فناوری سلولهای بنیادی
فتانه توسلیان، دانشجوی دکتری تخصصی ایمونولوژِی پزشکی، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده پزشکی
دکتر احمد زواران حسینی، استاد گروه ایمونولوژی، دانشگاه تربیت مدرس،دانشکده پزشکی، گروه ایمونولوژی
الهام عبدالهی، دانشجوی دکتری تخصصی ایمونولوژی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی مشهد، دانشکده پزشکی
در موجودات زنده سلولهای تمایزنیافتهای وجود دارند که می‌توانند سلول‌هایی را تولید کنند که نهایتاً بافت‌های تخصصی و اندام‌ها را شکل می‌دهند. این سلول‌ها، سلولهای بنیادی نامیده می‌شوند. سه نوع عمده از این سلول‌ها وجود دارد؛ سلولهای بنیادی جنینی (embryonic stem cell) و سلولهای بنیادی بالغ (Adult stem cell) و سلولهای بنیادی بندناف (umbilical cord stem cell). سلولهای بنیادی جنینی در توده داخلی بلاستوسیت (جنین در مراحله اولیه تکوین) قرار گرفته‌اند و در نهایت به انواع سلولهای موجود زنده تکوین می‌یابند. سلولهای بنیادی بالغ در برخی بافت‌های تخصصی بدن موجودات، از جمله اپیدرم پوست، مغز استخوان و جدار داخلی روده باریک وجود دارند. این سلول‌ها در بازسازی بافت‌های مسن نقش دارند. سلولهای بنیادی بندناف بلافاصله بعد از تولد از خون بندناف بدست می‌آیند. این سلول‌ها نسبت به سلولهای بنیادی مغز استخوان بالغین و بچه‌ها نابالغ‌تر و نسبت به سلولهای بنیادی جنینی مسن‌تر یا بالغ‌تر می‌باشند. در این مقاله به توضیح فناوری سلولهای بنیادی و کاربرد آنها می‌پردازیم.
مقدمه
دسترسی انسان به فناوری تکثیر سلولهای بنیادی و بکارگیری آنها برای تولید سلولهای دیگر، از جمله مباحث نوین در علوم زیستی است. سلولهای بنیادی در ابتدا برای درک چگونگی تکوین موجودات از یک سلول منفرد حاصل از تلفیق دو گامت والدی، در علوم تکوین و جنین‌شناسی مورد توجه و تحقیق قرار گرفتند. سلولهای بنیادی به آن دسته از سلولهای بدن اطلاق می‌شوند که هنوز تمایز نیافته و برای کار ویژه‌ای تجهیز نشده‌اند (1). این سلول‌ها دارای خاصیت خودتکثیری بوده و قابلیت تمایز و تبدیل شدن به انواع دیگر سلولهای بدن را دارند. این مشخصه سلولهای بنیادی، نظر متخصصین مختلف را به خود معطوف داشته است، به‌طوری‌که تحقیقات گسترده‌ای در این خصوص صورت گرفته است (2).
به‌طور کلی سلولهای بنیادی دارای دو خصوصیت عمده هستند:
1) قدرت تکثیر نامحدود،
2) خصوصیت پُرتوانی یا اصطلاحاً Pluripotency؛
به‌عبارت دیگر، این سلول‌ها قادر هستند تا در محیط آزمایشگاهی انواع مختلفی از سلول‌ها را به‌وجود بیاورند (3). سلولهای بنیادی را با توجه به منشأ آنها به سه دسته تقسیم می‌کنند: سلولهای بنیادی جنینی (Embryonic Stem Cells) که در مراحل اولیه تشکیل جنین، از آن گرفته می‌شود و سلولهای بنیادی بالغ (Adult Stem Cells) که پس از تولد فرد و به‌ویژه از مغز استخوان آن گرفته می‌شود و سلولهای بنیادی بندناف (stem cell from umbilical cord blood) بلافاصله بعد از تولد از خون بندناف بدست می‌آیند (4).
ویژگی‌هایی که سلولهای بنیادی را از سایر سلول‌ها متمایز کرده است عبارتند از:
سلولهای بنیادی، سلولهای تمایز نیافته و تخصص عمل نیافته‌اند که قدرت تقسیم نامحدود و توانایی ایجاد سلولهای همانند خود را دارند. این سلول‌ها تحت شرایط فیزیولوژیکی خاصی و با دریافت سیگنال‌هایی، به سلولهای تخصص یافته (مانند سلولهای ماهیچه‌ای، عصبی، سلولهای بتای پانکراس و …) قابل تمایز هستند (5). لازمه‌ی اینکه محققان این رشته، روش‌هایی برای بکارگیری سلولهای بنیادی در درمان‌های پزشکی ابداع کنند، شناخت اساس ویژگی‌های منحصر به فرد سلولهای بنیادی است که شامل دو نوع مطالعه است؛ شناسایی عواملی که باعث می‌شود سلولهای بنیادی، تمایز نیافته باقی بمانند و قدرت خودهمانندسازی خود را برای سال‌ها حفظ کنند و همچنین شناسایی سیگنال‌هایی که سلول بنیادی با دریافت آنها شروع به تمایز به سلولهای مختلف می‌کنند (6).
سلولهای بنیادین را بر اساس نوع منشأ آنها به سه گروه تقسیم می‌کنند:
1- سلولهای بنیادی جنینی embryonic stem cells (ES): جنین انسان در طول 5-3 روزگی به شکل یک توپ سلولی تک‌لایه‌ی میان‌تهی است به نام بلاستوسیت. در گوشه‌ای از حفره‌ی بلاستولایی، توده‌ای سلولی وجود دارد که متشکل از سلولهای بنیادی جنینی است که در طول تکوین جنین تقسیم شده و انواع مختلف بافت‌ها از تمایز آن حاصل می‌شود (7).
