În 1995, actorul Christopher Reeve (Superman), un călăreţ cu experienţă, a fost catapultat de pe calul său la pământ în timp ce participa la o competiţie. A aterizat în cap şi şi-a fracturat coloana vertebrală, măduva fiind zdrobită la ieşirea din craniu.
Astfel, Reeve a devenit sursa de inspiraţie pentru cercetările în domeniul celulelor stem, cu speranţa ca un grup de astfel de celule să fie implantate şi să repare unele probleme ale măduvei spinării.
Ce este însă o celulă stem?
Celula stem este o celulă care are capacitatea de a se diferenţia şi de a da naştere altor tipuri de celule (engl. stem = tulpină, deci mai multe celule diferite se pot forma dintr-o celulă stem). Astfel, celulele stem se pot dezvolta în celule mature care au forme şi funcţii caracteristice, precum celule ale inimii, pielii sau nervilor.
Celulele stem au proprietatea de a se divide, rezultând 2 celule stem identice, dar şi proprietatea de a se diferenţia în alte tipuri de celule.
Clasificarea celulelor stem
În funcţie de originea lor, celulele stem pot fi embrionare sau adulte. Celulele stem embrionare pot proveni de la embrioni, fetuşi sau de la embrioni clonaţi în laborator (o să vedem mai jos ce presupune clonarea terapeutică). Celulele stem adulte îşi au originea în organismul matur şi ajută la menţinerea şi repararea ţesuturilor în care se găsesc. Drept urmare, ele dau naştere în special celulelor precum cele din ţesutul din care provin.
În funcţie de tipurile de celule care se pot dezvolta dintr-o celulă stem, acestea din urmă se pot clasifica în: celule stem totipotente, celule stem pluripotente şi celule stem unipotente.
Astfel, după ce spermatozoidul se uneşte cu ovulul şi rezultă celula-ou sau zigotul, aceasta se numeşte totipotentă, adică are potenţialul de a genera toate tipurile de celule şi ţesuturi ce vor forma embrionul. La mamifere, doar zigotul şi celulele ce rezultă din următoarele câteva diviziuni au capacitatea de a genera toate tipurile de celule. După a cincea zi de la fecundare, celulele ce alcătuiesc embrionul sunt pluripotente. Celulele stem unipotente sunt celule capabile să se diferenţieze doar pe o singură linie; ele se găsesc la adulţi şi au rol în procesele de reparaţie.
În poză sunt reprezentate primele stadii ale dezvoltării embrionului uman. Fertilizarea (unirea dintre spermatozoid şi ovul) are loc în treimea externă a trompei uterine. În urma fertilizării, rezulta celula ou sau zigot, care pe măsură ce se deplasează spre uter, începe de asemenea să se divizeze. După primele 2-3 zile de la fertilizare, embrionul se prezintă sub forma unei aglomerări de celule, stadiu care se numeşte morulă (embrionul seamănă mai mult cu o mură, sau cu o minge de golf, alcătuit cam din 50 de celule). După aceasta, celulele se vor organiza în 2 straturi (în acest stadiu embrionul se numeşte blastocist): unul extern care se numeşte trofoblast, din care se va forma placenta, şi un strat intern, masa de celule internă, din care se vor dezvolta structurile corpului. Prelevarea de celule stem are loc în această fază, şi din această masă de celule internă.
Observaţie: tocmai de aceea celulele stem de după a 5-a zi sunt pluripotente şi nu totipotente, pentru că ele nu se pot diferenţia şi în celulele stratului extern al blastocistului care va forma placenta. Deci, o celulă luată din masa internă nu este capabilă să se dezvolte într-o altă fiinţă umană. În a 7-a zi, blastocistul se va implanta la nivelul uterului.
Blastocistul e alcătuit din celule dispuse in două straturi: unul exterior din care se va forma placenta şi unul interior, masa de celule internă, din care sunt recoltate celulele stem.
În poza de mai sus sunt reprezentate mai clar primele stadii de dezvoltare embrionară. Blastocistul e alcătuit din celule dispuse în două straturi: unul exterior din care se va forma placenta şi unul interior, masa de celule internă, din care sunt recoltate celulele stem.
