe ilości specyficznych dla tkanek komórek macierzystych, których zadaniem jest zastępowanie komórek z tych tkanek, które są tracone podczas normalnego codziennego życia lub np: podczas zranienia.
Jak komórki macierzyste celują w obrażenia? – Bazowanie
W nauce o komórkach macierzystych słowo „bazowanie” opisuje zdolność komórek do znalezienia miejsca docelowego lub „niszy”. Podczas tego procesu uszkodzone lub zaognione tkanki wymagają naprawy, wysyłają więc sygnały, z których niektóre działają jak sygnały dla komórek macierzystych i w ten sposób przyciągają je do uszkodzonej tkanki. Jest to dosyć szybki proces (mierzony w godzinach i nie dłuższy niż 1-2 dni)
Jak działa komórka macierzysta aby naprawić daną tkankę? – Bezpośrednie różnicowanie i efekt parakrynowy
Gdy komórki macierzyste dotrą do miejsca uszkodzenia, mogą rozpocząć swoje działanie regeneracyjne, działając poprzez dwa różne mechanizmy: mogą podlegać bezpośredniemu różnicowaniu w celu bezpośredniego zastąpienia uszkodzonych komórek lub mogą również promować regenerację tkanek poprzez efekt parakrynowy.
Więc czym jest efekt parakrynny? W nauce o komórkach macierzystych można to zdefiniować poprzez proces, w którym komórki macierzyste uwalniają czynniki działające jako sygnały dla otaczających je komórek i zmuszają je do zmiany zachowania w celu zainicjowania procesu regeneracji. Podczas tego procesu komórki macierzyste nie przyczyniają się do odnowy tkanek poprzez bezpośrednie różnicowanie.
Dlaczego efekt parakrynny jest tak ważny?
W dużej liczbie badań dotyczących przeszczepów komórek macierzystych badacze zaobserwowali, że uszkodzone tkanki pacjenta zostały naprawione po przeszczepie komórek macierzystych od dawcy. Jednak po analizie nowo wytworzonych tkanek, zaobserwowano, że komórki dawcy były nieobecne. Następnie naukowcy byli w stanie wykazać, że komórki macierzyste dawcy były czynnikami wydzielającymi, które wyzwalały własne komórki pacjenta do naprawy jego tkanki. Wykazano, że większość procesu regeneracji została osiągnięta poprzez parakrynowe przekazywanie sygnałów, a nie przez bezpośrednie różnicowanie.
Mechanizm parakrynowy okazał się bardzo korzystny. Korzyści z efektu parakrynnego są teraz bardzo widoczne. Najważniejszy jest fakt, że chociaż komórki macierzyste dawcy mają bardzo ograniczoną żywotność, mają za to długotrwały wpływ na regenerację tkanek, który trwa długo po całkowitym wyczerpaniu komórek macierzystych dawcy.
Kilka różnych rodzajów komórek macierzystych może wywoływać reakcję parakrynową, są nimi mezenchymalne komórki macierzyste pępowiny i komórki macierzyste krwi pępowinowej.
Co mogą osiągnąć komórki macierzyste poprzez bezpośrednie różnicowanie i działanie parakrynne?
- Naprawić uszkodzoną tkankę; komórki macierzyste mają zdolność do aktywacji będących w stanie uśpienia komórek macierzystych w ciele pacjenta, mają wpływ naprawczy na uszkodzoną przez peroksydację i odpady metaboliczne tkankę lub organ. Równowaga między wolnymi rodnikami i przeciwutleniaczami jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania fizjologicznego. Jeżeli wolne rodniki przytłaczają zdolność organizmu do ich regulacji, powstaje stan zwany stresem oksydacyjnym. W ten sposób wolne rodniki niekorzystnie zmieniają lipidy, białka i DNA wywołując u ludzi wiele chorób. Komórki macierzyste mogą również interweniować w stres wolnorodnikowy, aby przywrócić jego normalną funkcję.
- Wydzielają czynniki odżywcze: Komórki macierzyste mogą sprzyjać proliferacji i różnicowaniu komórek w uszkodzonej tkance oraz przywracać fizjologiczne funkcje tkanek i narządów.
- Regulują funkcję odpornościową: poprzez wydzielanie rozpuszczalnych czynników i bezpośredni kontakt w celu regulacji proliferacji komórek układu odpornościowego oraz ich aktywności. Komórki macierzyste są w stanie zmniejszyć reakcję zapalną.
- Regulują funkcję metaboliczną: Wykorzystując zdolność wielokierunkowego różnicowania, komórki macierzyste mogą zwiększyć wydajność układu metabolicznego, a tym samym przyspieszyć funkcjonowanie organizmu oraz wydalanie odpadów metabolicznych w celu promowania wchłaniania składników odżywczych, aby utrzymać normalną funkcję fizjologiczną.
Ponadto badania wykazały, że wzmocniony zostaje efekt parakrynny, ponieważ komórki dawcy są przyciągane do uszkodzonych tkanek, które potrzebują ich pomocy. Uszkodzone komórki pacjenta wydzielają cytokiny, białka regulatorowe, które działają jako mediatory w celu wygenerowania odpowiedzi immunologicznej, która przyciąga komórki dawcy. Z kolei komórki dawcy wydzielają własny koktajl białek, które stymulują komórki macierzyste pacjenta i pomagają zmniejszyć stan zapalny, sprzyjają proliferacji komórek oraz zwiększają unaczynienie i przepływ krwi do obszarów, które wymagają gojenia. Komórki wytwarzające efekt parakrynny mogą również wydzielać czynniki, które hamują śmierć komórek pacjenta z powodu uszkodzenia lub choroby.
Ważnym trzecim efektem parakrynnym jest jego zdolność do „tłumienia” odpowiedzi immunologicznej, która występuje podczas odrzucania przeszczepu lub podczas choroby autoimmunologicznej. W takim przypadku komórki można wykorzystać bezpośrednio lub w połączeniu z innymi komórkami macierzystymi do celów terapeutycznych. Na przykład zastosowanie komórek mezenchymalnych w połączeniu z komórkami macierzystymi krwi podczas przeszczepu szpiku kostnego wydaje się zmniejszać występowanie choroby przeszczepu przeciwko gospodarzowi.
Zaletą stosowania komórek w porównaniu z lekami do promowania regeneracji jest to, że przeszczepione komórki reagują na swoje środowisko i wytwarzają czynniki, gdy są one potrzebne i w odpowiednim stężeniu. Komórki można traktować jako „fabryki leków”, które dostosowują się w miarę naprawy tkanki. Badania przedkliniczne wykazały skuteczność komórek mezenchymalnych i komórek krwi pępowinowej w leczeniu chorób układu nerwowego, serca, nerek i mięśni. Przeprowadzono przekonujące badania nad neuroprotekcyjnym działaniem krwi pępowinowej.