همه چیز در مورد سلول های بنیادی (سلول بنیادی چیست؟ انواع و اهمیت آنها)

ویژگی اصلی سلول های بنیادی این است که این سلول‌ها پتانسیل قابل توجهی در تجدید و نوسازی خود دارند. این نوع سلول‌ها می‌توانند در طول زندگی و رشدشان به انواع مختلفی از سلول‌های بدن تبدیل شوند. محققان، انواع مختلفی از سلول های بنیادی را مورد مطالعه و بررسی قرار داده‌اند. چند دسته‌ی اصلی از سلول های بنیادی وجود دارد:

• سلول‌های بنیادی «پرتوان (pluripotent)» (مانند سلول‌های بنیادی جنینی و سلول‌های بنیادی پرتوان القایی)
• سلول‌های بنیادی غیرجنینی یا سوماتیک (somatic) که معمولاً سلول‌های بنیادی «بالغ» نیز نامیده می‌شوند.

سلول‌های بنیادی پرتوان توانایی تبدیل شدن به تمام سلول های بدن را دارند. سلول‌های بنیادی بالغ در یک بافت یا اندام خاصی یافت می‌شوند و می‌توانند به انواع سلول‌های خاصی از همان بافت یا اندام تمایز یابند (تقسیم شوند).

سلول های بنیادی پرتوان

جنین پستانداران در مرحله بلاستوسیست (blastocyst) حاوی دو نوع سلول هستند – سلول‌هایی به نام توده سلولی داخلی (inner cell mass) و سلول‌های تروفکتودرم (trophectoderm).

سلول‌های تروفکتودرمی در بافت جفت مشارکت دارند. توده سلولی داخلی در نهایت به انواع سلول‌های تخصصی بافت‌ها و اندام‌های کل بدن تبدیل می‌شود.

مطالعات قبلی و ابتدایی این حوزه که روی جنین موش انجام می‌شد در سال ۱۹۹۸ منجر به توسعه روشی برای استخراج سلول‌های بنیادی از توده سلولی داخلی جنین انسان قبل از لانه‌گزینی و رشد سلول‌های بنیادی جنینی انسان ( hESCs مخفف human embryonic stem cells ) در آزمایشگاه شد.

در سال ۲۰۰۶، محققان شرایطی را شناسایی کردند که به برخی از سلول‌های بالغ انسان‌های (بالغ) اجازه می‌دهد تا به حالتی شبیه به سلول‌های بنیادی جنینی، از نو برنامه‌ریزی شوند. این سلول‌های بنیادی از نو برنامه‌ریزی‌شده، سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPSCs مخفف induced pluripotent stem cells ) نامیده می‌شوند.

سلول های بنیادی بالغ

در طول زندگی هر موجود زنده، جمعیت سلول‌های بنیادی بالغ به مثابه یک سیستم ترمیم داخلی عمل می‌کنند که برای سلول‌هایی که در اثر فرسودگی طبیعی، آسیب یا بیماری از بین می‌روند جایگزین‌هایی را ایجاد می‌کنند.

سلول‌های بنیادی بالغ در بسیاری از اندام‌ها و بافت‌ها شناسایی شده‌اند و به‌طور کلی با مکان‌های آناتومیکی خاصی مرتبط هستند. این سلول‌های بنیادی ممکن است برای مدت طولانی غیرفعال (بدون تقسیم) بمانند تا زمانی که با نیاز طبیعی به وجود سلول‌های بیشتر برای نگهداری و ترمیم بافت‌ها فعال شوند.

Photo by Anna Shvets from Pexels

خواص منحصربه‌فرد همه‌ی انواع سلول های بنیادی چیست؟

سلول‌های بنیادی توانایی‌های منحصربه‌فردی برای خودنوسازی و بازسازی بافت‌ها دارند.

