يکي از يافته هاي جديد علم پزشکي شناسايي و جدا کردن نوع جديدي از سلول ها در داخل بدن پستانداران ، به نام سلول هاي بنيادي است که به دليل داشتن پتانسيل هاي بالا در زمينه تقسيم شدن ، تمايز به سلول هاي تخصصي بدن و نيز توانايي ان ها در ترميم بافتي بسيار مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند. به همين منظور بر آن شديم تا در يک سري مقالات به معرفي اين سلول ها و ارائه اخرين اخبار در مورد ان ها بپردازيم.سلول بنيادي يکي ازسحر آميز ترين مسا ئل زيست شناشي امروز است.
اين سلول داراي دو ويژگي مهم است که آن را ازانواع ساير سلولها متمايز ساخته است. اول اينکه اين سلول، سلول تمايز نيافته اي است که ميتواند براي مدت طولاني در طول چرخه هاي سلولي تکثير شود. دوم اينکه در شرايط فيزيولوژيکي و آزمايشگاهي خاصي اين سلول ميتواند به سلول هايي با عملکرد ويژه تبديل شود.
خصوصيات مشترک سلول هاي بنيادي:
سلول هاي بنيادي با ديگر انواع سلول ها در بدن متفاوت هستند.همه اين ها صرف نظر از منبع آن ها داراي 3 ويژگي مشترک هستند.
1-قدرت تقسيم و نوسازي خود براي مدت طولاني
2-عدم تخصصي بودن براي بافت خاصي
3-قدرت تبديل شدن به سلول هاي تخصصي
دانشمندان در حال تلاش براي رسيدن به 2 پاسخ اساسي در زمينه قدرت بالاي نوسازي در زمان طولاني در اين سلول ها مي باشند که عبارتند از :
1-چرا سلول هاي بنيادي گرفته شده از يک جنين مي توانند براي يک سال يا بيشتر در محيط آزمايشگاه به صورت غير تمايز يافته تقسيم شوند اما سلول هاي بنيادي بزرگسالان اين ويژگي را ندارد؟
2-فاکتورهاي طبيعي در بافت هاي زنده که به صورت طبيعي" تقسيم شدن" و "خود نوسازي" را در اين سلول ها تنظيم مي کنند کدامند؟
يافتن پاسخ هاي اين سوالات ممکن است اين امکان را به وجود بياورد که بفهميم چگونه سلول ها در جريان رشد جنين طبيعي normal embryonic development) ( و يا در جريان يک تقسيم سلول غير طبيعي که منجر به سرطان مي شود تقسيم مي شوند.اين ها به دانشمندان اين توانايي را مي دهند که بتوانند در محيط آزمايشگاه سلول هاي بنيادي جنيني و بزرگسالي را به صورت موثرتري کشت بدهند.
Stem cells سلول هاي غير تخصصي هستند و اين به اين معناست که اين سلول ها هيچ يک از ساختارهاي تخصصي يک بافت بخصوص را ندارند ، چيزي که اجازه انجام کارهاي تخصصي را به آن ها مي دهد.براي مثال يک stem cell نمي تواند با سلول هاي همسايه اش جهت پمپ کردن مايعات همکاري کند،چيزي که در سلول هاي قلبي اتفاق مي افتد.همچنين يک stem cell ساختارهاي مخصوص براي حمل اکسيژن را ندارد پديده اي که به وسيله گويچه هاي قرمز خون انجام مي گيرد. همچنين يک stem cell قادر به شليک سيگنال هاي الکتروشيميايي به ساير سلول ها نيست چيزي که در سلول هاي عصبي اتفاق مي افتد.با اين وجود يک سلول تخصص نيافته بنيادي فادر است به يک سلول تخصصي عضله قلب يا سلول خوني ((blood cell و يا سلول عصبي (nerve cell) تبديل شود.
stem cell قادربه تقسيم شدن (dividing) ونوسازي خودشان براي مدت طولاني هستند.پديده اي که در سلول هاي عضلاني، و خوني و يا عصبي به صورت طبيعي ديده نمي شود.در واقع سلول هاي عضلاني و خوني و يا عصبي به طور طبيعي قادر به تکثير خودشان نيستند.اما سلول هاي بنيادي اين عمل را بارها و بارها انجام مي دهند.هنگامي که عمل تکثير براي مدت طولاني اتفاق مي افتد آن را proliferation مي نامند.
