Początki przyszłości

​Lata 50. XX w. były szczytem epoki atomu. Ale postęp domaga się ofiar – obok techniki nuklearnej rozwijała się też medycyna, zmagająca się ze szkodliwymi efektami promieniowania. Właśnie w tym kontekście w 1959 r. amerykański lekarz E. Donnall Thomas dokonał prawdopodobnie pierwszej w historii udanej terapii komórkami macierzystymi.

Jego pacjentem był młody mężczyzna, którego szpik kostny – wskutek niemal śmiertelnej dawki promieniowania – prawie nie produkował zdrowych limfocytów, komórek układu odpornościowego. Szczęśliwie jednak miał on brata bliźniaka, od którego pobrano szpik kostny i wprowadzono do krwiobiegu pacjenta. Wiedziano wtedy, że szpik bierze udział w tworzeniu komórek krwi. Ale nie było wiadomo, że odpowiadają za to obecne w nim tzw. hematopoetyczne komórki macierzyste.

Terapia zakończyła się sukcesem, a Thomas w 1990 r. otrzymał Nagrodę Nobla.

Czy komórki macierzyste pomogą leczyć dzieci z porażeniem mózgowym? Medyczny eksperyment prowadzą lekarze w Lublinie – czytaj więcej

Dziś przeszczep szpiku stanowi jedną ze standardowych metod terapii w przypadku białaczki. Co ciekawe, niemal 60 lat po tej pionierskiej interwencji, wciąż wiele form terapii komórkami macierzystymi opiera się na nie w pełni jasnych mechanizmach biologicznych.

Cud wszechstronności

W dorosłym organizmie ludzkim istnieje ponad 200 typów komórek: neurony, komórki krwi, skóry, mięśni czy nerek. Wszystkie pochodzą od jednej: zygoty, powstałej z połączenia plemnika z komórką jajową. Od zapłodnienia trwa nieustający proces dzielenia się komórek i coraz węższej ich specjalizacji.

Początkowo komórek jest niewiele – dwie, cztery, osiem… Są to komórki totipotencjalne, co oznacza, że mogą się stać dowolnego typu komórką, ciała lub łożyska. Wkrótce wydziela się ich podgrupa tworząca embrion – to embrionalne komórki macierzyste. A ponieważ mogą się w przyszłości stać dowolnego typu komórką ciała (ale nie wyściółki łożyska), należą do pluripotencjalnych komórek macierzystych.

infografika: Lech Mazurczyk

Choć jedne z nich staną się ostatecznie komórkami mózgu, a inne mięśni nogi, to gdyby teraz pozamieniać je miejscami, też powstałby normalnie rozwinięty organizm. W poszczególnych komórkach embrionalnych nie działa więc żaden „program chemiczny” pchający je ku jakiejś konkretnej funkcji. Ba, nawet rozdzielenie tak młodego embrionu na dwie części nie spowoduje powstania dwóch organizmów, z których jeden będzie miał nogi, a drugi głowę, lecz… bliźniąt jednojajowych.
W miarę życia płodowego komórki stopniowo „osiadają” w ściśle ustalonych rolach i miejscach. Różnicują się za sprawą rozmaitych związków chemicznych, zwanych morfogenami (w embrionie) i czynnikami wzrostowymi (w dojrzałym organizmie). Obecność danych związków w środowisku komórki sprawia, że uruchamia ona określony program genetyczny. Na przykład pluripotencjalne komórki macierzyste umieszczone ręcznie w ośrodku zawierającym tzw. czynniki wzrostu nerwów zaczynają się z czasem wydłużać i coraz bardziej przypominać neurony.

Wzrastający embrion przepełniony jest setkami tego typu substancji, o precyzyjnych stężeniach w określonych miejscach. Dzięki temu nerki nie powstają w głowie – choć przecież każda z komórek macierzystych w głowie płodu ma potencjał, aby stać się komórką nerki.

