Cilmes Šūna

Cilmes šūnas nodrošina organisma nemitīgu atjaunošanos. Visvairāk cilmes šūnu ir embrionālajā un zīdaiņa attīstības posmā, kad to uzdevums ir veidot orgānus. Arī zigota ir uzskatāma par cilmes šūnu. Ar laiku cilmes šūnu daudzums organismā samazinās, kas izskaidro organisma novecošanas procesu, jo tās nespēj atjaunot visas bojātās šūnas.

Zīdītājiem ir divu veidu cilmes šūnas: embrionālās cilmes šūnas, kuras ir izolētas no iekšējās šūnas masas (blastulas) un pieaugušo cilmes šūnas, kas ir atrodamas dažādos audos. Pieaugušiem organismiem, cilmes šūnas darbojas kā organisma remonta sistēma, papildinot jau pieaugušos audus. Embrionālajām cilmes šūnām var iedalīt visās specializēto šūnu kategorijās – ektoderma, endoderma un mezoderma, kā arī tās spēj uzturēt reģeneratīvo orgānu atjaunošanos, piemēram, asins, ādas vai zarnu audu.

Ir zināmi trīs veidi, kā iegūt autologas pieaugušo cilmes šūnas:

1. Kaulu smadzenēs, veicot urbumu augšstilbā vai gūžas kaulā;
2. Taukaudos, veicot tauku atsūkšanu;
3. Asinīs, kur asinis tiek ņemtas no donora. Šajā procesā asinis tiek filtrētas caur īpašu ierīci un tiek iegūtas cilmes šūnas.

Cilmes šūnas var tikt noņemtas arī no nabassaites asinīm tikko pēc bērna dzimšanas. No visiem cilmes šūnu iegūšanas tipiem šis ir vismazāk bīstamākais, kā arī ir iespēja nodod šīs asinis asins bankā, lai nepieciešamības gadījumā tās varētu izmantot ķirurģiskām procedūrām.

Pieaugušo cilmes šūnas (jeb somatiskās) bieži tiek izmantotas dažādās medicīniskās terapijās (piemēram, kaulu smadzeņu transplantācijai). Mūsdienās cilmes šūnas var audzēt mākslīgi, kā arī pārveidot (diferencēt) uz šūnu tipiem ar īpašām šūnu īpašībām, kas atbilst šūnām dažādos audos, piemēram, muskuļu un nervu šūnas. Embrionālās cilmes šūnas, kas iegūtas izmantojot somatisko šūnu kodola pārvietošanu ir uzskatāma kā daudzsološa nākotnes terapija. Pētījumi par cilmes šūnu attīstību ir veidojušies no pētnieku Ernesta A. Makkuloča un E. Džeimsa Toronto Universitātē līdz 1960. gadam.

Pēc klasiskās cilmes šūnu definīcijas var izdalīt divas būtiskas īpašības:

• Pašatjaunošanās: spēja sevi atjaunot ilgstošā laika periodā daloties
• Potence: noteiktos fizioloģiskos vai eksperimentālos apstākļos tās var ievirzīt uz specializētu šūnu veidošanu. Pluripotentiālas (embrionālās cilmes šūnas) spēj veidot visdažādākos audus. Savukārt, multipotentas (pieaugušo cilmes šūnas) spēj veidot vairākus audu tipus, taču to skaits ir būtiski ierobežots.

Ir divi mehānismi, kas nodrošina cilmes šūnu veiksmīgu saglabāšanos:

1. Obligāta asimetriska replikācija: cilmes šūna tiek sadalīta vienā mātes šūnā, kas ir identiska ar sākotnējo cilmes šūnu un ar citu meitas šūnu, kas ir diferencēta.
2. Stohastiskā diferencēšana: notiek, kad viena cilmes šūna attīstās divās diferencētās meitas šūnās, kamēr cita cilmes šūna iziet mitozes ciklu un iegūst divas cilmes šūnas, kuras ir identiskas oriģinālam.

 

 

Šūnas iedarbības stiprumu nosaka potenciāls diferencēt dažādus šūnu veidus no cilmes šūnām.