يک جمعيت آغازگر سلول بنيادي که شروع به proliferation مي کنند مي تواند ميليون ها سلول را ايجاد کند ، حال اگر اين سلول ها نيز به مانند سلول هاي مادري اوليه غير تخصصي (unspecialized) باشند مي گويند که اين سلول ها قادر به long-term self renewal هستند.
يکي از نکات مورد توجه دانشمندان فاکتورها و عوامل و شرايطي است که منجر مي شود سلول هاي بنيادي به صورت غير تخصصي unspecialized باقي بمانند.
کشت اين سلول ها در محيط آزمايشگاهي بدون اينکه اين ها به سلول هاي تخصصي تمايز پيدا کنند ، مدت ها زمان برد ودر طي آن مطالعات و اشتباهات زيادي اتفاق افتاد.
براي مثال حدود 20 سال طول کشيد تا اموختند که چگونه "سلول هاي بنيادي جنيني انساني" را در ازمايشگاه کشت بدهند و اين امر خود به دنبال توسعه و پيشرفت شرايط براي رشد "سلول هاي بنيادي موشي" اتفاق افتاد.
يکي ديگر از جنبه هاي مهم تحقيقات در اين زمينه يافتن سيگنال هاي داده شده به اين سلول ها در يک بافت بالغ بود که منجر به proliferation اين سلول ها و عدم تمايز آن ها مي شد تا زماني که براي ترميم يک بافت بالغ به آن ها نيازي نباشد.
اين نتايج در اين نظر براي دانشمندان مهم بود که آن ها را قادر مي ساخت تا اين سلول ها را به ميزان زيادي و به صورت unspecialized به منظور تحقيقات بيشتر در محيط آزمايشگاه تکثير کنند.
سلول هاي بنيادي قادر به تبديل شدن به سلول هاي تخصصي هستند:
فرايندي را که در آن سلول هاي غيرتخصصي به سلول هاي تخصصي يک بافت خاص تبديل مي شوند را تمايز diffrentiation مي نامند.
اين پديده تحت تاثير signals داخلي و خارجي قرار مي گيرد که بخش مهمي از تحقيقات امروزه دانشمندان را به خود معطوف کرده است.
Internal signals آن دسته از علائمي هستند که توسط ژن ها کنترل مي شود.در واقع به اطلاعاتي گفته مي شود که خصوصيات و عملکردي و ساختاري يک سلول رابا کد کردن اطلاعات لازم در يک زنجيره DNA تعيين مي کند.
اما منظور از external signals علامت هايي است که منشا خارج سلولي دارند و شامل مواد شيميايي ترشح شده، تماس فيزيکي با سلول هاي مجاور و مولکول هاي مخصوص در محيط ميکروسکپي اطراف سلول مي باشند.(microenviroment)
بنابراين سوالات زيادي در مورد تمايز سلول ها بنيادي باقي ماند: آيا سيگنال هاي داده شده براي تمايز سلول هاي بنيادي براي همه انواع اين سلول ها يکسان و شبيه به هم هستند؟ و آيا مي توان با تنظيم اين signals تمايز سلول را در يک مسير معين به پيش راند؟
يافتن پاسخ اين سوالات بسيار مهم است و مي تواند دانشمندان را به سمت راهي هدايت کند تا بتوانند رشد و تمايز اين سلول ها را در محيط آزمايشگاه کترل کنند.و به وسيله آن بتوانند راه هاي جديدي براي استفاده از" سلول هاي در حال رشد" و يا بافت ها به منظور اهداف سلول درماني (cell-based therapy) دست يابند.