توانایی خودنوسازی سلول های بنیادی

برخلاف سلول‌های ماهیچه‌ای، سلول‌های خونی یا سلول‌های عصبی – که معمولاً تکثیر نمی‌شوند – سلول‌های بنیادی می‌تواند بارها تکثیر شوند. وقتی یک سلول بنیادی تقسیم می‌شود، ممکن است دو سلول به نام سلول دختر (daughter cell) در چند حالت ایجاد شود:

1. هر دو سلول بنیادی باشند
2. یک سلول بنیادی و یک سلول تمایز‌یافته‌ باشد
3. هر دو سلول‌های تمایزیافته‌ باشند.

چیزی که در یک بافت مشخص باعث کنترل تعادل این سلول‌ها می‌شود تا تعداد آن‌ها را در یک سطح مناسبی نگه دارد، هنوز به‌خوبی شناخته نشده است.

کشف مکانیسم پشت خودنوسازی این سلول‌ها می‌تواند در درک اینکه سرنوشت سلول‌ها (ی بنیادی در مقایسه با سلولهای غیربنیادی) در طول رشد طبیعی جنینی و پس از زایمان چگونه تنظیم می‌شود، یا این تنظیمات چگونه در طول پیری یا پیشرفت سرطان مختل می‌شود، کمک‌کننده باشد.

چنین اطلاعاتی می‌تواند دانشمندان را قادر سازد تا سلول‌های بنیادی را به‌طور موثرتری در آزمایشگاه رشد دهند. عوامل و شرایط خاصی که به سلول‌های بنیادی پرتوان اجازه می‌دهد تمایزنیافته باقی بمانند مورد توجه دانشمندان هستند.

سال‌ها آزمون و خطا طول کشیده است تا یاد بگیریم و بتوانیم سلول‌های بنیادی پرتوان را در آزمایشگاه – بدون اینکه این سلول‌ها خودبه‌خود به انواع سلول‌های خاصی تبدیل شوند- بسازیم و نگهداری کنیم.

سلول‌های بنیادی تمایزنیافته (undifferentiated stem cell) سلول‌هایی هستند که هنوز به سلول‌هایی با ویژگی‌های خاص (مانند سلول‌های پوست سلول‌هاس عضلات) تبدیل نشده‌اند.

توانایی بازسازی بافت‌های عملکردی سلول‌های بنیادی

سلول های بنیادی پرتوان، تمایزنیافته هستند; این سلول‌ها هیچ ویژگی بافتی خاصی (مانند مورفولوژی یا الگوی بیان ژن) را ندارند که به آنها امکان انجام عملکردهای تخصصی را بدهد. با این حال می‌توانند تمام سلول‌های بدن مانند سلول‌های ماهیچه قلب، سلول‌های خونی و سلول‌های عصبی را ایجاد کنند.

از سوی دیگر، سلول های بنیادی بالغ برای تولید انواع سلول‌های تخصصی بافت یا اندامی که در آن زندگی می‌کنند، تمایز می‌یابند و می‌توانند ویژگی‌های مورفولوژیکی و الگوهای بیان ژنی که منعکس‌کننده آن بافت هستند را داشته باشند.

انواع مختلف سلول‌های بنیادی درجات مختلفی از قدرت را دارند. یعنی تعداد انواع سلول‌های مختلفی که می‌توانند تشکیل دهند متفاوت است. سلول در حین تمایز، معمولاً چند مرحله را طی می‌کند و در هر مرحله تخصصی‌تر می‌شود. دانشمندان به درک سیگنال‌هایی رسیده‌اند که هر مرحله خاص از فرآیند تمایز را آغاز می‌کنند.

سیگنال‌های فرآیند تمایز سلولی شامل عوامل ترشح‌شده توسط سلول‌های دیگر، تماس فیزیکی با سلول‌های همسایه و وجود مولکول‌های خاص در ریزمحیط انجام فرآیند می‌باشد.

سلول‌های بنیادی چگونه در محیط آزمایشگاه کشت می‌شوند؟

سلول‌های بنیادی چگونه در آزمایشگاه رشد می‌کنند؟

رشد سلول‌ها در آزمایشگاه با عنوان “کشت سلولی” شناخته می‌شود. سلول‌های بنیادی می‌توانند در محیط‌های آزمایشگاهی در یک ظرف کشت که حاوی یک مایع مغذی معروف به محیط کشت است و برای رشد انواع مختلف سلول‌های بنیادی بهینه شده است، تکثیر شوند. بیشتر سلول‌های بنیادی در سطح ظرف متصل، تقسیم و پخش می‌شوند.