2- سلولهای بنیادی بالغ adult stem cells: به صورت پراکنده در بافت‌های بالغ مانند مغز استخوان، مغز، عضله‌ی قلب و عضله وجود دارند و مسئول ترمیم و جایگزینی سلولهای آسیب‌دیده می‌باشند (8).
3- سلولهای بنیادی بندناف stem cell from umbilical cord blood: دسته‌ی سوم سلولهای بنیادی در بندناف واقع‌اند که در صورت حفظ و نگهداری آن، منبع بسیاری خوبی برای تأمین سلولهای بنیادین جهت اهداف درمانی هستند (9).
سلولهای بنیادی جنینی
سلولهای بنیادی جنینی (ES) از جنین بدست می‌آیند. در بالا گفته شد که سلولهای بنیادی جنینی در توده‌ی سلولی داخل حفره‌ی بلاستوسیت قرارگرفته‌اند. بلاستوسیت از 3 بخش تشکیل شده است، شامل:
- تروفوبلاست (لایه‌ی سلولی احاطه‌کننده‌ی بلاستوسیت)
- بلاستوسل (حفره‌ی درون توپ بلاستوسیت)
- توده سلولهای درونی (در حدود 30 سلول که از نوع ES هستند تشکیل شده و در گوشه‌ای از بلاستوسل بر روی ترفوبلاست قرار گرفته) (10, 11).
سلولهای بنیادی جنینی خود براساس پتانسیل تمایزی و زمان جداسازی از بلاستوسیست، به چند گروه تقسیم می‌شوند:
- سلولهای بنیادی جنینی جداشده از جنین اولیه در مرحله مرولا 4-2 (روزهای اولیه گاسترولاسیون) که همه‌توان بوده و قادر به تشکیل هر نوع سلول یا اندام خارج جنینی مثل جفت و حتی جنین کامل می‌باشند.
- سلولهای بنیادی جنینی گرفته شده از جنین مسن‌تر، در مرحله بلاستوسیت (روز 7-5 گاسترولاسیون در انسان) که سلولهای پرتوان بوده و دارای پتانسیل تمایز به بافت‌های مختلف بدن هستند ولی قادر به ایجاد جفت نبوده و همچنین نمی‌توانند یک جنین کامل را ایجاد نمایند.
- سلولهای بنیادی مسن‌تر از مرحله قبل که چندتوان بوده و قادر به ایجاد انواع سلولهای بافتی می‌باشند (7).
مشخصات سلولهای بنیادی جنینی
سلولهای بنیادی جنینی دارای توان تقسیم متقارن نامحدود و بدون تمایز هستند و در عین حال توان تمایزی را حفظ می‌نمایند (12). این سلول‌ها دارای کاریوتایپ طبیعی کروموزومی بوده و این حالت را نیز حفظ می‌نمایند. سلولهای بنیادی جنینی پرتوان می‌توانند انواع سلول تمایزیافته که از سه لایه زاینده اولیه جنین است را بوجود آورند. همچنین طی تکوین دارای توان ادغام در تمام بافت‌های جنینی هستند. این سلول‌ها دارای خاصیت کلون‌زایی هستند به این معنی که یک سلول منفرد دارای توان تولید یک کلونی متشکل از سلول‌هایی با خواص ژنتیکی یکسان می‌باشد (13). سلولهای بنیادی جنینی فاکتور نسخه‌برداری oct4 را بیان می‌کنند. این فاکتور سبب تحریک یا مهار دسته‌ای از ژن‌ها می‌شود که سلولهای بنیادی جنینی را در حالت تکثیری و غیرتمایزی نگه می‌دارد (6). سلول‌هایی بنیادی جنینی را می‌توان به تکثیر یا تمایز وادار کرد. همچنین این سلول‌ها فاقد نقطه کنترل G1 می‌باشند و بیشتر زمانشان را در فاز S هستند و همچنین غیرفعال شدن کروموزوم X را نشان نمی‌دهند (13).
تمایز سلولهای بنیادی جنینی
یک هدف از تحقیق بر سلول بنیادی جنینی، تکوین سلولهای تخصصی نظیر نورون‌ها، سلولهای عضله قلبی، سلولهای اندوتلیال عروق خونی و سلولهای مولد انسولین و غیره است، بنابراین تمایز جهت‌دار سلولهای بنیادی جنینی برای استفاده غایی از آنها در توسعه درمان‌های جدید بسیار حیاتی است. سلولهای بنیادی جنینی قادرند در شرایط آزمایشگاهی و در موجود زنده به انواع فراوانی از سلولهای بدن تمایز یابند، لذا این سلول‌ها پتانسیل فراوانی در ترمیم و جایگزینی سلول‌ها و بافت‌های آسیب‌دیده دارند (15). از جمله مزایای سلولهای بنیادی جنینی نسبت به سلولهای بنیادی بزرگسالان توانایی تقسیم نامحدود آنها در محیط آزمایشگاهی و توانایی تمایز وسیع آنها است (16). معمولاً در تمایز سلولهای بنیادی جنینی، این سلول‌ها از سلولهای تغذیه‌کننده جدا شده، به صورت سوسپانسیون در پلیت باکتریایی کشت می‌شوند و به تجمعات کروی شکلی مشابه ابتدای جنین بعد از لانه‌گزینی به نام اجسام شبه‌جنینی embryoid bodies تبدیل می‌گردند. اجسام شبه‌جنینی در ظروف کشت بافتی، به کف ظرف چسبیده به انواعی از سلول‌ها نظیر کاردیومیوسیت‌های ضرباندار، سلولهای اپی‌تلیال رنگدانه‌دار pigmented و بدون رنگدانه، سلولهای عصبی و سلولهای مزانشیمی تمایز می‌یابند (7). از سوی دیگر در نهایت تمایز آزمایشگاهی سلولهای بنیادی، اخیراً دانشمندان موفق به تولید اسپرم نیز شدند. با تزریق سلولهای بنیادی جنینی موش به بلاستوسیست میزبان و انتقال بلاستوسیست حاصل به رحم مادر رضایی foster امکان تولید موش کایمرا وجود دارد، همچنین با تزریق سلولهای بنیادی جنینی موشی و انسانی به موش‌های SCID,Severe Combined Immunodeicient می‌توان تراتومسی با انواع مشتقات اکتودرمی (مثل اپی‌تلیوم عصبی)، مزودرمی (نظیر استخوان، غضروف و ماهیچه) و اندودرمی (لاله گوش) ایجاد نمود (15, 17).