• Totipotentas jeb omnipotentas cilmes šūnas ir apaugļotas olšūnas, no kurām var veidoties dažādi šūnu veidi – šādas šūnas var izveidot pilnīgu un dzīvotspējīgu organismu. Šīs šūnas tiek veidotas apaugļošanas procesā. Šūnas, kas veidojušās morulas stadijā (pirmajās apaugļotas olšūnas šūnu dalīšanās stadijās) arī ir totipotentas.
• Pluripotentas cilmes šūnas ir līdzīgas tolipotentām šūnām, t.i., šī šūnas var specializēties par jebkuru organismā sastopamo šūnu veidu. Šīs ir embrionālas cilmes šūnas, kuras var iegūt no piecas dienas apaugļotas blastocistas. Tās nevar pārvērsties atpakaļ par totipotentām šūnām.
• Multipotentas cilmes šūnas spēj veidot vienas saimes jebkuras šūnas. Tās ir nediferencētas un atrodas audos un orgānos, piemēram, no mezodermas veidojot kaulu smadzenes, asinis un muskuļu šūnas. Tās nodrošina šūnu atjaunošanos visā dzīves garumā.
• Oligopotentas cilmes šūnas var diferencēt tikai dažos šūnu tipos, piemēram, limfoīdām vai mieloīdām šūnām.
• Unipotentas cilmes šūnas ir sastopamas pēdējos zigotas attīstības posmos, tās spēj diferencēties tikai par vienu šūnu veidu, taču salīdzinot ar pieaugušām šūnām, šīs šūnas ir spējīgas dalīties.

Praksē, cilmes šūnas tiek identificētas pēc tā, vai tās spēj atjaunot audus. Piemēram, veicot testus kaulu smadzenēs vai asinsrades cilmes šūnās (HSC) ir iespējams veikt šūnu transplantāciju bez HSC. Tas parāda to, ka šūnas spēj ražot jaunas asins šūnas ilgākā laika posmā. Tāpat būtu iespējams izolēt cilmes šūnas no indivīda, kuram ir veikta šo šūnu transplantācija un transplantēt tās citam indivīdam bez HSC, kas parāda to, ka cilmes šūnas ir spējīgas pašas atjaunoties.

Embrija cilmes šūnas ir šūnas no blastocistas iekšējās šūnu masas, kas ir agrīnā embrija stadija. Cilvēka embrijs blastocistas stadiju sasniedz 4—5 dienas pēc apaugļošanas, kad tā sastāv no 50—150 šūnām. Embrionālās cilmes šūnas ir pluripotentas un spēj diferencēties par jebkuru no trim cilvēka primārās dzimumšūnas slāņiem: ektodermu, endodermu un mezodermu. Kas nozīmē to, ka šīs šūnas var izvērsties par jebkuru no vairāk nekā 200 šūnu tipiem pieauguša cilvēka ķermenī, kad tiek dota pietiekama stimulācija konkrētajām šūnām tipam. Taču šīs šūnas nespēj veidot ārpus embrionālu membrānu vai placentu. Embrionālās attīstības laikā, iekšējās šūnas masas šūnas pastāvīgi dalās un kļūst arvien specializētākas. Piemēram, daļa no embrija ektodermas muguras daļā specializējas kā „neiroektoderma”, kas nākotnē pārveidosies par centrālo nervu sistēmu. Tālākā posmā neiroektoderma veidosies par neironu caurulīti. Nervu caurulītes veidošanās posmā, tiek veidota galvenā smadzeņu forma. Šajā attīstības stadijā, galvenais CNS šūnu tips tiek uzskatītas nervu cilmes šūnas. Šīs neironu cilmes šūnas ir pluripotentas, jo tās spēj veidot lielu dažādību daudziem, dažādiem neironu tipiem, kur katram var būt unikāla gēnu ekspresija, morfoloģiskās un funkcionālās īpašības. Process, kurā tiek ģenerēti neironi no cilmes šūnām tiek saukti par neiroģenēzi. Izcils piemērs ir nervu cilmes šūnas, kuras ir gliālas šūnas, tāpēc, ka tām ir atšķirīga bipolārā morfoloģija. Glijas šūnas ir vissvarīgākās neirālās cilmes šūnas, lai mugurkaulniekiem attīstītos CNS. Neironu cilmes šūnas ir piederīgas pie neironu ciltskoka (neironi, astroglijas un oligodendroīdi), tāpēc šo šūnu iedarbība un potenciāls ir ierobežots. Gandrīz visi līdz šim veiktie pētījumi ir izmantojuši peles embrija cilmes šūnu (mES) vai cilvēka embrija cilmes šūnu (HES), kas iegūtas no agrīnās iekšējās šūnu masas. Abiem šūnu iegūšanas veidiem piemīt būtiskas cilmes šūnu īpašības, taču ir nepieciešamas atšķirīgas vides, lai saglabātu šūnas nediferencētā stāvoklī. Peles embrionālās šūnas tiek audzētas uz želatīna kārtiņas, kā ārpusšūnas matrica. Cilvēku embrionālās šūnas tiek audzētas peļu embrija fibroblastu apgādes slānī (MEF) šis process prasa pamata fibrolastu augšanas faktora klātbūtni (bFGF vai FGF-2). Without optimal culture conditions or genetic manipulation, Izmantojot cilvēka embrionālās cilmes šūnas laboratorijas apstākļos, lai veidotu specializētas šūnas kā nervu šūnas vai sirds šūnas, zinātnieki var piekļūt pieaugušu cilvēku šūnām bez audu ņemšanas no pacientiem. Zinātnieki var pētīt šīs specializētās pieaugušās šūnas detalizētāk, lai atrastu un pamanītu slimību komplikācijas vai pētīt šūnu reakciju uz potenciāli jaunām zālēm. Pirmais izmēģinājums uz cilvēkiem apstiprināja ASV Pārtikas un Zāļu Administrācija, 2009. gada janvārī, tomēr īstie pētījumi sākās tikai 2010. gada oktobrī, Atlantā, kur tika veikta muguras smadzeņu izpēte. Balstoties uz ētiskiem apsvērumiem daudzās valstīs šobrīd ir moratorija vai ierobežojumi, gan cilvēku embrionālo šūnu izpētē, gan producēt jaunas embrionālās cilvēku šūnas. Balstoties uz embrionālo cilmes šūnu kombinētajām spējām uz neierobežotu pavairošanu, šīs šūnas teorētiski ir liels avots potenciālajai reģeneratīvās medicīnas un audu transplantācijai pēc traumas vai slimības attīstībai.