De ce sunt importante celulele stem?
Ei bine, ele sunt iportante tocmai datorită faptului că sunt celule nespecializate şi deci nu au nici o funcţie specifică unui organ anume. În anumite condiţii însă, celulele stem pot fi induse să se transforme în celule cu funcţii speciale, precum celulele cardiace sau celulele producătoare de insulină din pancreas. Astfel că, celulele stem au devenit speranţa a milioane de persoane care suferă de diferite boli. Doar în SUA, 16 milioane de oameni (incluzând sute de mii de copii) suferă de diabet. Peste 4,5 milioane au Parkinson, peste 5,5 milioane au boala Alzheimer şi aproape 5 milioane au insuficienţă cardiacă. Însă toate aceste cifre nu pot descrie imensa suferinţă a unui copil afectat de diabet zaharat de tip I care într-un final îşi va putea pierde vederea sau membrele, sau suferinţa unei mame ce nu-şi poate recunoaşte copilui din cauza bolii Alzheimer.
Cum s-a ajuns la descoperirea celulelor stem?
Încă din antichitate, filosofi precum Anaxagora sau Empedocle, membrii ai şcolii pitagoreice, credeau că urmaşii rezultă din unirea unor seminţe de la părinţi.
Aristotel a propus 2 modele de dezvoltare: în primul, un individ în miniatură e ar fi prezent în corpul mamei şi începe să crească atunci când e stimulat în mod adecvat. Cea de-a doua teorie propune ca embrionul începe ca o masă nediferenţiată apoi noi părţi sunt adăugate în timpul dezvoltării. Această a 2-a teorie a lui Aristotel constituie de altfel un concept rudimentar despre celulele stem.
Hipocrate, părintele medicinii, şi mai târziu Galen au intuit că seminţele de la ambele sexe contribuie la formarea copilului.
În evul mediu, puţine informaţii au fost aduse în domeniul medicinei. Apoi, odată cu descoperirea microscopului de către olandezul Anton van Leeuwehoek, lucrurile au început să fie mai clare. Cercetători precum Karl Ernst von Baer sau Edouard van Beneden au descris în detaliu primele faze în dezvoltarea embrionilor la diferite animale.
Descoperirea ADN-ului din a doua jumătate a sec.XX (1953) a dus la o şi mai mare apropiere de ideea de celulă stem.
O altă idee ce a dus la descoperirea celulelor stem a fost observarea faptului că multe animale (şopârle, salamandre) sunt capabile să îşi regenereze diferite părţi ale corpului atunci când acestea sunt distruse.
Studiul teratoamelor au dus de asemeni la speculaţii despre celulele stem. Teratomul este o tumoare alcătuită din celule străine de locul în care se dezvoltă. Astfel se poate dezvolta ţesut respirator în testicule de exemplu, sau dinţi, păr în ovare (greacă teratos=monstru). În imaginea de mai jos vedem un ovar secţionat, în interiorul căruia s-a dezvoltat un dinte. Pe la mijlocul sec.XX, oamenii de ştiinţă, observând diferite teratoame, s-au gândit că acestea trebuie să provină din acelaşi tip de celule din care se formează şi ţesuturile normale din jur (ovarian, testicular), deci celulele testiculare de exemplu, şi dinţii provin din acelaşi tip de celule, au un strămoş comun.
Celulele stem după 1990
Izolarea celulelor stem embrionare s-a întâmplat simultan în două laboratoare: o echipă de la Universitatea de Medicină John Hopkins din Baltimore, SUA, au cultivat celule stem de la fetuşi avortaţi; o a doua echipă, de la Centrul de Cercetare al Primatelor Wisconsin au utilizat resturi de blastocişti de la clinicile de fertilizare in vitro.
Echipa de la Universitatea de Medicină John Hopkins din Baltimore a fost condusă de John Gerhart. Ei au prelevat celule germinale (cele care prin diviziuni succesive vor duce la formarea spermatozoizilor sau ovulelor) din gonadele fetuşilor avortaţi, iar în noiembrie 1998 au anunţat că au reuşit să inducă multiplicarea acelor celule care s-au dezvoltat până la stadiul de blastocist.