سلولهای بنیادی بالغ (adult stem cell)
منشأ سلولهای بنیادی بالغ
سلولهای بنیادی بالغ که به آنها سلولهای بنیادی سوماتیکی نیز می‌گویند در حقیقت سلولهای تمایزنیافتهای هستند که در میان سلولهای تمایزیافته در بافت‌های بالغ یافت می‌شوند (18). نقش این سلول‌ها محافظت و ترمیم بافت دربرگیرنده‌شان است، این سلول‌ها پس از تولد از فرد گرفته می‌شوند. برای مثال این سلول‌ها را می‌توان از بافت مغز استخوان یک فرد سالم تهیه کرد. البته بر اساس یافته‌های اخیر، برخی معتقدند که هر بافتی دارای سلولهای بنیادی خاص خود است (19)، به‌طور مثال، مشخص شده که قلب، مغز و ماهیچه‌های اسکلتی هر کدام دارای سلولهای بنیادی خاص خود هستند و همه این سلول‌ها در بدن یک فرد بالغ وجود دارند. به‌عنوان مثال، سلولهای بنیادی قلبی بیشتر در ناحیه اپیکس (Apex) قلب و سلولهای بنیادی مغزی عمدتاً در دیوارة بطن مغز متمرکز هستند. با این حال دقیقاً مشخص نیست که منشأ این سلولهای بنیادی گوناگون، چه سلولی است و آیا منشأ همه اینها همان سلولهای مغز استخوان هستند که هر یک به سمت اندام خاصی مهاجرت کرده و به سلولهای بنیادی خاص آن تبدیل می‌شوند، یا منشأ دیگری برای آنها وجود دارد (20). این سلول‌ها به دلیل دارا بودن ویژگی‌های خودتجدیدپذیری، توانایی تقسیم و همانندسازی و توانایی تمایز به سلولهای تخصصی، در شمار انواع سلولهای بنیادی قرار می‌گیرند (21). از جمله تفاوت‌هایی که بین سلولهای بنیادی جنینی (ES) و نوع بالغ وجود دارد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
ES از نوع سلولهای بنیادی پُرتوان (pluripotent) است و از این رو قادر به تمایز به هر سه نوع بافت جنینی، که شامل مزانشیم، اکتودرم و اندودرم است، می‌باشد و بالقوه می‌تواند تمام انواع بافت‌های بالغ را تولید کند. در حالیکه سلولهای بنیادی بالغ عمدتاً از نوع چند توان(multipotent) هستند؛ به این معنی که متعهد به تولید تعداد معدودی از انواع سلول‌ها شده‌اند. منشأES توده سلولی داخل بلاستوسیت شناخته شده است در حالیکه خاستگاه‌های گوناگونی برای سلولهای بنیادی بالغ در نظر گرفته می‌شود و منشأ دقیق آنها هنوز برای بشر مجهول است (22). نکته مهم در مورد سلولهای بنیادی بالغ، تعداد بسیار اندک آنها در بافت‌ها است. تصور می‌شود که سلولهای بنیادی در ناحیه‌ی خاصی از هر بافت قرار می‌گیرند و ممکن است تا مدت‌ها به طور خفته باقی بمانند به این معنی که تقسیمی انجام ندهند و تمایزی هم حاصل نکنند و احتمالاً در اثر بیماری یا جراحت بافت، فعال شده و وظیفه‌‌ی ترمیم‌کنندگی خود را انجام می‌دهند. از این رو در بسیاری از مراکز تحقیقات سلولی، دانشمندان سعی در یافتن روش‌هایی دارند تا با استخراج و کشت این سلول‌ها تعدادشان را افزایش داده و با نگهداری آنها برای مدت طولانی و دستورزی‌های ژنتیکی، در درمان بیماری‌ها و آسیب‌های بافتی استفاده کنند (23).
به طور کلی سه روش برای شناسایی سلولهای بنیادی بالغ وجود دارد که عبارتند از:
- شناسایی مارکرهای مولکولی که ویژه‌ی سلولهای بنیادی است و آنها را از سلولهای تمایزیافته و تخصصی قابل تمیز می‌کند این مارکر‌ها می‌تواند شامل پروتئین‌های سطحی و درونی ویژه و یا تغییرات ژنتیکی ویژه باشد (24).
- استخراج کردن سلول موردنظر از بافت خاستگاهش و نشانه‌گذاری آنها در محیط کشت و سپس وارد کردن آنها به بافت مشابه در جانوران دیگر برای تشخیص اینکه آیا سلول مجدداً در بافت مشابه خاستگاهش مستقر می‌گردد یا خیر.
