Kmenové buňky, jejich vlastnosti a základní členění O kmenových buňkách se v současné době mluví velmi často v nejrůznějších souvislostech. Je do nich vkládána naděje, že s jejich pomocí půjde vyléčit řada dosud nevyléčitelných onemocnění a že jejich poznání nás povede k hlubšímu pochopení podstaty mnoha chorob. Pravdou je, že intenzivní vědecký výzkum v oblasti buněčné terapie probíhající po celém světě od 50. let 20. století posunul hranice poznání v oblasti možností léčby pacientů nevídaným způsobem právě díky kmenovým buňkám a jejich potenciálu.
Neurální kmenové buňky izolované z fetální míšní tkáně mohou v budoucnosti hrát důležitou roli v obnově poraněné míchy. (Barveno na neuronální marker MAP2).
Kolonie nediferencovaných hESCs rostoucí na podpůrné vrstvě. Obrázky: Oddělení neurověd, Laboratoř tkáňových kultur a kmenových buněk ÚEM AV ČR, v.v.i.
Základní definice: Co jsou kmenové buňky? Kmenové buňky jsou primární nediferencované buňky, které mají schopnost přeměnit se (diferencovat) na jakýkoliv jiný typ buněk. Tato schopnost kmenových buněk za běžných okolností umožňuje tělu vytvářet nové buňky a opravovat tak poškozené nebo opotřebované části tkání a orgánů (krve, kůže, střevní sliznice). Kmenové buňky mají mimo schopnosti diferencovat se i schopnost své vlastní obnovy. Za fyziologických okolností představují v organismu jakousi univerzální zásobu náhradních dílů pro nejrůznější tkáně a orgány.
Převzato z Gage, F.H. Science. 2000 Feb 25; 287(5457): 1433-8.
Základní členění kmenových buněk
Hierarchie kmenových buněk převzato z Classification of stem cells, 2007, dostupné na http://www.biocell.com.au/introduction-to-stem-cells, 26.4.2009 Hierarchicky ( z hlediska jejich diferenciačního potenciálu) lze rozdělit kmenové buňky na: •
•
buňky totipotentní - mohou se bez omezení měnit na jakýkoliv jiný typ buněk včetně další totipotentní buňky; k totipotentním buňkám patří i buňky vzniklé prvním dělením oplozeného vajíčka, jakož i oplozené vajíčko samotné. Fascinující je především schopnost totipotentní kmenové buňky diferencovat se v buňky nejrůznějších tkání a orgánů, v jejichž prostředí se právě nachází. Totipotentní kmenová buňka, ať už je odebrána odkudkoliv,se např. po umístění mezi buňky srdečního svalu diferencuje v další srdeční buňky, nebo po umístění do prostředí nervových buněk se diferencuje v neurony. Právě tato schopnost kmenových buněk je reálným důvodem k léčebnému využití. buňky pluripotentní - potomci totipotentních buněk, kteří mohou produkovat jakékoliv jiné buňky kromě buňky totipotentní. Pluripotentní buňky mohou dát vznik všem buňkám budoucího jedince. Jejich charakteristickou vlastností je schopnost tvořit buňky všech tří zárodečných listů (ektodermu, entodermu a mezodermu).
•
•
buňky multipotentní mohou produkovat pouze buňky příbuzné danému typu buňky,např. krevní buňky, nebo kmenové buňky kůže, ze kterých vzniknou epidermální buňky, mazové žlázy a vlasové folikuly nebo z neurálních kmenových buněk vzniknou všechny buněčné typy nervového systému (neurony a gliové buňky). a buňky progenitorové, neboli unipotentní (mohou produkovat pouze jediný typ buněk, ale mají schopnost samy se plně obnovit (možná spíše namnožit), tyto buňky tvoří přechodné stadium mezi kmenovými a zralými, specializovanými buňkami.
Podle existence „in vivo“ (v živém organizmu v přirozených podmínkách, tedy v orgánech, pletivech či buňkách) nebo „in vitro“ (ve skle – v umělých, laboratorních podmínkách) se rozlišují: • •
kmenové buňky primární kmenové buňky sekundární.
Kmenové buňky primární existují in vivo a dávají vznik buňkám dané buněčné struktury, tkáně, orgánu nebo organismu. Tyto buňky jsou nejčastěji multipotentní, některé mohou být i pluripotentní nebo unipotentní. Jsou typické relativně pomalou proliferací a schopností sebeobnovy, jsou základním zdrojem buněk pro regeneraci organismu a homeostázu. S věkem jich ubývá, ale nikdy během života jedince úplně nevymizí.
Schéma zdroje lidských pluripotentních kmenových buněk a jejich vlastní původní buňky převzato z Freshney I.R., Stacey N.G. et al., 2007 Kmenové buňky sekundární jsou připravené z populací pluripotentních kmenových embryonálních buněk, ze zárodečných buněk nebo z progenitorů embryonálních a dospělých tkání v podmínkách in vitro. Některé z nich jsou multipotentní, jiné pluripotentní, relativně rychle proliferují. Mají schopnost sebeobnovy a mohou být zdrojem buněk pro regeneraci organismu. U savců byly popsány a připraveny tři buněčné typy sekundárních pluripotentních kmenových buněk: • • •
embryonální kmenové buňky (embryonic stem cells – ESCs), (EVANS and KAUFMANN 1981, MARTIN 1981, THOMPSON et al., 1981), embryonální zárodečné buňky (embryonic germ cells – EGCs), (MATSUI et al., 1992, RESNICK et al. 1992, SHAMBLOTT et al., 1998) embryonální nádorové buňky (embryonal carcinoma cells – ECCs), (MARTIN and EVANS, 1974, ANDDREWS et al., 1984).
