Komórki macierzyste

Jednym z głównych mechanizmów regeneracji w organizmie dorosłego człowieka jest wykorzystanie komórek macierzystych. Komórki te powstają w okresie późnego rozwoju embrionalnego i zostają niejako” zatrzymane” w rozwoju, nie osiągając pełnego zróżnicowania. Komórki te nazywane są dorosłymi komórkami macierzystymi (adult stem cells, ASC). Wyróżnia się komórki macierzyste tkankowe i krążące.
 

Regeneracja tkanki nabłonkowej przebiega głównie z wykorzystaniem tkankowych komórek macierzystych. Komórki te znajdują się zwykle w warstwie podstawnej nabłonków. Przykładem jest tu regeneracja naskórka, regeneracja nabłonka przewodu pokarmowego oraz dróg oddechowych. Podobnie przebiega regeneracja w przypadku wątroby. Znajdujące się w wątrobie komórki macierzyste wykorzystywane są w przypadku uszkodzeń, które nie mogą być zreperowane przez podziały zróżnicowanych hepatocytów.
 

Regeneracja tkanek wywodzących się z mezodermy zachodzi dzięki wykorzystaniu nie-epitelialnych hematopoetycznych komórek macierzystych (non-epithelial hematopoetic stem cells, HSCs). Komórki te znajdują się zarówno w tkankach (np. komórki satelitarne w mięśniach, komórki hematopoetychne w szpiku), jak i we krwi krążącej. Regeneracja tych tkanek jest inicjowana przez rozpuszczalne czynniki uwalniane z uszkodzonych tkanek (resztki komórek, macierzy zewnątrzkomórkowej, cytokiny zapalne), które stanowią sygnał dla tkankowych komórek macierzystych do proliferacji, oraz do rekrutacji komórek macierzystych ze szpiku. Krążące komórki macierzyste, dzięki gradientowi substancji uwalnianych z uszkodzenia są kierowane do miejsc ubytku gdzie następuje ich namnażanie i różnicowanie. Niezwykle ważnym elementem tego procesu jest zapewnienie uszkodzonej tkance odpowiedniego krążenia. Brak tlenu i substancji odżywczych uniemożliwia prawidłową regenerację tkanek. Proces regeneracji jest regulowany wieloma czynnikami takimi jak cytokiny, molekuły adhezyjne, jak i oddziaływaniem sąsiednich komórek. Sygnały regulujące regenerację pokrywają się niestety z sygnałami stymulującymi nowotworzenie. Utrzymanie odpowiedniej równowagi jest zatem niezwykle istotne dla całego organizmu. Zbyt wolny proces regeneracji powoduje wyczerpanie rezerw komórek w tkance i jej degradację, zbyt intensywny proces może prowadzić do nowotworzenia.
 

Niezwykła plastyczność komórek macierzystych umożliwia uzyskiwanie z nich praktycznie każdego rodzaju komórek spotykanych w organizmie. Uzyskano nawet komórki nerwowe wygenerowane z komórek wyizolowanych z krwi pępowinowej. Głównym problemem jest źródło komórek macierzystych, oraz ilość wyprodukowanych komórek. Niezwykle obiecujące są wyniki z zastosowaniem embrionalnych komórek macierzystych, lecz ich wykorzystanie w praktyce jest obarczone szeregiem zastrzeżeń natury etycznej. Komórki uzyskane in vitro z komórek macierzystych mogłyby być zastosowane w terapii komórkowej, lub posłużyć do konstruowania tkanek lub nawet całych organów.

Terapia komórkowa to wszelkie formy terapii w których do organizmu pacjenta wprowadza się żywe, izolowane komórki. Zalicza się do nich również tak powszechnie stosowane zbiegi jak transfuzje krwi, oraz przeszczepianie szpiku. Przeszczep szpiku jest chyba najbardziej znanym przykładem terapii komórkowej z zastosowaniem komórek macierzystych. Celem jest uzyskanie regeneracji funkcji i struktury uszkodzonych tkanek przez dostarczone do miejsca uszkodzenia izolowanych komórek macierzystych. Czynnikiem różnicującym komórki jest środowisko uszkodzonej tkanki. Komórki macierzyste pobierane są w tym celu głównie z krwi obwodowej po farmakologicznej mobilizacji szpiku (podawanie Il-3 stymuluje szpik do zwiększenia uwalniania komórek macierzystych do krwi obwodowej).