- مجزاسازی سلول از بافت خاستگاهش و کشت دادن آن در محیط کشت و سپس در معرض قراردادن آنها با فاکتورهای رشد یا دستورزی آنها با ژن‌های جدید برای تعیین انواع سلولهای تمایزیافته‌ی حاصل از آنها (25).
سلولهای بنیادی بالغ ویژه بافتی
گزارشات اخیر اطلاعات جدید و معتبری در مورد جمعیت سلولهای بنیادی موجود در برخی بافت‌های بالغ ویژه نشان می‌دهد، بدین معنی که علاوه بر وجود سلولهای بنیادی در مغز استخوان، منابع دیگری از سلولهای بنیادی با پتانسیل مزانشیمی در بافت‌هایی از جمله صفاق، استخوان‌های ترابکولار، بافت چربی، احتمالاً مفصل زانو، ریه و مغز دندان یافت شده که در همه موارد این سلول‌ها قادر به تمایز به سمت سلولهای کندروسیت، استئوسیت و آدپیوسیت بوده و همچنین قدرت شرکت در ترمیم ماهیچه اسکلتی آسیب‌دیده را دارند. سلولهای بنیادی گرفته شده از بافت چربی نیز، پتانسیل مشابه را نشان دادند (26).
سلولهای بنیادی مغز استخوان
همانطور که قبلاً ذکر شد، استرومای مغز استخوان بافت پیچیده‌ای است که از رگ‌های خونی، انواع سلولهای بافت همبند از جمله سلولهای اندوتلیالی، سلولهای ماهیچه صاف، آدیپوسیت‌ها، سلولهای استخوانی و استرومایی تشکیل شده است. در فضای خارج رگی مغز استخوان، یک شبکه فشرده از سلول‌ها، شامل سلولهای محیطی مغز استخوان وجود دارد که سلولهای بنیادی مغز استخوان در این ناحیه قرار دارند (27). این سلول‌ها شامل انواع سلولهای زیر می‌باشد:
- سلولهای بنیادی خون‌ساز (Hematopoietic Stem Cells: HSC)
سلولهای بنیادی خون‌ساز، سلولهای چندتوان بوده که به صورت ذخیره سلولی برای انواع سلولهای خونی در مغز استخوان وجود دارند. این سلول‌ها قادر به ایجاد انواع سلولهای خونی بالغ از جمله اریتروسیت‌ها، گرانولوسیت‌ها، مونوسیت‌ها، ماست‌سل‌ها، لنفوسیت‌ها و مگاکاریوسیت‌ها می‌باشند. تعداد این سلول‌ها در مغز استخوان بسیار محدود بوده ودر واقع به ازای هر 124 سلول مغز استخوان یک سلول بنیادی خون‌ساز وجود دارد ولی این سلول‌ها به اتکاء ظرفیتشان برای خودتجدیدی، یک پشتیبانی قوی را در سرتاسر زندگی موجود زنده برای سلولهای خونی فراهم می‌آورند. این سلول‌ها، علاوه بر توانایی تمایزشان به انواع سلولهای خونی بالغ، قادر به ایجاد سلولهای تخم‌مرغی کبدی نیز می‌باشند (28).
- سلولهای بنیادی مزانشیمی (Mesenchymal Stem Cells: MSCs)
سلولهای بنیادی مزانشیمی، سلولهای چندتوان هستند که توانایی تمایز به انواع دودمان‌های بافت همبند از جمله آدیپوسیت، کندروسیت و استئوسیت را دارا می‌باشند. این سلول‌ها قادرند ظرفیت تمایزشان را همچنان در محیط خارج از بدن (محیط کشت) حفظ نمایند (29). از نقطه‌نظر فنوتیپی، MSCs دارای مارکرهای ویژه به صورت منفرد نمی‌باشند بلکه تعدادی مارکرهای غیراختصاصی را به صورت گروهی در سطح بالایی بیان می‌کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که فنوتیپ آنتی‌ژن‌های سلولهای مزانشیمی مغز استخوان متفاوت بوده و یک حالت مشترک بین سلولهای مزانشیمی، آندوتلیالی اپی‌تلیالی و سلولهای ماهیچه‌ای است. به طور معمول MSCs مغز استخوان حاوی مارکرهای سطحی سلولهای خونی و اندوتلیالی CD14 ,CD45 ,CD31 ,CD11b نیستند، هرچند که سلولهای مزانشیمی انسانی و رت‌مارکرCD34 را نیز بیان نمی‌کنند ولی درمورد سلولهای مزانشیمی موش اختلاف‌نظر بین محققین وجود دارد (30). SB-12 نیز آنتی‌بادیی است که با آنتی‌ژن‌های سطحی MSCs تمایزنیافته واکنش می‌دهد و هنگامی که این سلول‌ها به سلولهای استخوانی متمایز شوند، این مارکرهای سطحی ناپدید می‌شوند. این سلول‌ها بیشتر بوسیله بیان مولکول‌های چسبنده سلولهای رگی و رسپتور هیالورونات CD44شناسایی می‌شوند (31).
خصوصیات ایمونولوژیکی سلولهای بنیادی مزانشیمی
دانستن ویژگی‌های ایمونولوژیکی MSCs کاربردهای درمانی آنها را افزایش می‌دهد؛ خصوصیات ایمونولوژیکیMSCs در محیط کشت به وسیله بیان و یا عدم بیان مارکرهای MHC-class II و IMHC-classI و CD 40 ,CD86 ,CD80 توضیح داده می‌شوند. محققین، عدم تحریک‌‌پذیری سلولهایT ، هنگامی که به همراه MSCs در محیط کشت قرار می‌گیرند را گزارش کردند. این مهارپذیری در حالتی که سلولهای T با میتوژن‌های پلی‌کلونال آنتی‌بادی CD3 یا آلوآنتی‌ژن تحریک شده بودند، گزارش شده است، در حالی که عده دیگری از محققین نقش فاکتورهای خاصی را در مهارپذیری دخیل می‌دادند. MSCs قادر به مهار کردن تولید لنفوسیت‌های سیتوژنیک در in vitro هستند و همچنین مانع از مرگ سلولی به وسیله لنفوسیت‌های سیتوتوکسیک و سلولهای کشنده طبیعی می‌شوند (32).
