Kamieninės ląstelės (KL) pasižymi dvejomis unikaliomis  savybėmis, kurios išskiria jas tarp kitų organizmo ląstelių:

1. Gebėjimu atsinaujinti;
2. Gebėjimu virsti specializuotomis tam tikro tipo ląstelėmis (pvz., kaulų, raumenų, nervų ir kt.).

 Gebėjimas atsinaujinti (angl. self-renewal) padeda palaikyti KL populiaciją viso gyvenimo metu. Atsinaujinimas vyksta dalijantis KL. Šis dalijimasis gali būti asimetrinis, kai viena dukterinė ląstelė išlaiko motininės ląstelės požymius ir taip užtikrina KL populiacijos palaikymą, o kita dukterinė ląstelė pradeda virsti specializuota kokio nors audinio ląstele (diferencijuoti). Kitas KL dalijimosi būdas-stochastinė diferenciacija, kai dėl tam tikrų procesų, vienų KL dukterinės ląstelės virsta diferencijuotomis, o kitų paveldi KL požymius (Pav. Nr. 1).

 

Pav. Nr.1. Kamieninių ląstelių atsinaujinimas gali vykti dalijantis asimetriniu ar simetriniu (stochastinė diferenciacija) būdais. Šaltinis:  Shahriyari, Leili; Komarova, Natalia L. (2013): Symmetric and asymmetric stem cell divisions. Figure_1.tif. PLOS ONE. 10.1371/journal.pone.0076195.g001.

 

Skirtingi audiniai atsinaujina nevienodu greičiu. Pavyzdžiui, visas žmogaus žarnų epitelis atsinaujina per 2-3 dienas, o odos epidermis-per 4 savaites. Kiti audiniai atsinaujina lėčiau-plaučių epitelio ląstelės per 3-4 savaites; kraujo eritrocitų populiacija pakeičiama per 4 mėnesius, kaulų atsinaujinimo ciklas-apie 10 metų. Anksčiau manyta, kad specializuotos širdies audinio struktūros negali atsinaujinti. Naujausi duomenys patvirtina širdies audinio regeneraciją. Tiesa, šis procesas yra lėtas, vieni, mano, kad pilnai širdies audiniai atsinaujina kartą per 20 metų, kiti, kad, viso gyvenimo eigoje atsinaujina apie 50 % kardiomiocitų (specializuotų širdies raumens ląstelių). Žmogaus galvos smegenyse ląstelių atsinaujinimas vyksta tik dviejose srityse- šoninėse skilvelių sienelėse ir hipokampe (hippocampus).  Manoma, kad hipokampe vykstantys nervinio audinio atsinaujinimo procesai yra svarbūs mokymuisi, taip pat trumpalaikės ir ilgalaikės atminties formavimuisi. Šis atsinaujinimo procesas yra gana lėtas. Įdomu, kaip mokslininkai nustatė galvos smegenų ir širdies kamieninių ląstelių populiacijos atsinaujinimo greitį. Šiuo tikslu švedų mokslininkai tyrė ¹⁴C radioaktyvaus izotopo kiekį audiniuose (Cell, 153, 1219-1227). 1955-1963 metais vykdant antžeminius branduolinio ginklo bandymus dramatiškai išaugo  ¹⁴C radioizotopo kiekiai atmosferoje. ¹⁴C jungiasi su deguonimi, formuojasi CO₂, kurį pasisavina augalai fotosintezės proceso metu, o vėliau jais mintantys gyvūnai ir žmonės. Tokiu būdu  ¹⁴C koncentracija žmogaus audiniuose atitinka jo koncentraciją aplinkoje. Dalijantis ląstelėms, sintezuojant naujas DNR molekules,  ¹⁴C yra inkorporuojamas į grandines, taigi ¹⁴C kiekis naujose ląstelėse atspindi ¹⁴C kiekį, kuris tuo metu buvo aplinkoje.

Tokiu būdu, galima nustatyti, ar vyko tam tikros ląstelių populiacijos atsinaujinimas, bei nustatyti šio proceso greitį. Taip buvo parodyta, kad trečdalis žmogaus hipokampo neuronų geba atsinaujinti. Šis procesas yra gana intensyvus-per dieną atsiranda apie 1500 naujų hipokampo neuronų. Taip pat, buvo nustatyta, kad šiose žmogaus galvos smegenų srityse neurogenezė vyksta visą gyvenimą (tiesa, senatvėje šis procesas silpnėja). Analogiškai buvo įvertintas širdies raumens atsinaujinimo greitis (Science, 324, 98-102).