În paralel, James Thomson şi echipa sa de la Centrul de Cercetare al Primatelor din Wisconsin au reuşit să izoleze celule stem embrionare umane. Ei au anunţat acest lucru pe 6 noiembrie 1998. Pentru aceasta au utilizat resturi de blastocişti de la clinicile de fertilizare in vitro.
Cultivarea celulelor stem
1. Surse de celule stem:
-din măduva osoasă: se pot diferenţia în toate tipurile de celule sangvine, celule ce alcătuiesc pereţii vasculari ori celule ale inimii.
-din sângele periferic de la adulţi: în cel epiteliale ale tubului digestiv şi pielii.
-celule stem embrionare: pot da orice tip de celula.
-din lichidul amniotic, din cordonul ombilical, din muşchi.
-prin clonare terapeutica. Clonarea terapeutică reprezintă dezvoltarea embrionilor pentru a fi utilizaţi în tratamentul bolilor. Metoda presupune ca informaţia genetică a unei celule somatice (de exemplu, o celulă din piele) să fie transferată într-un ovul din care ADN-ul a fost eliminat. Când ovulul e pus într-un mediu de cultură, începe să se multiplice, iar când atinge stadiul de blastocist, cercetătorii izolează şi cultivă celulele stem din masa interioară.Clonarea terapeutică e diferită de clonarea reproductivă, care ar presupune plasarea ovulului clonat într-un uter.
2. Creşterea şi menţinerea celulelor: celulele care cresc în laborator se numesc culturi celulare. Cultivarea celulelor stem presupune în mare 3 etape: recoltarea din sursele mai sus menţionate, multiplicarea lor fără însă a le induce să se diferenţieze, iar în final, când avem destule celule cât să ne ajungă, se stimulează cu diferiţi factori de creştere pentru a se diferenţia pe linia dorită.
Odată recoltate, celulele trebuie menţinute în condiţii speciale, în medii sterile. Mediile de cultură constau în celule embrionare de la şoareci. Motivul pentru care sunt necesare aceste celule de la şoareci este pentru a oferi celulelor umane un mediu lipicios şi care să ofere nutrienţi. Însă mediile de cultură cu celule de la şoareci sunt o problemă pentru că ele pot fi sursa unor infecţii virale sau altor microorganisme. Recent însă s-au dezvoltat alte medii de cultură formate din material proteic (martie 2005, Robert Lanza).
În cursul următoarelor zile, celulele embrionare încep să prolifereze. Ele pot prolifera astfel multe luni de zile, fără să se diferenţieze.
După ce sunt recoltate, celulele stem sunt multiplicate pe diferite medii de cultură, apoi în prezenţa factorilor de creştere, se vor diferenţia spre linia care ne interesează.
După ce celulele stem sunt înmulţite, ele trebuie determinate să se diferenţieze într-un anumit tip de celule de care avem nevoie. Acest lucru se întâmplă dacă expunem celulele la anumiţi factori de creştere, hormoni etc.
Mulţi factori de creştere sunt proteine ce se leagă de anumiţi receptori celulari acţionând ca o enzimă ce poate fosforila sau activa alte proteine. Fosforilarea este un proces ce funcţionează ca un comutator către alte procese. Astfel, celulele embrionare pot produce celule epiteliale sau neuroni dacă sunt expuse la EGF (epidermal growth factor) sau NGF (nerv growth factor), pot produce os, cartilaj, muşchi netezi şi striaţi în prezenţa LIF (factor inhibitor leucemic), pot produce celule adipoase în prezenţa TGF (transforming growth factor).
Până în prezent, mai multe realizări au fost înfăptuite în domeniul celulelor stem. Astfel, anul acesta la Barcelona, s-a realizat primul transplant de trahee „confecţionată” din celule stem. O femeie de origine columbiană, care suferea de tuberculoză, a beneficiat de acest transplant. Celule stem ale pacientei au fost stimulate să se dezvolte pe un schelet reprezentat de o trahee prelevată de la un pacient decedat, care a fost în prealabil tratată cu diferite enzime şi detergenţi pentru a se elimina celulele originale pe care le conţinea.