ژن‌درمانی با استفاده از سلول بنیادی مزانشیمی
در این ارتباط سه استراتژی مهم وجود دارد؛ استراتژی اول تزریق سلولهای مزانشیمی مستقیماً به محل آسیب‌دیده است. از این روش برای ضایعات استخوان و غضروف استفاده شده است. البته در مورد استخوان استفاده از سرامیک و سلول مزانشیمی به صورت توأم نتایج بهتری داشته است. استراتژی دوم وارد کردن ژن پروتئین خاص در سلول مزانشیمی و تزریق آن به سیستم گردش خون است. این سلول‌ها در مغز استخوان مستقر شده و پروتئین موردنظر را ترشح می‌کنند. محققین با وارد کردن ژن فاکتور IX بداخل سلول مزانشیمی و تزریق آن به موش SCID به مدت 9 هفته ترشح آن فاکتور را مشاهده کردند (33). بالاخره استراتژی سوم تزریق سلول مزانشیمی بداخل گردش خون است، بطوری‌که سلولهای فوق در بافت‌هایی نظیر استخوان و غضروف و مغز و ریه مستقر شوند. در این ارتباط برخی محققین سلول مزانشیمی موش نرمال را به موشی که ژن جهش یافته داشت، تزریق کردند و نتایج آنها نشان داد که سلولهای نرمال جایگزین بیش از 32% سلولهای جهش‌یافته استخوانی شده است. امید می‌رود در آینده بتوان با این روش بیماری استخوان‌سازی ناقص را که نوعی بیماری ژنتیکی استخوان محسوب می‌شود درمان کرد (34).
خطر سرطانزایی سلولهای بنیادی مزانشیمی
در کاربرد سلولهای بنیادی مزانشیمی با توجه به خاصیت سرکوبگری ایمنی، باید خطر سرطانزایی آنها را در نظر گرفت. سرطان تحت‌تأثیر عوامل ژنتیکی و اپی‌ژنتیکی بوجود می‌آید که در نهایت تظاهر بدخیم پیدا می‌کند. یک خصوصیت سلولهای بنیادی مزانشیمی، توانایی آنها بعد از تزریق داخل رگی به حیوانات آزمایشگاهی، مهاجرت گزینشی آنها به منطقه‌ی تومور و تکمیل استرومای سرطان است. چون سلولهای بنیادی مزانشیمی به طور مدام عوامل پیش‌رگزایی از جمله فاکتور رشد اندوتلیال عروقی VEGF و IL-6 و همچنین آنزیم‌های تجزیه‌کننده‌ی ماتریکس از جمله MMP را تولید می‌کنند، احتمالاً پیش‌بینی می‌شود که آنها بیش از مهار، رشد تومور را تحریک می‌کنند (35).
سلولهای بنیادی عصبی
سلولهای بنیادی عصبی یک جمعیت خودتجدید‌شونده می‌باشند که توانایی تمایز به نورون و گلیا را در سیستم عصبی بزرگسال و در حال تکامل دارا هستند. این سلول‌ها را می‌توان تکثیر نمود و بر روی آنها دستکاری ژنتیکی انجام داد و می‌توان آنها را به سوی سلولهای در حال تکوین، بالغ و یا سلولهای با اثرات درمانی دوباره برنامه‌ریزی کرد. علاوه بر این توانایی بالایی برای مهاجرت داشته و به نظر می‌رسد به نواحیی از مغز که دچار آسیب شده‌اند مهاجرت می‌کنند (36).
خصوصیات سلولهای بنیادی عصبی
یک سلول بنیادی برای آنکه بتوان آن را به عنوان سلول بنیادی عصبی شناخت باید دارای سه خصوصیت باشد:
- یک سلول بنیادی عصبی، سلول چندتوانی (پیش‌ساز پرتوان) است که قادر به تکثیر و تولید پیش‌سازهایی است که قابلیت تبدیل به سه نوع اصلی سلولهای سیستم اعصاب مرکزی را دارد؛ یعنی آستروسیت‌ها، الیگودندروسیت‌ها و نورون‌ها.
- این سلول‌ها باید توانایی خودتجدیدشوندگی را داشته باشند و همچنین به صورت متقارن و نامتقارن تقسیم گردند.
- یک سلول بنیادی عصبی باید بتواند خصوصیت چندتوانی خود را تا زمانی طولانی حفظ کند. این نکته بسیار حائز اهمیت است چون سلولهای پیش‌ساز پرتوان خودتجدیدشوندگی‌شان را در حد محدود و تا زمان کوتاهی حفظ می‌کنند (37).
سلولهای پیش‌ساز عصبی
یک سلول پیش‌ساز، سلولی است که توانایی محدودی برای خودتجدیدشوندگی و تولید سلولهای تمایزیافته دارد.NSC ها در محیط آزمایشگاهی قادر به ایجاد یک سری ساختارهای کلونی شکل هستند که نوروسفر نامیده می‌شوند و تنوعاتی از لحاظ رده‌های سلولی دخیل در تشکیل این ساختارها درآنها دیده می‌شود (38).
