Стволовите клетки се различават от другите видове клетки в човешкото тяло.
Всички стволови клетки, независимо от техния източник, имат три общи свойства: те са способни да се разделят и подновяват за дълги периоди от време; те са неспециализирани и клетки стволовите клетки могат да породят специализирани клетъчни типове.
Стволовите клетки са способни да се разделят и подновяват за дълги периоди от време.
За разлика от мускулните клетки, кръвните клетки или нервните клетки, които обикновено не се реплицират сами, стволовите клетки могат да се повтарят многократно или да пролиферират. Началната популация на стволови клетки, които пролиферират в лабораторията в продължение на много месеци, може да доведе до милиони клетки. Ако получените клетки продължават да бъдат неспециализирани, като родителските стволови клетки, се казва, че клетките са способни на дългосрочно самообновяване.
Учените се опитват да разберат две основни свойства на стволовите клетки, които се отнасят до тяхното дългосрочно самообновяване:
- Защо ембрионалните стволови клетки могат да се размножават за една или повече години в лабораторията без да се диференцират, а повечето възрастни стволови клетки не могат това?
- Какви са факторите в живите организми, които нормално регулират пролиферацията на стволови клетки и самовъзстановяването им?
Откриването на отговорите на тези въпроси може да даде възможност да се разбере как се регулира клетъчната пролиферация по време на нормалното ембрионално развитие или по време на анормалното клетъчно деление, което води до рак. Такава информация би позволила на учените да развият ембрионални и не-ембрионални стволови клетки по-ефикасно в лабораторията.
Специфичните фактори и условия, които позволяват на стволовите клетки да останат неспециализирани, са от голям интерес за учените. Учените са натрупали много години опит и грешки, за да научат да извличат и поддържат стволови клетки в лабораторията, без да се разграничават спонтанно в специфични клетъчни типове. Например, отне две десетилетия, за да се научат да развиват човешки ембрионални стволови клетки в лабораторията, след като са се развили условията за отглеждане на миши стволови клетки. По същия начин учените трябва първо да разберат сигналите, които дават възможност на не-ембрионалните (възрастните) стволови клетки да се размножават и да останат неспециализирани преди да са в състояние да развият голям брой неспециализирани възрастни стволови клетки в лабораторията.
Стволовите клетки са неспециализирани.
Едно от основните свойства на стволовите клетки е, че нямат специфичните за тъканите структури, които да им позволяват да изпълняват специализирани функции. Например, стволови клетки не могат да работят със съседите си, за да изпомпват кръв през тялото (като клетка на сърдечния мускул) и не могат да носят кислородни молекули през кръвта (като червена кръвна клетка). Неспециализираните стволови клетки обаче могат да породят специализирани клетки, включително сърдечни мускулни клетки, кръвни клетки или нервни клетки.
Стволовите клетки могат да създадат специализирани клетки.
Когато неспециализираните стволови клетки пораждат специализирани клетки, процесът се нарича диференциация. Докато се диференцира, клетката обикновено преминава през няколко етапа, като става все по-специализирана на всяка стъпка. Учените просто започват да разбират сигналите вътре и извън клетките, които задействат всяка стъпка от процеса на диференциация. Вътрешните сигнали се контролират от гените на клетката, които са разпръснати в дълги вериги на ДНК и носят кодирани инструкции за всички клетъчни структури и функции. Външните сигнали за клетъчна диференциация включват химикали, секретирани от други клетки, физически контакт със съседни клетки и определени молекули в микросредата. Взаимодействието на сигналите по време на диференциацията кара ДНК-то на клетката да придобие епигенетични маркери, които ограничават ДНК експресията в клетката и могат да бъдат предадени чрез клетъчното делене.
Много от въпросите за диференциацията на стволови клетки остават. Например, вътрешните и външните сигнали за клетъчна диференциация са подобни за всички видове стволови клетки? Могат ли да се идентифицират специфични набори от сигнали, които насърчават диференциацията в конкретни типове клетки? Решаването на тези въпроси може да доведе учени да намерят нови начини за контролиране на диференциацията на стволовите клетки в лабораторията, като по този начин увеличават клетките или тъканите, които могат да бъдат използвани за специфични цели, като клетъчни терапии или скрининг на лекарства.