Traheea este un segment al sistemului respirator, situat între laringe şi bronhii.
Tot anul acesta, nişte cercetători din SUA au reuşit să diferenţieze celule stem în celule retiniene, într-un studiu realizat pe broaşte. Iar mormolocii a căror retine au fost construite din celule stem chiar îşi puteau folosi ochii, deci celulele retiniene au fost funcţionale, rezultatele fiind promiţătoare pentru realizarea aceluiaşi lucru şi la oameni.
Globul ocular. Retina
În Kobe, Japonia, cercetătorii au obţinut ţesut cerebral uman din celule stem. Experimentele realizate pe şoareci au demonstrat că neuronii formează o reţea funcţională, ce răspunde corect la diverşi stimuli. Astfel, în viitor, boli precum Parkinson sau Alzheimer nu vor mai fi fără tratament.
La Universitatea din Newcastle, Marea Britanie, au fost realizaţi primii embrioni hibrizi om-animal. Astfel, nucleul unui ovul de vacă a fost eliminat şi înlocuit cu ADN uman. Embrionii rezultaţi au supravieţuit până la 6 zile. Această realizare va duce la o mai bună cercetare a celulelor stem, având în vedere că ovulele umane sunt mai greu de obţinut decât cele de la vacă.
Tot în Marea Britanie, cercetătorii au reuşit să refacă un menisc rupt. Ei au acoperit o proteză cu celule stem provenite din măduva osoasă a pacientului pe care au implantat-o apoi la nivelul cartilajului din care e alcătuit meniscul. Celulele stem s-au sudat pe cele două margini ale leziunii şi au acţionat în vederea reîntregirii ţesutului.
Meniscul e o lamă de ţesut cartilaginos interpus între cele 2 oase ale articulaţiei genunchiului (femur şi tibia), cu rolul de a înlesni alunecarea dintre ele dar şi de a absorbi şocul dintre cele 2 părţi ale membrului inferior (coapsă şi gambă).
Şi în România s-au deschis bănci de celule stem. Astfel, orice nou-născut va putea beneficia în viitor de celulele stem prelevate la naştere din cordonul ombilical şi prezervate până atunci când va avea nevoie de ele, dacă va avea. Sângele cordonului ombilical e o bogată sursă de celule stem spre deosebire de măduva osoasă, colectarea din cordonul ombilical e non-invazivă, nedureroasă, mai puţin costisitoare şi relativ simplu de efectuat, iar celulele stem din acest sânge au o mai mare plasticitate, adică se pot diferenţia pe mai multe linii (spre deosebire de celulele stem din măduva osoasă).
În prezent, numeroase transplanturi de celule stem adulte se efectuează în diferite clinici din lume (China, Germania etc) în încercarea de a vindeca leucemii sau leziuni ale maduvei spinării, fără însă să se obţină nişte rezultate prea spectaculoase.
Speranţe pentru viitor
În viitor, numeroase boli care astăzi nu beneficiază de un tratament curativ, vor putea fi tratate cu ajutorul celulelor stem.
Boala Alzheimer afectează 5.5 milioane de persoane numai în SUA. Ea a fost descrisă de către Alois Alzheimer în 1907 la un pacient care avea o pierdere progresivă a memoriei şi limbajului, precum şi incapacitatea de a-şi recunoaşte prietenii. Când pacientul a murit, a studiat creierul său şi a descoperit o mare masă de neuroni distruşi. Au fost descoperite 3 gene care sunt implicate în această boală.
Experimentele realizate pe şoareci cu Alzheimer au arătat că celulele stem ce au fost injectate în creier pot produce neuroni funcţionali în zonele lezate.
Boala Parkinson a fost descrisă în 1817 de James Parkinson; el a observat că oamenii afectaţi au mai ales peste 50 de ani şi îşi pierd progresiv controlul motor. Mâinile încep să tremure, membrele devin rigide, faţa e inexpresivă, mersul e dificil. Această boală se datorează degenerării unor neuroni producători de dopamină dintr-o regiune a trunchiului cerebral (substanţa neagră) ce coordonează activitatea motorie.