کاربردهای سلولهای بنیادی عصبی
در مطالعات اخیر نشان داده شده که پیوند سلولهای پیش‌ساز عصبی مشتق از مغز انسان بزرگسال به مدل حیوانی مبتلا به ضایعه‌ی نخاعی، سبب تجدید میلین‌سازی در این سلول‌ها می‌شود که مشابه روند تولید میلین در سلولهای شوان است. اکسون‌های مجدد میلینه شده، پالس‌های عصبی را بسیار شبیه به حالت نرمال منتقل می‌کنند. این امر پیشنهاد می‌کند که انتقال اینها به محل فاقد میلین آسیب‌دیده نخاعی می‌تواند در درمان ضایعات ایجاد شده مفید باشد (39).
سلولهای بنیادی بندناف (stem cell from umbilical cord blood)
سلولهای بنیادی بندناف بلافاصله بعد از تولد از خون بندناف بدست می‌آیند. این سلول‌ها نسبت به سلولهای بنیادی مغز استخوان بالغین و بچه‌ها نابالغ‌تر و نسبت به سلولهای بنیادی جنینی مسن‌تر یا بالغ‌تر می‌باشند. این سلول‌ها چندتوان بوده با خاصیت چسبندگی بالا و به آهستگی در محیط کشت ثابت می‌شوند (40). این سلول‌ها حاوی آنتی‌ژن‌های مخصوص سلولهای بنیادی از جمله CD13 ، CD29، CD44 بوده ولی آنتی‌ژن‌های سلولهای خون‌ساز را بیان نمی‌کنند و دارای سطح پایینی از بیان آنتی‌ژن‌های سلولهای استخوانی بوده و در مقایسه با سلولهای بنیادی مغز استخوان فاقد بیان آنتی‌ژن‌های عصبی می‌باشند. سلولهای بنیادی بندناف اخیراً به عنوان یک منبع سلولی منحصربفرد برای ترمیم لوسمی و بقیه بیماری‌های خونی شناخته شده و با وجودی‌که حاوی سلولهای ایمنی می‌باشد ولی تشکیل واکنش قوی در مقابل سلولهای میزبان نمی‌کند (9).
تکثیر سلولهای بنیادی بندناف به منظور درمان افراد سرطانی
یکی از مشکلات پیوند مغز استخوان، عدم سازگاری نسجی (MHC) شخص گیرنده با شخص دهنده است. این موضوع یعنی “ناسازگاری نسجی”، حتی ممکن است باعث مرگ شخص گیرنده شود. از طرفی به‌دلیل کمبود تعداد افراد داوطلب برای اهدای مغز استخوان، امکان یافتن نمونه‌های سازگار با فرد بیمار دشوار است.
از آنجایی‌که سلولهای بنیادی بندناف، در مراحل اولیه تکامل قرار دارند، سازگاری آنها با شخص گیرنده بیشتر است و در زمان انتقال به شخص بیمار، کمتر پس‌زده (Rejection) می‌شوند، بنابراین با تبدیل سلولهای بنیادی بندناف به سلولهای مغز استخوان و پیوند آنها به بیمار می‌توان تا حد زیادی با مشکل پس‌زدگی مقابله نمود؛ ضمن اینکه این سلولهای بنیادی، از خون بندناف و بلافاصله بعد از تولد نوزاد جداسازی می‌شوند (بندناف بعد از تولد از نوزاد جدا شده و دور انداخته می‌شود) و لذا بعید است که مشکلات اخلاقی خاصی داشته باشند (41). از دیگر مزایای سلولهای بنیادی بندناف، می‌توان به “فقدان عفونت ویروسی” و “سرعت بهبود” اشاره کرد (پس از پیوند این سلول‌ها به مغز استخوان، مدت زمان خون‌سازی و بهبود بیماران کمتر است). تنها مشکل سلولهای بنیادی بندناف آن است که تعداد آنها بسیار کم است و لذا باید این سلول‌ها پس از استخراج در شرایط آزمایشگاهی تکثیر شوند تا بتوان به‌صورت کاربردی از آنها استفاده نمود (42).
انواع درمان‌ها با استفاده از سلولهای بنیادی
تصور بر این است که اگر سلولهای تخصص‌یافته انسان آسیب سخت ببینند نمی‌توان آنها را با سلولهای سالم جایگزین کرد ولی با استفاده از سلولهای بنیادی می‌توان سلولهای تخصص‌یافته سالم تهیه نمود و این سلول‌ها را جایگزین سلولهای آسیب‌دیده کرد. استفاده از سلولهای بنیادی به صورت‌های ذیل صورت می‌گیرد:
- سلولهای بنیادی آلوژنیک: در این حالت سلولهای بنیادی از فرد دیگری تهیه می‌شود. این چنین سلول‌ها معمولاً برای گیرنده بیگانه بوده و احتمال دارد گیرنده علیه آنها پاسخ ایمونولوژیک دهد (43).
- سلولهای بنیادی سینژنیک: در این حالت سلولهای بنیادی از فردی که کاملاً با گیرنده یکسان است تهیه می‌شود. مثلاً در دوقلوهای تک‌تخمی (یکسان) این حالت وجود دارد و یا موش‌هایی که از نژاد خالص تهیه شده‌اند چون آنتی‌ژن‌ها یکسان می‌باشد پاسخ رد پیوند داده نمی‌شود (44).
- سلولهای بنیادی اتولوگ: در این حالت از سلولهای بنیادی خود فرد استفاده می‌شود؛ برای مثال از مغز استخوان خود فرد سلول بنیادی تهیه می‌شود و بعد از آماده‌سازی به خود فرد تزریق می‌شود (45).