Część komórek macierzystych organizm utrzymuje jednak w stanie „niedookreślonym”, izolując je od owych sygnałów chemicznych. Wykorzysta je później do uzupełniania strat wśród dojrzałych komórek. Ale umieszczone w uszkodzonym mięśniu komórki nie staną się w magiczny sposób włókienkami mięśniowymi. Muszą zostać do tego pobudzone poprzez ćwiczenia. Żeby w dorosłym organizmie doszło do regeneracji tkanek, musi się pojawić zapotrzebowanie na nie – dlatego terapii komórkami macierzystymi towarzyszy rehabilitacja.

W dorosłym organizmie, który składa się głównie z komórek zróżnicowanych, pozostaje więc wiele populacji komórek macierzystych, które wspólnie określane są jako somatyczne komórki macierzyste. Większość z nich jest częściowo wyspecjalizowana – przeszła część drogi od komórki pluripotencjalnej do zróżnicowanej. Na przykład wspomniane już hematopoetyczne komórki macierzyste mogą się stać różnymi komórkami krwi, jednak nie komórkami skóry albo neuronami. Tego typu komórki, o pośrednich możliwościach, nazywają się multipotencjalne.

Każdego roku wiemy coraz więcej o tych poukrywanych w naszym ciele populacjach. Jedną z nich są komórki macierzyste miazgi zęba, które tworzą nowe zęby u dzieci. Inną są mezenchymalne komórki macierzyste, które rezydują w szpiku obok komórek hematopoetycznych. Nawet w tkance tłuszczowej występują komórki pluripotencjalne, za sprawą czego wiele współczesnych procedur terapeutycznych rozpoczyna się od… liposukcji. Dwa w jednym.

Neuralne komórki macierzyste rozproszone są z kolei w mózgu, gdzie dają początek nowym komórkom układu nerwowego. Ich odkrycie było rewolucją w neurologii i psychologii. Oznacza bowiem, że człowiek przez całe życie może produkować nowe neurony. Jeśli tylko jest na nie zapotrzebowanie…

Skąd wziąć komórki

Problem z komórkami macierzystymi polega na tym, że bywają bardzo trudno dostępne. Neuralne komórki macierzyste są rozrzucone po mózgu. Komórki macierzyste miazgi zęba siedzą w szczękach małych dzieci. Najlepiej dostępne są komórki hematopoetyczne i mezenchymalne, choć ich wydobycie i tak wiąże się z operacyjnym rozwiercaniem kości, oraz te w tkance tłuszczowej.

Oko medycyny zwróciło się więc w kierunku komórek produkowanych w okresie życia płodowego. Bo szczęśliwie część komórek macierzystych unosi się też w wodach płodowych i w krwi pępowinowej. Oraz w tzw. galarecie Whartona znajdującej się w pępowinie – to żelowata substancja, która po ochłodzeniu silnie tężeje – po przerwaniu pępowiny powoduje więc jej zasklepienie.

Po porodzie pępowinę zwykle się utylizuje. Wystarczy zatem tylko zgoda rodzącej kobiety, aby z każdym porodem pozyskiwać też miliardy komórek macierzystych – łatwo i etycznie.

To ważne, bo temat ich pozyskiwania rodził wiele kontrowersji. Czysto teoretycznie bowiem do celów terapeutycznych idealnie nadawałyby się komórki embrionu, jednak ich pozyskiwanie oznacza w praktyce produkowanie w laboratorium embrionów ludzkich. To dlatego takie źródło komórek, jak krew pępowinowa czy galareta Whartona, okazuje się jeszcze cenniejsze. Postęp nauki może sprawić, że kontrowersje w ogóle znikną.

Istnieje jeszcze jeden sposób pozyskiwania komórek macierzystych: z dojrzałych, zróżnicowanych komórek. To w pewnym sensie cofanie ich zegara biologicznego – „odróżnicowywanie”. Takie komórki nazywa się indukowanymi pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi, ponieważ stan pluripotencjalności jest w nich wywoływany (indukowany) sztucznie. Do genomu zróżnicowanych komórek, np. nabłonka skóry ludzkiej, wprowadza się dodatkowe geny odpowiedzialne za „zachowania” pluripotencjalne, i poddaje je odpowiednim czynnikom chemicznym. Dziś to jednak skomplikowana i droga procedura, w dodatku często prowadzi tylko do częściowego odróżnicowania.