با تقسیم سلول‌ها ظرف کشت شلوغ می شود، بنابراین ظرف در فرآیندی به نام کشت فرعی (یا ریزکشت subculturing) باید مجدداً اصلاح شود. فرآیند ریزکشت به‌طور دوره‌ای در طول چند ماه تکرار می‌شود. هر چرخه‌ی ریزکشت، «پاساژ (passage)» نامیده می‌شود.

سلول‌های اصلی می‌توانند میلیون‌ها سلول بنیادی تولید کنند. در هر مرحله از فرآیند کشت سلولی، دسته‌هایی از سلول‌ها را می‌توان منجمد کرد و برای کشت و آزمایش بیشتر به آزمایشگاه‌های دیگر فرستاد.

Photo by Anna Shvets from Pexels

چگونه می‌توان سلول‌های معمولی را برای ساخت سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPSC) “بازبرنامه‌ریزی” کرد؟

سلول‌های تمایزیافته، مانند سلول‌های پوست، می‌توانند دوباره برنامه‌ریزی شوند و به حالت پرتوان برگردند. برنامه‌ریزی مجدد طی چند هفته با بیان اجباری ژن‌هایی که به عنوان تنظیم‌کننده اصلی پرتوانی شناخته می‌شوند، به دست می‌آید. در پایان این فرآیند، این تنظیم‌کننده‌های اصلی، بیان یک شبکه کامل از ژن‌ها را بازسازی خواهند کرد.

ویژگی‌های سلول‌های تمایزیافته با موارد مرتبط با حالت پرتوان جایگزین می‌شوند و اساساً روند توسعه‌ی سلول را معکوس می‌کنند.

سلول‌های بنیادی چگونه برای فرآیند تمایز تحریک می‌شوند؟

تا زمانی که سلول‌های بنیادی پرتوان در شرایط مناسب در محیط کشت رشد کنند، می‌توانند تمایزنیافته باقی بمانند. برای کشت انواع خاصی از سلول‌های تمایزیافته، ممکن است دانشمندان ترکیب شیمیایی محیط کشت را تغییر دهند، سطح ظرف کشت را تغییر دهند، یا سلول‌ها را با اجبار بیان ژن‌های خاصی اصلاح کنند.

دانشمندان طی سال‌ها آزمایش، برخی پروتکل‌های اساسی یا «دستورالعمل‌هایی» را برای تمایز سلول‌های بنیادی پرتوان به برخی از انواع سلول‌های خاص ایجاد کرده‌اند.

برای شناسایی سلول‌های بنیادی از چه آزمایش‌های استفاده می‌شود؟

در نقاط مختلفی از فرآیند تولید سلول‌های بنیادی، دانشمندان سلول‌ها را آزمایش می‌کنند تا ببینند آیا این سلول‌ها ویژگی‌های اساسی سلول‌های بنیادی را دارند یا خیر. این آزمایشات می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• بررسی بیان ژن‌های متعددی که نشان داده شده است برای عملکرد سلول‌های بنیادی مهم هستند.
• بررسی نرخ تولید
• بررسی یکپارچگی ژنوم با بررسی کروموزوم‌های سلول‌های انتخاب‌شده
• بررسی پتانسیل تمایز سلول‌ها با حذف سیگنال‌هایی که سلول‌ها را در حالت تمایزنیافته نگه می‌دارد، که باعث تمایز خود‌به‌خودی سلول‌های بنیادی پرتوان می‌شود، یا با افزودن سیگنال‌هایی که سلول‌های بنیادی بالغ را وادار به تمایز به فنوتیپ‌های سلولی مناسب می‌کند.