نتیجه‌گیری
سلولهای بنیادی به دلیل دارا بودن خاصیت خودتجدیدشوندگی و توان تمایز به بافت‌های مختلف، منبع مناسبی برای استفاده در برخی استراتژی‌های سلول‌درمانی و ژن‌درمانی محسوب می‌شوند. کارایی این سلول‌ها در درمان برخی از بیماری‌ها به خوبی نشان داده شده است. همچنین تحقیقات پیشین انعطاف و شکل‌پذیری این سلول‌ها را در تمایز به سلولهای عصبی، پوششی پوست، ریه، کبد، روده، کلیه و طحال به اثبات رسانده است. با وجود اهمیت سلولهای بنیادی در سلول‌درمانی هنوز هم برخی از جنبه‌های زیست‌شناختی مانند ماهیت، منشأ تکوینی و عملکرد in vivo سلول ناشناخته است. از طرفی کم بودن تعداد آنها در بافت‌های بدن و نیاز سلول درمانی به تعداد زیاد سلول، کشت و تکثیر سلولهای بنیادی در محیط آزمایشگاه را محدود کرده است.
References:
1 Mimeault M, Hauke R, Batra S. 2007. Stem cells: a revolution in therapeutics—recent advances in stem cell biology and their therapeutic applications in regenerative medicine and cancer therapies. Clinical Pharmacology & Therapeutics 82: 252-64
2 Lutolf MP, Gilbert PM, Blau HM. 2009. Designing materials to direct stem-cell fate. Nature 462: 433-41
3 Yu J, Vodyanik MA, Smuga-Otto K, Antosiewicz-Bourget J, Frane JL, Tian S, Nie J, Jonsdottir GA, Ruotti V, Stewart R. 2007. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science 318: 1917-20
4 Ramalho-Santos M, Yoon S, Matsuzaki Y, Mulligan RC, Melton DA. 2002. ” Stemness”: transcriptional profiling of embryonic and adult stem cells. Science 298: 597-600
5 McBeath R, Pirone DM, Nelson CM, Bhadriraju K, Chen CS. 2004. Cell shape, cytoskeletal tension, and RhoA regulate stem cell lineage commitment. Developmental cell 6: 483-95
6 Tay Y, Zhang J, Thomson AM, Lim B, Rigoutsos I. 2008. MicroRNAs to Nanog, Oct4 and Sox2 coding regions modulate embryonic stem cell differentiation. Nature 455: 1124-8
7 Reubinoff BE, Pera MF, Fong C-Y, Trounson A, Bongso A. 2000. Embryonic stem cell lines from human blastocysts: somatic differentiation in vitro. Nature biotechnology 18: 399-404
8 Rubio D, Garcia-Castro J, Martín MC, de la Fuente R, Cigudosa JC, Lloyd AC, Bernad A. 2005. Spontaneous human adult stem cell transformation. Cancer research 65: 3035-9
9 Kern S, Eichler H, Stoeve J, Klüter H, Bieback K. 2006. Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow, umbilical cord blood, or adipose tissue. Stem cells 24: 1294-301
10 Hwang WS, Ryu YJ, Park JH, Park ES, Lee EG, Koo JM, Jeon HY, Lee BC, Kang SK, Kim SJ. 2004. Evidence of a pluripotent human embryonic stem cell line derived from a cloned blastocyst. Science 303: 1669-74
11 Cowan CA, Klimanskaya I, McMahon J, Atienza J, Witmyer J, Zucker JP, Wang S, Morton CC, McMahon AP, Powers D. 2004. Derivation of embryonic stem-cell lines from human blastocysts. New England Journal of Medicine 350: 1353-6
12 Amit M, Carpenter MK, Inokuma MS, Chiu C-P, Harris CP, Waknitz MA, Itskovitz-Eldor J, Thomson JA. 2000. Clonally derived human embryonic stem cell lines maintain pluripotency and proliferative potential for prolonged periods of culture. Developmental biology 227: 271-8
13 Suemori H, Yasuchika K, Hasegawa K, Fujioka T, Tsuneyoshi N, Nakatsuji N. 2006. Efficient establishment of human embryonic stem cell lines and long-term maintenance with stable karyotype by enzymatic bulk passage. Biochemical and biophysical research communications 345: 926-32
14 Groszer M, Erickson R, Scripture-Adams DD, Dougherty JD, Le Belle J, Zack JA, Geschwind DH, Liu X, Kornblum HI, Wu H. 2006. PTEN negatively regulates neural stem cell self-renewal by modulating G0-G1 cell cycle entry. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103: 111-6
15 Ying Q-L, Wray J, Nichols J, Batlle-Morera L, Doble B, Woodgett J, Cohen P, Smith A. 2008. The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature 453: 519-23
16 Takahashi K, Yamanaka S. 2006. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. cell 126: 663-76
17 Hammoud SS, Nix DA, Zhang H, Purwar J, Carrell DT, Cairns BR. 2009. Distinctive chromatin in human sperm packages genes for embryo development. Nature 460: 473-8
18 Gnecchi M, Zhang Z, Ni A, Dzau VJ. 2008. Paracrine mechanisms in adult stem cell signaling and therapy. Circulation research 103: 1204-19
19 Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S. 2007. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. cell 131: 861-72
20 LaBarge MA, Blau HM. 2002. Biological progression from adult bone marrow to mononucleate muscle stem cell to multinucleate muscle fiber in response to injury. Cell 111: 589-601
21 Jaiswal RK, Jaiswal N, Bruder SP, Mbalaviele G, Marshak DR, Pittenger MF. 2000. Adult human mesenchymal stem cell differentiation to the osteogenic or adipogenic lineage is regulated by mitogen-activated protein kinase. Journal of Biological Chemistry 275: 9645-52