Studiile pe şoareci au arătat că celulele stem injectate în creier pot produce neuroni producători de dopamină, iar unele manifestări ale bolii la şoareci s-au redus.
Boala Parkinson afectează peste 4.5 milioane de oameni în SUA.
Alte afecţiuni ale sistemului nervos ce vor putea beneficia de pe urma tratamentului cu celule stem: AVC (accident vascular cerebral), SLA (scleroza laterală amiotrofică: duce la slăbiciune progresivă, pierderea muşchilor, din cauza pierderii progresive a neuronilor motori), leziuni ale măduvei spinării, boli ale ochilor şi urechilor (surditate, boli ce afectează retina şi duc la orbire).
Bolile de sânge de asemenea vor putea beneficia de tratament cu celule stem. În prezent, leucemiile beneficiază deja de tratament cu celule stem adulte. Tratamentul standard implică radioterapia şi chemoterapia (pentru a omorî celulele canceroase), apoi transplant de măduvă. Celulele stem izolate din măduva pacientului afectat pot fi induse să se diferenţieze în leucocite normale.
Deficitele imune se caracterizează prin absenţa sau scăderea numărului unor celule ce alcătuiesc sistemul imun ( neutrofile, monocite-macrofage, limfocite B sau T). Aceşti pacienţi sunt foarte susceptibili la infecţii. Un exemplu celebru de astfel de bolnav este David Bubble Boy, un copil care s-a născut cu imunodeficienţă severă combinată, şi care decedat la vârsta de 12 ani, până atunci trăind doar într-o cameră cu pereţi de sticlă, sterilă, pentru a se feri de microorganismele care ne înconjoară pretutindeni.
Diabetul zaharat este o boală complexă ce se caracterizează printr-o lipsă a secreţiei de insulină, ceea ce duce la imposibilitatea organismului de a utiliza glucoza. Anual, numai în SUA mor aproximativ 500.000 de oameni din cauza acestei boli. Cum insulina este produsă de nişte celule din pancreas, celulele stem vor putea fi diferenţiate în aceste celule producătoare de insulină pentru a trata pacienţii cu diabet.
Probleme legate de etică
Cercetările celulelor stem sunt însă îngreunate de unele probleme de natură etică, ce apar tocmai pentru că obţinerea lor presupune sacrificarea embrionilor. Se pune astfel întrebarea : când un embrion poate fi considerat o fiinţă umană?
Un embrion de câteva zile are 100-200 de celule. În schimb, creierul unei muşte conţine sute de mii de celule. Iar dacă nouă ne pasă de suferinţă, e mai degrabă evident să fim mai mult îngrijoraţi de uciderea muştelor decât a unui embrion de 3 zile. Acest lucru pare foarte provocator, dar nu este aşa dacă ne uităm la detalii. Se poate spune că un embrion de 3 zile e diferit de o muscă pentru că e o potenţială fiinţă umană. Însă ce ne facem când ne scărpinăm în nas şi automat distrugem o mulţime de celule, celule care în prezent şi ele pot fi potenţiale fiinţe umane.
Pentru a evita problemele ce ţin de etică, s-au făcut următoarele propuneri:
- clonarea folosind celule din piele. Însă în prealabil, una sau mai multe gene care controlează dezvoltarea ordonată a embrionului ar fi inactivate. Astfel s-ar forma o masă de celule dezvoltate cu totul dezorganizat, care ar putea fi folosite mai departe ca celule stem, dar care nu ar putea fi considerate un embrion.
- utilizarea doar a embrionilor neviabili, situaţie asemănătoare cu cea în care organe de la persoane care tocmai au murit pot fi transplantate şi astfel reutilizate. Problema este cum se determină când un embrion nu mai este viabil.
- partenogeneza e procesul prin care un ovul nefecundat e stimulat chimic sau electric să se dezvolte către stadiul de blastocist. Acest lucru se întâmplă în mod natural la unele specii de insecte, broaşte, peşti, şopârle care se pot reproduce prin partenogeneză. Astfel, un blastocist rezultat prin acest mecanism nu ar fi un embrion, dar ar putea oferi celule stem, celule care însă nu ştim dacă ar fi folositoare, funcţionale.{jcomments on}