•  
  Peles cilmes šūnas, kuras iekrāsotas ar fluorescences marķieri
•  
  Cilvēka embrionālo cilmes šūnu kolonija peles fibroblastu slānī

Primitīvās cilmes šūnas ir izvietotas embrija orgānos, kas tiek sauktas par embrija cilmes šūnām. Tiek iedalītas divu veidu embrija cilmes šūnas:

• Atbilstoši iegūtas embrija cilmes šūnas nāk no embrija pēc aborta veikšanas. Cilmes šūnas nav nemirstīgas un multipotentas.
• Ārpus embrija cilmes šūnas, kuras parasti nav atšķiramas no pieaugušo cilmes šūnām. Šīs cilmes šūnas tiek iegūtas pēc dzimšanas, tām ir augsta šūnu dalīšanās un pluripotentāte, taču tās ir mirstīgas.

 

Pieaugušo cilmes šūnas, ko sauc arī par somatiskajām (no grieķu valodas σωματικóς (somatikos) — 'no ķermeņa'). Šīs cilmes šūnas uztur veic „remontdarbus” tajos audos, kuros ir atrastas cilmes šūnas. Šīs cilmes var būt gan bērnos, gan pieaugušajos. Pluripotentas pieaugušo cilmes šūnas ir reti sastopamas, taču parasti to skaits ir ļoti neliels, bet tās var atrast nabassaites asinīs un citos audos. Kaulu smadzenes ir avots, kurā ir bagātīgi atrodamas pieaugušo cilmes šūnas, kas tiek izmantotas dažādu slimību ārstēšanai, tostarp aknu cirozi, hronisku ekstremitāšu išēmiju un sirds mazspēju. Kaulu smadzeņu cilmes šūnu daudzums samazinās ar vecumu un reproduktīvajā vecumā ir lielāks vīriešiem nekā sievietēm. Daudzi pētījumi par pieaugušo cilmes šūnām ir centušies raksturot to potences un pašatjaunošanās spējas. DNS bojājums uzkrājas ar vecumu gan cilmes šūnas, gan šūnās, kas ietver cilmes šūnu vidi. Šie bojājumi tiek uzskatīti par vismaz daļēju iemeslu, kāpēc palielinās cilmes šūnu disfunkcija un novecošana. Pieaugušo cilmes šūnu terapija ir veiksmīgi izmantota jau vairākus gadus, lai ārstētu leikēmiju un ar to saistītās kaulu / asins vēža kaulu smadzeņu transplantāciju. [35] Pieaugušo cilmes šūnas tiek izmantotas arī veterinārijā, lai ārstētu cīpslu un saišu traumas zirgiem. Pieaugušo cilmes šūnu izmantošana pētījumos un terapijā nav tik strīdīgs, jo to iegūšanai un izmantošanai nav nepieciešama embrija iznīcināšana. Gadījumos, kad pieaugušo cilmes šūnas tiek iegūtas no saņēmēja risks, ka organismā tās tiks noraidītas būtībā neeksistē. Tādēļ ASV valdība ir finansējusi pieaugušo cilmes šūnu pētniecību.