Święty Graal medycyny

Ale po co właściwie pozyskiwać te komórki? Otóż ich „macierzystość” sprawia, że są one dziś istnym Świętym Graalem medycyny. Ich potencjalne zastosowania to wszystkie te sytuacje, w których pojawia się niedobór jakichś komórek.
Dobrym przykładem jest białaczka. Od lat leczy się ją przeszczepem szpiku, a to nic innego, jak terapia komórkami macierzystymi. Ale nie tylko. Ostatnia dekada to okres niebywale szybkiego postępu w ich wykorzystywaniu.
W 2005 r. po raz pierwszy doniesiono o skutecznej regeneracji rdzenia kręgowego. Pacjentką była 37-letnia Koreanka, od 18. roku życia, wskutek urazu, sparaliżowana od pasa w dół. W uszkodzony odcinek rdzenia wstrzyknięto jej zawiesinę ze specjalnie hodowanymi komórkami z krwi pępowinowej. Hodowla trwała wiele tygodni, aż zaczęły przypominać neurony. Ostatnie etapy różnicowania się komórek zaszły już w ciele pacjentki, w otoczeniu jej własnych tkanek. Dwa tygodnie po operacji pacjentka – poddawana cały czas rehabilitacji – potrafiła samodzielnie utrzymać pozycję pionową w wózku. Kilka dni później była w stanie podnieść obie nogi o centymetr.

Również w zawale serca i wylewie krwi do mózgu istotą problemu jest spowodowane niedokrwieniem unieczynnienie wielkiej liczby komórek, wskutek czego uszkodzony zostaje cały organ. Zamartwica okołoporodowa to z kolei spowodowane nieprawidłowym przebiegiem porodu niedotlenienie organizmu dziecka, wywołujące najpoważniejsze szkody w mózgu [zob. reportaż „Dzieci nowej terapii” – red.]. Badania nad terapią komórkami macierzystymi w tych przypadkach trwają od ponad dziesięciu lat, ale postęp jest powolny. Część problemu leży w tym, że trudno powiedzieć, skąd się bierze poprawa [zob. rozmowa z dr Magdaleną Chrościńską-Krawczyk – red.]. Najprostszą możliwością jest przekształcanie się komórek macierzystych w nowe komórki – np. mięśnia sercowego. Być może jednak ich obecność w ustroju przyczynia się do powstawania nowych naczyń krwionośnych, które pobudzają niedotlenione komórki. Niektórzy przypuszczają zaś, że komórki macierzyste powodują „rozpuszczenie” nieczynnych komórek, a organizm samodzielnie uzupełnia braki z własnej puli.

Warto wspomnieć i o mniej dramatycznych zastosowaniach. W ubiegłym roku po raz pierwszy wyhodowano z komórek macierzystych… mieszki włosowe. Na razie udało się powstrzymać łysienie wyłącznie u myszy. Trwają także prace nad wszczepianiem w szczękę zawiązków uzyskanych z komórek macierzystych miazgi zęba.

Sytuacja jest więc tyleż interesująca, co skomplikowana. Odkrywamy nowe odmiany komórek macierzystych, a eksperymenty i coraz liczniejsze, zatwierdzone już formy terapii stopniowo pokazują, jaki w nich tkwi potencjał. Z drugiej strony wciąż nie wiemy albo nie jesteśmy pewni, skąd się bierze ich biologiczna skuteczność, a ich pozyskiwanie bywa technicznie skomplikowane lub kontrowersyjne.

Trudno się jednak oprzeć wrażeniu, że jesteśmy świadkami pierwszych, burzliwych dekad rozwoju czegoś, co kiedyś stanie się standardowym narzędziem medycyny. ©

Łukasz Lamża