سلول هاي بنيادي بزرگسالي که در اندام هاي افراد بعد از تولد وجود دارند تمايل دارند که به سلول هاي متعلق به همان بافتي که در آن قرار دارند تبديل شوند.به عبارتي سلول هاي خون ساز موجود در مغز قرمز استخوان که به نام سلول هاي بنيادي خونساز (hematopoietic stem cells) مشهور هستند تمايل دارند تا به سلول هاي گلبول قرمز، گلبول سقيد و پلاکت ها تبديل شوند.
در سال هاي اخير تحقيقات زيادي در مورد امکان تبديل سلول بنيادي مخصوص يک بافت يه سلول هاي تخصصي يک بافت کاملا متفاوت انجام شده است . اين فرايند را در اصطلاح plasticity مي نامند.براي مثال تبديل سلول هاي بنيادي مغز استخوان به نورون ها و يا تبديل سلول هاي بنيادي کبدي به سلول هاي توليد کننده انسولين و يا تبديل سلول هاي خون ساز به سلول هاي عضله قلبي.
بنابراين امکان استفاده از سلول هاي بنيادي بزرگسالي adult stem cells به منظور سلول درماني cell-based therapy يکي از مهم ترين مباحث تحقيقات جهان پزشکي را به خود اختصاص داده است.
دسته بندي سلول هاي بنيادي
اغلب سلولهاي بدن انسان عملا قادر به تقسيم نيستند و بسياري از زمان تولد تا مرگ شخص بدون تقسيم شدن حضور دارند. البته بعضي بافتهاي بدن نظير خون، پوست و لوله گوارش داراي چرخه بازسازي سريعي هستند و در هر روز ممكن است چندين سلول جديد بسازند. به عنوان مثال يك مرد متوسط با وزن 70 كيلوگرم در هر روز 1011×2 سلول خوني مي سازد. همچنين روزانه ميليونها سلول پوستي و گوارشي ساخته مي شود. سلولهاي بنيادي سلولهايي هستند كه قادر به همانندسازي خود هستند و نيز مي توانند طي فرايند تمايز به يك يا انواعي از سلولهاي بالغ تبديل شوند.
به طور كلي سلولهاي بنيادي به سه دسته تقسيم ميشوند:
سلولهاي بنيادي بزرگسال (Adult stem cells)،
سلولهاي بنيادي جنيني (Embryonic stem cells)
سلولهاي بنيادي بند ناف (Umbilical cord stem cells).
سلول بنيادي بزرگسال
در طول چند سال اخير گزارش هاي علمي از وجود سلولهاي بنيادي بالغ در موش در ارگانهايي مثل مغز، ماهيچه ، پوست، دستگاه گوارش،قرنيه،شبکيه،کبد وپانکراس آورده شده است که اين سلولها قادرند قسمتهاي آسيب ديده بافت خود را،از نو بسازند.چنين سلولهايي در انسان بالغ نيز وجود دارند و ممکن است روزي براي مقاصد درماني به خدمت گرفته شوند . به کار گرفتن سلول هاي بنيادي براي درمان به چند دليل امري بسيار مطلوب است :اول اينکه فعاليت سلولهاي بنيادي بالغ به طور طبيعي منجر به ايجاد يک بافت خاص متشکل از چندين سلول ميشود که هر کدام قادرند در صورت انتقال به بدن يک بيمار، تمام اجزاي بافت را از نو بسازند .
دوم اينکه بعضي از سلولهاي بنيادي بالغ ،فاکتور هاي رشدي ترشح ميکنند که ميتواند محل اقامت ديگر سلولها را در بافت دستخوش تغيير کنند ؛که اين ويژگي نيز ميتواند در موقع انتقال اين سلولها اثرات سود مندي داشته باشد. سوم اينکه بعضي از سلولهاي بنيادي بالغ قادرند به بافتهاي صدمه ديده مهاجرت کنند.اين ويژگي مي تواندباعث شود که اين سلول ها در موقع پيوندخودشان محل هاي مورد نظرراپيدا کنند.اگر سلول بنيادي بالغ در يك محيط مناسب قرارداده شوند، مي توانند سلول هاي بافت هاي مختلف رابه وجودآورند.اما اين کاربا چه الگويي صورت مي گيرد وآن ها چه نوع سلول هايي را توليد خواهند کرد؟
I.Mackenzie و همکارانش نشان دادند که توانايي سلول هاي بنيادي اپي تلياال (كه نوعي از سلول هاي بالغ بنيادي هستند)براي ايجاد کلوني رده هاي سلولي يک ويژگي ذاتي است؛ اما تمايز دوباره وايجاد ساختمانهاي خاص تنها درپاسخ به محرک هاي محيطي رخ مي دهد.