22 Wakayama T, Tabar V, Rodriguez I, Perry AC, Studer L, Mombaerts P. 2001. Differentiation of embryonic stem cell lines generated from adult somatic cells by nuclear transfer. Science 292: 740-3
23 Beltrami AP, Barlucchi L, Torella D, Baker M, Limana F, Chimenti S, Kasahara H, Rota M, Musso E, Urbanek K. 2003. Adult cardiac stem cells are multipotent and support myocardial regeneration. Cell 114: 763-76
24 Jiang Y, Jahagirdar BN, Reinhardt RL, Schwartz RE, Keene CD, Ortiz-Gonzalez XR, Reyes M, Lenvik T, Lund T, Blackstad M. 2002. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature 418: 41-9
25 Miyanishi K, Trindade MC, Lindsey DP, Beaupré GS, Carter DR, Goodman SB, Schurman DJ, Smith RL. 2006. Effects of hydrostatic pressure and transforming growth factor-β 3 on adult human mesenchymal stem cell chondrogenesis in vitro. Tissue Engineering 12: 1419-28
26 Palma V, Lim DA, Dahmane N, Sánchez P, Brionne TC, Herzberg CD, Gitton Y, Carleton A, Álvarez-Buylla A, i Altaba AR. 2005. Sonic hedgehog controls stem cell behavior in the postnatal and adult brain. Development 132: 335-44
27 Krause DS, Theise ND, Collector MI, Henegariu O, Hwang S, Gardner R, Neutzel S, Sharkis SJ. 2001. Multi-organ, multi-lineage engraftment by a single bone marrow-derived stem cell. Cell 105: 369-77
28 Forsberg EC, Bhattacharya D, Weissman IL. 2006. Hematopoietic stem cells. Stem cell reviews 2: 23-30
29 Short B, Brouard N, Occhiodoro-Scott T, Ramakrishnan A, Simmons PJ. 2003. Mesenchymal stem cells. Archives of medical research 34: 565-71
30 Kalervo Väänänen H. 2005. Mesenchymal stem cells. Annals of medicine 37: 469-79
31 Cao J, Shang C-z, Lü L-h, Qiu D-c, Ren M, Chen Y-j, Min J. 2010. Differentiation of embryonic stem cells into hepatocytes that coexpress coagulation factors VIII and IX. Acta Pharmacologica Sinica 31: 1478-86
32 Krampera M, Glennie S, Dyson J, Scott D, Laylor R, Simpson E, Dazzi F. 2003. Bone marrow mesenchymal stem cells inhibit the response of naive and memory antigen-specific T cells to their cognate peptide. Blood 101: 3722-9
33 Deans RJ, Moseley AB. 2000. Mesenchymal stem cells: biology and potential clinical uses. Experimental hematology 28: 875-84
34 Mangi AA, Noiseux N, Kong D, He H, Rezvani M, Ingwall JS, Dzau VJ. 2003. Mesenchymal stem cells modified with Akt prevent remodeling and restore performance of infarcted hearts. Nature medicine 9: 1195-201
35 Karnoub AE, Dash AB, Vo AP, Sullivan A, Brooks MW, Bell GW, Richardson AL, Polyak K, Tubo R, Weinberg RA. 2007. Mesenchymal stem cells within tumour stroma promote breast cancer metastasis. Nature 449: 557-63
36 Temple S. 2001. The development of neural stem cells. Nature 414: 112-7
37 Kim JB, Sebastiano V, Wu G, Araúzo-Bravo MJ, Sasse P, Gentile L, Ko K, Ruau D, Ehrich M, van den Boom D. 2009. Oct4-induced pluripotency in adult neural stem cells. Cell 136: 411-9
38 Kim JB, Zaehres H, Wu G, Gentile L, Ko K, Sebastiano V, Araúzo-Bravo MJ, Ruau D, Han DW, Zenke M. 2008. Pluripotent stem cells induced from adult neural stem cells by reprogramming with two factors. Nature 454: 646-50
39 Merkle FT, Mirzadeh Z, Alvarez-Buylla A. 2007. Mosaic organization of neural stem cells in the adult brain. Science 317: 381-4
40 Sanchez-Ramos J. 2006. Stem cells from umbilical cord blood. Presented at Seminars in reproductive medicine
41 Kim SM, Lim JY, Park SI, Jeong CH, Oh JH, Jeong M, Oh W, Park S-H, Sung Y-C, Jeun S-S. 2008. Gene therapy using TRAIL-secreting human umbilical cord blood–derived mesenchymal stem cells against intracranial glioma. Cancer research 68: 9614-23
42 Savarese TM, Strohsnitter WC, Low HP, Liu Q, Baik I, Okulicz W, Chelmow DP, Lagiou P, Quesenberry PJ, Noller KL. 2007. Correlation of umbilical cord blood hormones and growth factors with stem cell potential: implications for the prenatal origin of breast cancer hypothesis. Breast Cancer Res 9: R29
43 Aggarwal S, Pittenger MF. 2005. Human mesenchymal stem cells modulate allogeneic immune cell responses. Blood 105: 1815-22
44 Guha P, Morgan JW, Mostoslavsky G, Rodrigues NP, Boyd AS. 2013. Lack of immune response to differentiated cells derived from syngeneic induced pluripotent stem cells. Cell stem cell 12: 407-12
45 Yalçin B, Kremer L, Caron HN, van Dalen EC. 2010. High-dose chemotherapy and autologous haematopoietic stem cell rescue for children with high-risk neuroblastoma. Cochrane Database Syst Rev 5
ســلــول درمـــانـــی – بانک سلولی دیــــروز ، امـــــروز، فــــــــــردا
برای دانلود فایل pdf بر روی لینک زیر کلیک کنید
ورود / ثبت نام