چگونه از سلول‌های بنیادی در تحقیقات و درمان‌های زیست‌پزشکی استفاده می‌شود؟

با توجه به توانایی‌های بازسازی‌کننده‌ی منحصربه‌فرد سلول‌های بنیادی، روش‌های زیادی وجود دارد که این سلول‌ها در تحقیقات زیست‌پزشکی و توسعه انواع درمان‌ها مورد استفاده قرار گیرند.

درک بیولوژی بیماری و آزمایش داروها

دانشمندان می‌توانند از سلول‌های بنیادی برای یادگیری بیشتر درمورد زیست‌شناسی بدن انسان و توسعه روش‌های درمانی استفاده کنند. درک بهتر سیگنال‌های ژنتیکی و مولکولی که تقسیم سلولی، تخصص و تمایز سلول‌های بنیادی را تنظیم می‌کنند، می‌تواند درمورد چگونگی ایجاد بیماری‌ها اطلاعاتی به دست دهد و استراتژی‌های جدیدی را برای درمان پیشنهاد کند.

دانشمندان می‌توانند از سلول‌های بنیادی پرتوان القایی (iPSC) ساخته شده از یک بیمار استفاده کنند و برای مطالعه‌ی نتایج شخصی‌سازی شده‌ی سلول‌های آن بیمار و آزمایش داروها آن‌ها را برای ایجاد “ارگانوئید” (مدل های کوچک اندام‌ها) یا تراشه‌های بافتی، متمایز کنند.

درمان‌هایی مبتنی بر سلول

یک کاربرد بالقوه مهم مطالعات سلول‌های بنیادی، تولید سلول‌ها و بافت‌ها در درمان‌های مبتنی بر سلول است که مهندسی بافت نیز نامیده می‌شود. نیاز فعلی جوامع بشری به بافت‌ها و اندام‌های قابل‌پیوند بسیار بیشتر از عرضه در این حوزه است. سلول‌های بنیادی امکان ایجاد یک منبع تجدید‌پذیر را فراهم می‌کنند.

به‌طور معمول در هر بافت تعداد بسیار کمی از سلول‌های بنیادی بالغ وجود دارد، و پس از خارج شدن از بدن، ظرفیت آن‌ها برای تقسیم محدود می‌شود و تولید تعداد زیادی از سلول‌های بنیادی بالغ را برای درمان دشوار می‌کند. از طرف دیگر، سلول‌های بنیادی پرتوان از نظر مواد اولیه و پتانسیل تجدید، کمتر محدود هستند.

برای تحقق وعده‌های درمانی در حوزه استفاده از سلول‌های بنیادی در درمان بیماری، دانشمندان باید بتوانند سلول‌های بنیادی را طوری دستکاری کنند که ویژگی‌های لازم برای تمایز و پیوند موفقیت‌آمیز را داشته باشند. دانشمندان همچنین باید روش‌هایی را برای تجویز گرو‌ه‌های سلول‌های بنیادی، القای عروق (تامین عروق خونی) و بازسازی و ترمیم بافت‌ها توسعه دهند.

برای اینکه سلول‌های بنیادی، مناسب اهداف پیوند شوند، باید به صورت تکرارپذیر قابلیت‌هایی را داشته باشند:

• به‌طور گسترده‌ای تکثیر شوند و برای جایگزینی بافت‌های از دست رفته یا آسیب‌دیده، سلول‌های کافی تولید کنند.
• به نوع(های) سلول مورد نظر تمایز پیدا کنند.
• پس از پیوند در عضو گیرنده زنده بمانند.
• پس از پیوند با بافت اطرافشان ادغام شوند.
• از طرد شدن توسط سیستم ایمنی در امان بمانند.
• در طول عمر سیستم گیرنده عملکرد مناسبی داشته باشند.

اگرچه سلول‌های بنیادی نویدهای پرشوری را برای درمان‌های آتی ارائه می‌دهند اما موانع فنی قابل‌توجهی پیش روی دانشمندان وجود دارد که احتمالاً تنها با سال‌ها تحقیق فشرده برطرف می‌شوند.

ترجمه اختصاصی توسط مجله قرمز

منبع:

National Institutes of Health (NIH), Stem Cell Basics