سلول درماني آسيب به استخـوان دراثر بيماري يا در اثر ضربه ، يک مساًله ي شايع است که علاوه بـراين که باعـث آزار بسياري ازبيماران مي شود، هزينه هاي زيادي را نيز به وجود مي آورد. روش هاي درماني در حال حاضر تا حدي موفق هستند چون از يک طرف درمان در اين مورد طولاني مدت است واز طرفي دهندگان پيوند استخواني محدود است.
R.canceddaوهمکاران ازترکيبي از سلول هاي بنيادي اسـتروماي مغـز
استخوانBoneMarrowStemCellsياbmscو سراميك در درمان يک شکاف ، که در تمام لايه هاي استخواني در ديافيزاستخوان تيبيا در يک گوسفند بالغ ايجاد شده بوداستفاده كردند . آن ها سلول هاي مغز استخوان خود گوسـفـــنـد را جدا کرده وآن ها را در آزمايشگاه کشت دادند تا به يک استوانه سرا ميکي خلل و فرج دار تبد يـل شد و سپـس آن ها در محـل صدمه ديـده در استخوان تيبياي حيوان کاشتند.به منظور ثابت کردن پيوند ،از فيکساتورخارجي نيزاستفاده شد. سراميک گفته شده کاملآ با استخوان يکي شد و از نظر عـملکرد نيزبه خوبي تطابق يافـت؛علاوه برشکل ظاهري استخوان که گوياي اين مطلب بود،اشعه ، ميکروگرافي، بافـت شناسي و مطالعات ديگر نيزاين مطلب را تاييد مي کرد. پس از به دست آوردن نتايج از مدل حيواني آن ها اين روش را با رعايت کامل مسائل اخلاقي در مورد 6 انسان نيز پياده کردند. آنها صرف نظر از تعداد کم بيماران ، اين امر را بسياراميد بخش خواندند.
Christopher Bjorson از دانشگاه واشنگتن و Angelo Viscovi از انستيتوي ملي نورولوژي ايتاليا نشان دادند كه هم سلول هاي جنيني و هم بالغ ،اگر به موش هايي پيوند زده شوندکه مغزاستخوان آن هاتوسط اشعه از بين برده شده است، مي توانندمانند سلول خون ساز عمل کنند.(4)سلولهاي بنيادي عصبي سلولهاي بنيادي عصبي راميتوان در گونه هاي بسياري از پستانداران در مراحل مختلف حيات آنان يافت. در شرايط فيزيولوژيكي يآزمايشگاهي خاص، آنها ظرفيت زيادي براي تکثير خود دارند. سلولهاي بنيادي عصبي ميتوانند به تمام سلولهاي اصلي عصبي يعني: نورونها ، آستروسيتها و اليگودندروسيتهاتبديل شوند . سلولهاي بنيادي بزرگسال مانند همه سلولهاي بنيادي ديگر دو ويژگي مشترك دارند؛ اول اينكه قادر به ساخت كپي هاي خود به مدت طولاني مي باشند و دوم اينكه مي توانند به سلولهاي بالغي با خصوصيات مورفولوژيك شناخته شده و با عملكرد اختصاصي تبديل شوند.