Diferenciacijos proceso metu ląstelės įgyja savybes, kurios yra būdingos brandžioms specializuotoms ląstelėms (pavyzdžiui, brandžios kepenų ląstelės pradeda gaminti ir sekretuoti albumino ir alfa 1 antitripsino baltymus, įvairius detoksikacijos procesams svarbius baltymus ir t.t.). Svarbu suprasti, kad organizme diferenciacijos procesas vyksta laipsniškai, pakopiškai.  Klasikinis pavyzdys-kraujodaros (hematopoezės) procesas (Pav. Nr. 2).

 

Pav. Nr. 2. Kraujodaros (hematopoezės) schema. Šaltinis: By A. Rad (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons

 

Matome, kad visų tipų kraujo ir imuninės sistemos ląstelės išsivysto iš vienintėlės hematopoetinės KL. Diferenciacijos procesas yra daugiapakopis, tiksliai reguliuojamas ir labai efektyvus procesas. Nustatyta, kad per dieną suaugusio žmogaus hemopoetinė sistema generuoja apie 10¹¹-10¹² naujų ląstelių. 

Istoriškai, pirmieji KL tyrimai buvo atlikti XX amžiaus septintajame dešimtmetyje, panaudojant kraujodaros sistemos eksperimentinį modelį. Kodėl pirmieji atradimai KL srityje buvo padaryti tiriant būtent  kraujodaros sistemą ? Pagrindinė priežastis-galimybė sąlyginai nesunkiai išskirti KL populiacijas iš kaulų čiulpų panaudojant limituojančio praskiedimo (angl. limiting dilution) ir funkcinius testus (gebėjimas atsatyti gyvūnų kraujodaros sistemą). Naudojant šią taktiką, pavyko atstatyti eksperimentinių gyvūnų kraujodarą transplantavus vienintelę hemopoetinę KL. Šie darbai daugeliu atvejų formavo dabartinį supratimą apie KL. Visų pirma, tai liečia KL ,,atsinaujinimo‘‘ (self-renewal) koncepciją, taip pat, hierarchinio, daugiapakopio KL diferencijacijos modelio įsigalėjimą (žr. Pav. Nr. 2). Tačiau, mūsų manymu, nereikėtų mechaniškai ekstrapoliuoti klasikinio hierarchinio kraujodaros modelio vykdant nehemopoetinės kilmės KL tyrimus.

 KL diferenciacijos potencialas nusako jos galimybes diferencijuoti į kitų tipų ląsteles.

 Totipotentinės ląstelės-ląstelės iš kurių gali išsivystyti pilnavertis organizmas. Tai zigota, atsiradusi po kiaušialąstės ir spermatozoido susiliejimo.

Pliuripotentinės ląstelės-geba diferencijuoti į visų tipų ląsteles. Geriausias pavyzdys-embrioninės kamieninės ląstelės (EKL), taip pat indukuojamos pliuripotentinės ląstelės (iPL).

Multipotentinės ląstelės-gali diferencijuoti į įvairių tipų susijusias (,,vienos šeimos‘‘) ląsteles. Geras pavyzdys-hematopoetinės KL, kurios diferencijuoja į visų tipų kraujo (bet ne kitų audinių) ląsteles. Kitas pavyzdys-nervinės kamieninės ląstelės (NKL), diferencijuoja į įvairių tipų neuronus ir glijos ląsteles ir t.t.

Oligopotentinės ląstelės-panašios į multipotentinės, tačiau diferenciacinis potencialas mažesnis. Pavyzdžiui, mieloidinės KL (žr. Pav. Nr. 2) gali diferencijuoti į visų tipų mieloidines, tačiau ne į limfoidines ląsteles.

 

Kamieninių ląstelių tipai

 Suaugusio organizmo (somatinės) kamieninės ląstelės

Šios kamieninės ląstelės palaiko ir atnaujina tą audinį, kuriame reziduoja. Šios ląstelės aptinkamos tiek suaugusių, tiek vaikų organizme. Tai hemopoetinės KL, NKL (žr. aukščiau), dantų pulpos kamieninės ląstelės ir kt. Dažniausiai šio tipo KL pasižymi multipotentiniu arba oligopotentiniu diferencijacijos potencialu.

 

EKL

EKL pirmą kartą buvo išskirtos 1981 metais iš pelių embrionų blastocistos vidinės ląstelių masės (VLM). Blastocista (Pav. Nr. 3) susiformuoja praėjus penkioms dienoms po apvaisinimo, išorinis jos sluoksnis – trofoblastas vėliau formuoja placentą. Blastocistos vidinė ertmė, blastocelė, yra užpildyta skysčiu.  Viename blastocelės poliuje telkiasi grupė ląstelių, vadinamų vidine ląstelių mase (VLM; angl. inner cell mass), iš kurios vėliau ir vystosi  gemalas. EKL išskiriamos iš VLM, gali būti kultivuojamos laboratorinėmis sąlygomis, mėgintuvėliuose (in vitro), šios ląstelės yra pliuripotentinės (žr. aukščiau).  