Възрастните стволови клетки обикновено генерират клетъчните типове на тъканта, в която живеят. Например кръвотворната възрастова стволова клетка в костния мозък обикновено води до появата на много видове кръвни клетки. Общоприето е, че кръвообразуващата клетка в костния мозък – която се нарича хемопоетична стволова клетка – не може да доведе до клетките на много различна тъкан, като нервните клетки в мозъка. Експериментите през последните няколко години предполагат, че стволовите клетки от една тъкан могат да доведат до клетъчни типове на напълно различна тъкан. Това остава област на голям дебат в рамките на изследователската общност. Този спор демонстрира предизвикателствата на изучаването на възрастни стволови клетки и предполага, че е необходимо допълнително проучване, използващо възрастни стволови клетки, за да се разбере пълният им потенциал за бъдещи терапии.
Какви са потенциалните употреби на човешките стволови клетки и препятствията, които трябва да бъдат преодолени преди това потенциално използване да бъде осъществено?
Има много начини, по които човешки стволови клетки могат да се използват в изследванията и в клиниката. Изследванията на човешки ембрионални стволови клетки ще дадат информация за сложните събития, които се появяват по време на човешкото развитие. Основната цел на тази работа е да идентифицира как недиференцираните стволови клетки се превръщат в диференцирани клетки, които образуват тъканите и органите. Учените знаят, че включването и изключването на гените е от основно значение за този процес. Някои от най-сериозните медицински състояния, като рак и вродени дефекти, се дължат на анормално клетъчно делене и диференциация. По-пълно разбиране на генетичния и молекулярен контрол на тези процеси може да даде информация за това как възникват такива заболявания и да се предложат нови стратегии за терапия. Предсказуемо контролиране на клетъчната пролиферация и диференциация изисква допълнително базово изследване на молекулярните и генетичните сигнали, които регулират клетъчното делене и специализацията. Докато последните развития с iPS клетки предполагат някои от специфичните фактори, които могат да бъдат включени, трябва да се разработят техники за безопасно въвеждане на тези фактори в клетките и да се контролират процесите, които се предизвикват от тези фактори.
Човешки стволови клетки в момента се използват за тестване на нови лекарства. Новите лекарства се тестват за безопасност при диференцирани клетки, генерирани от човешки плурипотентни клетъчни линии. Други видове клетъчни линии имат дълга история на използване по този начин. Ракови клетъчни линии, например, се използват за скрининг на потенциални противотуморни лекарства. Наличието на плурипотентни стволови клетки би позволило тестване на лекарства в по-широк кръг от клетъчни типове. За да се проверят ефективно лекарствата обаче, условията трябва да бъдат идентични при сравняване на различните лекарства. Следователно учените трябва да са в състояние да контролират точно диференциацията на стволовите клетки в специфичния клетъчен тип, върху който ще се тестват лекарствата. За някои клетъчни типове и тъкани съвременните знания за сигналите, контролиращи диференциацията, не могат да имитират тези условия, точно за генериране на чисти популации от диференцирани клетки за всяко изпитвано лекарство.
Може би най-важното потенциално приложение на човешки стволови клетки е генерирането на клетки и тъкани, които биха могли да се използват за клетъчни терапии. Днес дарените органи и тъкани често се използват за заместване на болна или разрушена тъкан, но необходимостта от трансплантируеми тъкани и органи далеч надхвърля наличното количество. Стволовите клетки, насочени да се диференцират в специфични клетъчни типове, предлагат възможност за възобновяем източник на заместващи клетки и тъкани за лечение на заболявания, включително макулна дегенерация, увреждане на гръбначния стълб, инсулт, изгаряния, сърдечни заболявания, диабет, остеоартрит и ревматоиден артрит.