Allogeniczne komórki macierzyste można również uzyskać z krwi pępowinowej zdeponowanej w czasie urodzenia w banku krwi pępowinowej. Wyizolowane komórki wstrzykuje się do miejsca uszkodzenia. Pomimo wielkich nadziei terapia tego typu obarczona jest szeregiem ograniczeń. Najważniejsze są ograniczenia dotyczące pobierania i namnażanie komórek macierzystych. Nie mniej trudne jest zapewnienie przeszczepionym komórkom odpowiedniego mikrośrodowiska w miejscu ich podania. Środowisko to powinno przede wszystkim zapewnić odpowiedni dowóz tlenu i substancji odżywczych. Powinno również zapewnić możliwość różnicowania się podanych komórek w regenerowaną tkankę. Wymaga to odpowiedniego przygotowania tkanek pacjenta co w warunkach in vitro nie jest łatwe. Największe oczekiwania w przypadku zastosowania komórek macierzystych w terapii wiązano z leczeniem niewydolności mięśnia sercowego i uzupełnianiem neuronów dopaminoergicznych w mózgu. Niestety metody te są wciąż jeszcze w fazie eksperymentalnej, a ich wyniki są dalekie od oczekiwanych. Odmianą terapii komórkowej z powodzeniem stosowanej w klinice jest stosowanie komórek szpiku do indukcji kościotworzenia. Dodawanie komórek szpiku w miejsce złamania, lub wszczepionej matrycy kostnej znacznie przyspiesza proces gojenia tkanki kostnej.
 

Przeszczepy tkankowych komórek macierzystych stosowane są również z powodzeniem w okulistyce w odtwarzaniu uszkodzonego nabłonka rogówki. Fragment rąbka rogówki zdrowego oka, zawierający komórki macierzyste jest przeszczepiany do chorego oka, gdzie odbudowuje populacje komórek macierzystych rąbka. Hodowla komórek macierzystych nabłonka rogówki umożliwiają uzyskanie dużej ilości komórek z niewielkiej biopsji (Śladowski, Liberek, Lipski, Ozga, Olkowska-Truchanowicz and Szaflik 2005).
 

Inną odmianą terapii komórkowej jest terapia z zastosowaniem komórek somatycznych. Przykładem takiej terapii jest stosowanaw celu podtrzymania funkcji niewydolnej wątroby terapia polegajaca na wszczepianiu do organizmu chorego izolowanych allogenicznych heapatocytów . Działanie takie nie jest w stanie na trwale wyleczyć pacjenta, jednak może dać mu szansę na przeżycie do momentu gdy można mu będzie przeszczepić cała wątrobę. Odmianą tej terapii jest stosowanie bioreaktorów zawierających aktywne metabolicznie hepatocyty. Pacjent jest podłączany do bioreaktora podobnie jak w przypadku dializoterpii. Hepatocyty używane w bioreaktorach mogą być pochodzenia ludzkiego (izolowane z narządów nie nadających się do przeszczepienia), lub odzwierzęce (np świńskie).
 

Bardzo ciekawe są wyniki stosowania terapii tkankowej w przypadku przeszczepiania komórek czynnych hormonalnie. Doświadczenia takie prowadzone od lat na Akademii Medycznej w Warszawie doprowadziły do opracowania terapii komórkowej z zastosowaniem izolowanych komórek przytarczyc. Komórki te są uzyskiwane z przytarczyc usuwanych z powodu ich przerostu. Hodowane in vitro, są następnie przeszczepiane osobom u których występuje niedoczynność przytarczyc. Komórki produkujące parathormon podawane są do dobrze unaczynionych powięzi otaczających mięśnie. Terapia ta umożliwia uzyskanie normokalcemii u leczonych pacjentów i zaniechanie podawania parenteralnie parathormonu, co jest nie tylko kłopotliwe, ale również niebezpieczne (Nawrot, Wozniewicz, Tolloczko, Sawicki, Gorski, Chudzinski, Wojtaszek, Grzesiuk, Sladowski, Karwacki, Zawitkowska and Szmidt 2007).
 

Jeszcze inną odmianą terapii komórkowej jest zastosowanie komórek genetycznie zmodyfikowanych, umożliwiających korektę defektów metabolicznych, lub dostarczających stale potrzebnych substancji biologicznie czynnych.
Intensywne badania nad wykorzystaniem komórek macierzystych w terapii wykazały, iż rusztowania tkankowe powstałe z pozbawionych komórek tkanek są w stanie zróżnicować komórki macierzyste w komórki i struktury które są charakterystyczne dla tkanki z której przygotowano matrycę (Deborach P. at al. Stem Cells 2005;23:288–296). Oznacza to, iż wszczepiając rusztowania tkankowe wzbogacone w odpowiednie cytokiny i ligandy dla molekuł adhezyjnych można odtwarzać tkanki i narządy. Strategia ta jest z powodzeniem stosowana w przypadku leczenia ran skóry.

Stosowanie matryc tkankowych umożliwia uniknięcie kosztownego i skomplikowanego procesu pozyskiwania i izolacji komórek macierzystych. Uwalniane z wszczepu cytokiny stanowią sygnał do rekrutacji tych komórek zarówno z otaczających tkanek jak i krwi krążącej i szpiku. Komórki macierzyste na zasadzie hemotaksji odnajdują „źródło sygnału uszkodzenia” jakim jest matryca. Osiedlają się w niej i różnicują zgodnie z otrzymywanymi ze środowiska wszczepu sygnałami. Matryce tkankowe mogą być przygotowywane z tkanek ludzkich przez selektywne usunięcie niektórych ich komponentów. Inną metoda jest częściowe lub całkowite zastępowanie macierzy zewnątrzkomórkowej wszczepu białkami odzwierzęcymi (np. kolagen świński, bydlęcy lub koński) lub wytworzonymi in vitro białkami ludzkimi.