ين سلولها قادر نيستند به همه نوع سلول تمايز پيدا كنند بلكه تنها قادرند به سلولهاي بالغ همان بافتي كه در آن هستند تبديل شوند (مثلا سلولهاي بنيادي مغز استخوان كه به سلولهاي خوني تبديل مي شوند). سلولهاي بنيادي بزرگسال بسيار كم و نادر هستند به عنوان مثال از هر 10 تا 15 هزار سلول مغز استخوان تنها يك سلول از نوع سلولهاي بنيادي است. منشا و چگونگي شكل گيري اين سلولها به طور دقيق مشخص نيست و فرضيات مختلفي براي آن مطرح شده است از جمله اينكه اين سلولها در هنگام تمايز جدا از بقيه مانده و تمايز نيافته اند. امروزه سلولهاي بنيادي از بافتهاي مختلفي از جمله خون، مغز، نخاع، لوله گوارش، پوست، عضلات و غيره جدا شده‌اند
اين سلول ها مي توانند دردرمان بيماريهاي نورولوژيکي انسان مثل پارکينسون،هانتينگتون،مالتيپل اسکلروزوصدمات ناشي سکته هاي مغزي به کا روند. با توجه به اينکه سلول هاي بنيادي عصبي توانائي مهاجرت دارند،مي توانند به عنوان پروتئين هاي درماني يا ناقل هاي سلولي به کار روند ؛ همين طور در اصلاح بيماري هاي ژنتيکي دستگاه عصبي مرکزي وتومورهاي مشخصي که به سايتوکاينها جواب ميدهند.(5) تحقيقات جديد نشان ميدهند که سلولهاي بنيادي عصبي که قبلا"تصور مي شد فقط مي توانند به سلولهاي عصبي تبديل شوند، ميتوانند خود را مبدل به سلولهاي پيش سازخوني کنند.
سلول هاي بنيادي جنين انسان
نام سلولهاي بنيادي جنيني (روياني) از منشا آنها يعني رويان گرفته شده است. در واقع اين سلولها از يكي از مراحل ابتدايي تشكيل و توسعه جنين بنام مرحله بلاستوسيتي گرفته مي شوند. به طور اختصاصي سلولهاي بنيادي جنيني از توده سلولي دروني بلاستوسيت در مرحله پيش از لانه گزيني در ديواره رحم به دست مي آيند. اين سلولها هم قادر به همانندسازي خود هستند و هم قادرند به انواعي از سلولهاي مختلف تمايز يابند.
سلول هاي بنيادي جنيني در لايه دروني بلاستوسيست انسان، در مراحل اوليه رشد رويان( از روز چهارم تا هفتم بعداز باروري) يافت مي شوند. اگر سلول هاي بنيادي جنين انسان، که ما از اينجا به بعد آنها راHESC مي خوانيم، از رويان جدا شده ودر شرايط مناسب آزمايشگاهي کشت داده شوند مي توانند به شکل تمايز نيافته به رشد خود ادامه دهند؛ درعين حالي که توانايي تمايز يافتن به هر يک از سه لايه اصلي سلول هاي روياني را دارامي باشند.Thomson
و همکارانش براي اولين بار در سال 1998 توانستند موفق به کشت HESCدرمحيط آزمايشگاه شوند. همان طور که گفته شد اين سلولها مي توانند بارهاوبارها تکثيرشده وسلول هايي را بوجود آورند که مانند خودشان داراي قدرت تمايز هستند . براي تکثير سلول ها در آزمايشگاه قبلا"از سلول هاي سرطاني استفاده مي شد که البته در هرتقسيم سلول هايي غير طبيعي و ناپايدارنيزوبوجود مي آورنداماامروزه ميتوانHESCها رابه کارگرفت که مي توانند تا مدت 2سال به مجموعه هاي کامل ودست نخورده اي از کروموزم ها تقسيم شوند .