Например, може да стане възможно генерирането на здрави сърдечни мускулни клетки в лабораторията и след това да се трансплантират тези клетки в пациенти с хронично сърдечно заболяване. Предварителните проучвания при мишки и други животни показват, че стромални клетки от костен мозък, трансплантирани в увредено сърце, могат да имат благоприятни ефекти. Независимо дали тези клетки могат да генерират сърдечни мускулни клетки или да стимулират растежа на нови кръвоносни съдове, които повторно да възстановяват сърдечната тъкан или да помогнат чрез някакъв друг механизъм, активно се разследват. Например, инжектираните клетки могат да постигнат възстановяването, като секретират растежни фактори, вместо действително да се инкорпорират в сърцето. Обещаващите резултати от проучвания върху животни са послужили като основа за малък брой изследователски проучвания при хора . Други скорошни изследвания в системи за клетъчни култури показват, че може да е възможно да се насочи диференциацията на ембрионални стволови клетки или възрастни клетки на костен мозък в клетки на сърдечния мускул .
Стволовите клетки за бъдещото лечение на сърдечните заболявания
Сърдечно-съдовите заболявания (CVD- Cardiovascular disease), които включват хипертония, коронарна сърдечна болест, инсулт и конгестивна сърдечна недостатъчност, се нареждат като водеща причина за смъртта в Съединените щати всяка година от 1900 г. насам, с изключение на 1918 г., когато страната се бори с епидемия от грип. Близо 2600 американци умират от ССЗ всеки ден, приблизително един човек на всеки 34 секунди. Предвид застаряването на населението и сравнително драматичните неотдавнашни увеличения на разпространението на сърдечно-съдовите рискови фактори, като затлъстяване и диабет тип 2, СЗБ ще бъде сериозна опасност за здравето до 21-ви век.
Сърдечно-съдовите заболявания могат да лишат сърдечната тъкан от кислород, като по този начин убиват сърдечни мускулни клетки (кардиомиоцити). Тази загуба предизвиква каскада от вредни събития, включващи образуване на белези, претоварване на кръвния поток и капацитет на налягането, прекомерно разтягане на жизнеспособни сърдечни клетки, опитващи се да поддържат сърдечната дейност, водещо до сърдечна недостатъчност и евентуална смърт. Възстановяването на увредената сърдечна мускулна тъкан чрез „ремонт” или регенерация е следователно потенциално нова стратегия за лечение на сърдечна недостатъчност.
Редица типове стволови клетки, включително ембрионални стволови клетки (ES), сърдечни стволови клетки, които естествено се намират в сърцето, миобласти (мускулни стволови клетки), получени клетки от костен мозък, включително мезенхимни клетки (клетки, получени от костен мозък, тъкани като мускули, кости, сухожилия, лигаменти и мастна тъкан), ендотелиални прогениторни клетки (клетки, които пораждат ендотелиума, вътрешна обвивка на кръвоносни съдове) и клетки от пъпна връв са изследвани, като възможни източници за Регенерираща увредена сърдечна тъкан. Всички са изследвани при модели на мишки или плъхове, а някои са тествани при по-големи животини, като прасета.
Няколко малки проучвания са проведени и при хора, обикновено при пациенти, които са подложени на операция с отворена сърдечна дейност. Няколко от тях са показали, че стволовите клетки, които се инжектират в кръвообращението или директно в увредената сърдечна тъкан, изглежда подобряват сърдечната функция и / или предизвикват образуването на нови капиляри. Механизмът за този „ремонт” остава спорен, а стволовите клетки вероятно регенерират сърдечната тъкан през няколко пътища. Обаче, популациите на стволови клетки, които са били тествани в тези експерименти, варират значително, както и условията за тяхното пречистване и приложение. Въпреки че са необходими много повече изследвания за оценка на безопасността и подобряване на ефикасността на този подход, тези предварително клинични експерименти показват как един ден могат да се използват стволови клетки за лечение на увредена сърдечна тъкан, като по този начин се намалява тежестта на сърдечносъдовите заболявания.