Multipotentas cilmes šūnas ir atrodamas arī augļūdeņa šidrumā. Šīs cilmes šūnas ir ļoti aktīvas, tām ir raksturīga aktīva attīstība bez barotavas un tās nav tumorogēnas. Augļūdeņu cilmes šūnas šobrīd ir aktīvā izpētē. Izmantojot cilmes šūnas no augļūdeņa tiek pārvarētas ētikas normas un iebildumi par to, jo Romas katoļu baznīca ir aizliegusi izmantot embriju cilmes šūnas eksperimentāliem nolūkiem. Vatikāna laikrakstā „Osservatore Romano” augļūdeņu cilmes šūnas tiek sauktas par „nākotnes medicīnu”. Mūsdienās ir iespējams savākt un uzglabāt augļūdeņu šūnas no donoriem vai autologai lietošanai : Pirmā ASV augļūdeņu cilmes šūnu banka tika atvērta 2009. gada Medfordā, MA, to atvēra Biocell Center Corporation un tā sadarbojas ar dažādām slimnīcām un universitātēm visā pasaulē.

Lai cilmes šūnas pašas spētu nodrošināt pašatjaunošanos, tās iziet divu veidu dalīšanos (skat. Cilmes šūnu dalīšanās un diferenciācijas diagrammu). Simetriskā dalīšanās rada divas meitšūnas, kuras ir gan vienādas, gan apveltītas ar visām cilmes šūnas īpašībām. No otras puses, asimetriskais sadalījums rada tikai vienu cilmes šūnu un ierobežo tās pašatjaunošanās potenciālu. Cilmes šūnas var iet caur vairākkārtīgu šūnu dalīšanos pirms tās diferencējas par nobriedušu šūnu.

Cilmes šūnu terapijā tiek izmantotas cilmes šūna, lai ārstētu vai novērstu slimības. Kaulu smadzeņu transplantācija ir vienīgā transplantācijas forma, kas tiek plaši izmantota.

Lai tiktu veikta ārstēšana ar cilmes šūnu palīdzību varētu būt nepieciešams veikt imūnsupresiju (jālieto vielas, kas nomāc organisma imunitāti), jo pirms transplantācija tiek veikta radiācija, lai atbrīvotos no pacienta iepriekšējām šūnām vai, lai to imūnsistēma neiznīcinātu ievadītās cilmes šūnas. Pieeja, lai izvairītos no tā, ka imūnsistēma nepieņem jaunās cilmes šūnas ir izmantot cilmes šūnas no tā paša pacienta, kurš tiek ārstēts. Pluripotentas atsevišķas cilmes šūnu konkrētu veidu ir grūti iegūt, jo to populācija ir diverencēta nevienērīgi. Dažas cilmes šūnas pēc transplantācijas var veidot audzējus; pluripotentas šūnas ir saistītas ar audzēju veidošanos, jo īpaši embrija cilmes šūnas.

• Slimības un diagnozes, kad cilmes šūnu terapija tiek izmantota:
• Diabēts
• Reimatoīdais artrīts
• Parkinsona slimība
• Alcheimera slimība
• Osteoartrīts
• Insults un smadzeņu traumas
• Mācīšanās darba nespēja, kas radīti iedzimtu traucējumu iedarbībā
• Muguras smadzeņu trauma
• Sirds infarkts
• Pret vēža ārstēšana
• Plikpaurība
• Aizvietot trūkstošos zobus
• Uzlabo dzirdi
• Atjaunot redzi un kaitējumu radzenei
• Amiotrofiskā laterālā skleroze
• Krona slimība
• Brūču dzīšana
• Vīriešu neauglība jo nav spermatogonālo cilmes šūnu.

Pētījumi ir veikti, lai izstrādātu un attīstītu ārstēšanu ar cilmes šūnu palīdzību – neirodeģeneratīvās slimībs, diabēts, sirds slimības un citi apstākļi.