اکنون 2دهه است که روي سلول هاي بنيادي روياني موش ها کار مي شود . براي آن که بتوانيم سلول هاي بنيادي موش را در شرايطي نگه داريم که تمايزپيدا نکنند بايد آنها را در ماده اي به نام LFTياLeukemia Inhibitoriy Faktor کشت دهيم .اما در مورد HESCها اين مساله متفاوت است، چون براي جلوگيري از ايجاد تمايز بايد آنها را در يک ظرف پطري که حاوي سرم گاو است، و روي لايه اي از سلولهاي جنيني موش کشت داد . اگر اين سلولها را از محيط مذکور در آورده و درون مايع بريزيم تشکيل اجسام کروي شکلي به نام "اجسام روياني"را ميدهند که اين اجسام نيز داراي قدرت تمايز به هر سه لايه اصلي جنيني مي باشند. سلول هايي که از اجسام روياني مشتق ميشوند به سلول هاي قلب ،اپي تليالي رنگدانه دار وبدون رنگدانه و سلول هاي عصبي تبديل مي شوند.
اگرHESCها به بدن موش تزريق شوند ايجاد توده هاي سلولي به نام تراتوما مي کنند که ازآنجايي که داراي قدرت تمايز به هر سه لايه هستند، مي توانند تومورهاي مختلف در بدن موش ايجاد کنند.اين شواهد نشان مي دهد که چگونه وقتي HESCها در محيط غير طبيعي قرار گيرند تبديل به سلول هاي سرطاني ياneoplastic ميشوند .Thomson و همکاران اظهار ميکنند که HESC ها ميتوانند روزي منبع پايان ناپذير توليد سلولهاي تمايز نيافته در آزمايشگاه باشندو بعد ها به عنوان سلولهاي کبد ، پانکراس ويا سلولهاي عصبي براي مقاصد درماني مورد استفاده واقع شوند.
البته مساله مهمي که در اينجا مطرح است وجود آنتي ژنهاي تطابق بافتي در گيرنده پيوند است- يا همان "رد پيوند"- پيشنهاد ميشود با استفاده از روشهاي مهندسي ژنتيک سلولهاي بنيادي را به نحوي با سيستم ايمني سازگار کرد تا واکنش ايمني کمتري را شاهد باشيم. اين کار با ايجاد يک تناظر ژنتيکي دقيق بين گيرنده پيوند از يک طرف و بافتي که از منت ها ايجاد ميشود از طرف ديگر، امکان پذير است ؛ و اين تناظر دقيق با استفاده از روشSCNT(somatic cell nuclear transfer)در توليد سلول بنيادي(شکل 1) ، قابل وصول است.
سلولهاي بنيادي خون بند ناف
دسته سوم سلولهاي بنيادي سلولهاي بند ناف هستند كه همانطور كه از نامشان بر مي آيد از خون بند ناف در هنگام وضع حمل جدا مي شوند و قابل نگهداري هستند تا در آينده در صورت لزوم براي همان بچه يا اعضاي خانواده وي و يا براي شخص ديگري استفاده شوند
خون بندناف خوني است که پس از تولد در بند ناف و جفت باقيمانده و دور ريخته مي شود. اين خون غني از سلولهاي بنيادي است.
سلولهاي بنيادي خون بند ناف همانند سلولهاي بنيادي خونساز مغز استخوان تقسيم مي شوند تا به توليد:
• سلولهاي قرمز، که اکسيژن را به تمام بدن حمل مي کنند.
• سلولهاي سفيد، که در سيستم ايمني فعالانه شرکت دارند.
• پلاکتها که به انعقاد خون کمک مي کنندبپردازند
همچنين قادر به ساخت انواع سلولهاي ديگر و ترميم و نگهداري سلولها در هنگام جراحت مي باشند.
امروزه محققان در حال بررسي و آزمايش امكان كاربرد سلولهاي بنيادي در درمان بيماريهاي مختلف مي باشند. از جمله بيماريهايي را كه اميدهاي زيادي به درمان آنها مي رود مي توان به آلزايمر و پاركينسون، آسيبهاي نخاعي، ديابتها (از طريق جايگزين نمودن سلولهاي پانكراتيك ترشح كننده انسولين)، بيماريهاي كرونري قلب (با جايگزيني سلولهاي ماهيچه اي قلب)، بيماريهاي كبدي مثل سيروز و غيره اشاره نمود.
منابع :
- روزنامه شرق
- http://www.hamshahrionline.ir
-http://phalls.com
- http://www.ardalan.id.ir
/س