 

 Pav. Nr. 3. Blastocista. Rodyklė nukreipta į vidinę ląstelių masę. Šaltinis: Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Human_blastocyst.jpg#/media/File:Human_blastocyst.jpg

 

Pirmosios žmogaus EKL buvo išskirtos 1998 metais. Šiuo metu pasaulyje užregistruota daugiau nei 700 skirtingų EKL linijų. Išskiriant EKL vaisius žūva, todėl šis KL gavimo būdas yra etiškai nepriimtinas. Dabartiniu metu, atsiradus ląstelių perprogrmavimo technologijoms (žr. žemiau), EKL eksperimentinis modelis tampa mažiau aktualus. Tačiau būtina žinoti ir prisiminti, kad didžioji dalis mokslo žinių apie pliuripotentinių ląstelių funkcionavimą, jų diferencijavimą į įvairių tipų specializuotas ląsteles buvo gauta tyrinėjant būtent EKL.

Nepaisant didelio ažiotažo, pirmą kartą legaliai gydymo tikslams EKL buvo panaudotos tik 2012 metais. EKL buvo diferencijuojamos į tinklainės pigmentinio epitelio ląsteles ir persodintos Stargardt‘o makuline distrofija sergantiems pacientams. Pirma klinikinių tyrimų fazė pademonstravo šio terapijos būdo saugumą (Lancet, 379, 713-720).

 

iPL

Klasikiniai Gurdon eksperimentai parodė, kad suaugusio organizmo specializuotos (somatines) ląsteles saugo visą informaciją reikalingą  pilnaverčio organizmo išsivystymui. 1997 metais buvo klonuota avelė Doli, tai buvo pirmasis visavertis žinduolio reprodukcinio klonavimo pavyzdys. Nuo to laiko mokslininkai ieškojo faktorių, nulemiančių somatinių ląstelių perprogramavimą į pliuripotentinę būseną. 2006 metais Takahashi ir Yamanaka pirmą kartą sėkmingai perprogramavo fibroblastus į pliuripotentines ląsteles (iPL). Šiam tikslui buvo naudojamos tam tikros transkripcijos faktorių (baltymų reguliuojančių, kai kurių pliuripotentiškumo būseną palaikančių genų RNR sintezę) kombinacijos.

 

 

Pav. Nr. 4. iPL generavimas. Šaltinis: https://cyhsanatomy2.wikispaces.com/

 

Už šiuos tyrimus Gurdon ir Yamanaka 2012 metais gavo Nobelio premiją. iPL technologija padarė tikrą perversmą fundamentinės biologijos ir medicinos srityse. Dabartiniu metu galima sąlyginai paprastai generuoti pacientui specifiškas iPL linijas, jas diferencijuoti reikiama kryptimi. Atsižvelgus į praktinius aspektus galima išskirti kelis esminius iPL technologijos privalumus. Visų pirma, generuojant iPL yra naudojamos somatinės donorų ląstelės, nesunaikinamas embrionas, todėl ši technologija yra etiškai priimtina. Kitas svarbus privalumas – galima išskirti įvairiomis ligomis sergančių pacientų iPL ir jas panaudoti patologinių būklių modeliavimui (patofiziologinių mechanizmų tyrimai, vaistinių medžiagų tikrinimas ir kt.). Naudojant šias technologijas jau sukurti ir sėkmingai naudojami įvairių ligų eksperimentiniai in vitro modeliai.

 

Transdiferenciacija

Transdiferenciacijos metu brandžios diferencijuotos vieno gemalinio lapelio kilmės ląstelės įgauna požymius, kurie yra būdingi kito gemalinio lapelio kilmės diferencijuotoms ląstelėms. Pavyzdžiui, mezoderminės kilmės odos fibroblastai virsta ektoderminės kilmės dopaminerginiais neuronais. Šio proceso metu ląstelės negrižta į pliuripotentiškumo stadiją (kaip iPL atveju), tačiau iš karto ,,įjungia‘‘  kito tipo ląstelėms būdingas genų raiškos programas. Kaip ir iPL atveju, į somatines ląsteles įterpiamos tam tikros transkripcijos faktorių kombinacijos, kurios ir nulemia diferenciaciją reikiama kryptimi. Tokiu būdu buvo generuotos įvairių tipų nervinės, kasos, kepenų ir kitų tipų ląstelės. Tiesioginio transdiferencijavimo metodas yra sąlyginai naujas, trūksta žinių apie funkcinį transdiferencijuotų ląstelių pilnavertiškumą. Pagrindinis praktinis trūkumas-transdiferencijuotų ląstelių populiacijos (skirtingai nuo iPL ir EKL) greitai sensta.