Mezi základní vlastnosti těchto buněčných typů patří velká schopnost sebeobnovy a potenciální diferenciace do specifických buněčných linií. Kromě této základní diferenciace existují ještě buňky oligopotentní, které jsou svými vlastnostmi podobné multipotentním a buňky nullipotentní, které se mohou pouze dělit a nemění fenotyp. Kmenové buňky mohou být totipotentní, multipotentní, pluripotentní nebo unipotentní, ale buňky těchto vlastností nemusí být nutně kmenové. Kmenové buňky se obecně dělí asymetricky, dělením nevznikají dvě rovnocenné buňky dceřiné, ale produktem jejich dělení jsou dva diametrálně odlišné typy buněk.
Typy kmenových buněk (rozděleno podle zdroje)
Embryonální kmenová buňka, snímek Aleš Hampl, ÚEM AV ČR, Brno Embryonální kmenové buňky (Embryonic Stem Cells, ESC) lze získat z embryí ve stadiu blastocysty nebo moruly. Blastocysta je embryo staré několik dnů, které má 50–150 buněk. Jsou-li stimulovány, mohou se diferencovat do všech buněčných typů dospělého organismu. ESC jsou dokonce tak plastické, že za určitých okolností mohou být aplikovány jinému živočišnému druhu (myší ESC byly použity v léčbě srdečního poškození u ovcí). V současné době jsou výzkumu podrobovány především myší a lidské ESC. Z některých druhů se ESC podařilo vytvořit teprve nedávno (potkan), některé živočišné druhy dodnes vzdorují (prase). Důležité je poznamenat, že embryonální kmenové buňky se svými biologickými vlastnostmi liší od ostatních kmenových buněk, které lze získat z orgánů a tkání dospělých. Důvodem jejich odlišnosti je především jejich embryonální původ a vlastnosti embryoblastu. Zde, na rozdíl od mnoha typů somatických kmenových buněk (somatic stem cells - SSCs), které si kmenovost zachovávají jak in vivo, tak také in vitro, buňky ICM (lidské embryonální kmenové buňky získané z vnitřní buněčné masy - inner cell mass) ani primordiální zárodečné buňky (primordial germinal cells - PGC) primárně kmenové nejsou a kmenovost získávají až adaptací na in vitro kulturu. Navíc PGC na rozdíl od buněk ICM nejsou ani pluripotentní. Embryonální buňky se kmenovými buňkami stávají až po in vitro kultivaci. Somatické buňky jsou kmenové přímo v těle.
Příkladem somatických kmenových buněk dospělých jedinců jsou mesenchymální kmenové buňky kostní dřeně (Kultura MSC izolovaných z potkana exprimujícího zelený fluorescenční protein (GFP). Z etických důvodů zatím nebyla povolena v USA a v zemích EU žádná studie s ESC u člověka a žádné léčebné podání ESC člověku, protože se jedná o závažný etický problém jejich získávání. Nelze také vyloučit, že podání embryonálních kmenových buněk by mohlo způsobit teratomy. Avšak v oblasti výzkumu dochází k rychlému vývoji poznání a v současnosti se např. připravuje v Anglii studie zaměřená na buňky očního epitelu derivované z ES. Indukované pluripotentní kmenové buňky (Induced Pluripotent Stem Cells, iPSC) jsou kmenové buňky uměle vytvořené z dospělých buněk těla. Výzkumy v posledních letech potvrdily možnost zvrátit osud buněk a „přinutit“ diferencované buňky, aby se vrátily do pluripotentního (nediferencovaného) stavu. Dospělé nepluripotentní buňky lze změnit v iPSC inzercí některých genů. Pomocí virových vektorů se do buněk vloží geny, které regulují přepis genetické informace v buňce a způsobí, že se buňka promění v buňku kmenovou. iPSC buňky jsou svými vlastnostmi velmi podobné embryonálním kmenovým buňkám. Jejich výhodou je, že se jedná o buňky pacientovi vlastní a tudíž odpadá problém s imunologickou netolerancí, jako je tomu u buněk derivovaných z embryí.
Dospělé kmenové buňky (Adult Stem Cells, ASC) jsou buňky, které se nacházejí v dospělých tkáních a orgánech a mají schopnost dělení a diferenciace. Tvoří jen nepatrnou část buněk tkání a orgánů. Jejich počet ale stačí k tomu, aby se z nich mohla příslušná tkáň nebo orgán obnovovat. V poslední době se ukazuje, že i diferencované buňky se mohou za určitých okolností zpětně měnit v buňky nediferencované. V těchto pochodech hrají roli především různé transkripční faktory. Označení somatické kmenové buňky se vztahuje i na tkáňově specifické kmenové buňky izolované z embryí, které se minimálně v některých případech trochu liší od svých „dospělých“ ekvivalentů. ASCs lze izolovat z dospělých jedinců a kultivovat in vitro. ASC je (na rozdíl od ESC) povoleno používat i léčebně. Transplantace krvetvorné tkáně u nemocných s leukemiemi nebo jinými nemocemi krvetvorby je důkazem, že tato léčba může být úspěšná. Jsou to právě tyto buňky, které se také již klinicky testují u poranění míchy, infarktu myokardu, náhrad kostí a chrupavek a u ischemických končetin.
Nejen v embryonální tkání, ale i v těle dospělého člověka, se vyskytuje řada druhů kmenových buněk. Byly nalezeny kmenové buňky, které mohou u dospělého jedince zakládat játra, slinivku břišní, kosti, chrupavku a nové nervové buňky.
