وجود سلول هایی با قدرت تکثیر بالا و تمایز کم سازو کار اصلی برای ایجاد یک موجود زنده دارای بافتهای مختلف و برای جایگزینی سلول ها و بقای دینامیک بافت ها و ترمیم نسوج ، می باشد . دانش و تسلط بر مکانیسم های عملکرد این سلول ها یکی از بالاترین توانمندی های پزشکی مدرن برای بازسازی نسوج و جلوگیری از روند پیری است .
نویسنده : دکتر محمد زهرائی
وجود و عملکرد سلولهای بنیادی Stem Cell یکی از اساسی ترین اصول وجود یک موجود پر سلولی است . اما چرا این اصل وجود دارد و تعریف سلول بنیادی چیست ؟
قبل از اینکه بخواهیم از سلول بنیادی و خاصیت بنیادگی Stemness ، صحبت کنیم باید مفهوم تکثیر و تمایز را بدانیم .
تکثیر و تمایز :
انسان از بافتها و ارگانهای بسیاری تشکیل شده است که هر یک عملکرد خاصی دارند و خود از سلولهائی تشکیل شدهاند با عملکرد ویژه . مثلا ما سلول گیرنده نور در چشم را داریم و سلول سازنده غضروف مفصلی و سلول پوشش روده که هریک در کار خود تخصص پیدا کردهاند . در علوم سلولی این تخصص یافتگی را تمایز Differentiation مینامیم .
اما جالب اینکه تمامی سلولهای بدن ما کد ژنتیکی یکسانی را در خود دارند .در تمام سلولهای بدن انسان به یکسان ماده ژنتیکی وجود دارد شامل DNA به طول سه میلیارد و دویست میلیون جفت باز که در قالب 46 رشته کروموزوم آرایش یافتهاند . انسان حدود 25 هزار ژن دارد که هر یک ، یک پروتئین را کد میکند که این پروتئینها با ایحاد اتصالات سه بعدی در قالب انزیم ، گیرنده و یا ساختار ، تمامی فعالیتهای لازم برای حیات جاندار را انجام میدهند.
برای فعالیت متفاوت سلولها باید در هر سلول پروتئینهای خاصی ساخته شود یعنی یک سری ژنها باید فعال شوند و یکسری غیر فعال تا تخصصی شدن یا تمایز رخ دهد . این روش از اولیهترین موجودات پر سلولی شروع شد . رشته ژنتیکی به دور پروتئینهائی به نام هیستون میپیچد و هیستونها با آزاد کردن رشته حاوی ژن امکان رونویسی از آن برای ساخت پروتئین را میدهند .
هیستونها و ژنهای کد کننده آنها عملا در تمام موجودات زنده پر سلولی و در گیاهان و حیوانات مشترک هستند و نشان از یک خط تکاملی موفق هستند . هر چه موجود پر سلولتر و عملکرد سلولها متنوعتر باشد تنظیمات بیشتر لازم است و رشته DNA بیشتر باید دور هیستونها بپیچد . در انسان فقط دو درصد کل رشته سه ملیارد و دویست میلیون بازی ، کد کننده است یعنی ژن است و از روی آن پروتئین ساخته میشود . بقیه یا در سیر تکامل انباشته شده یا نقش تنظیمی دارد .
حال یک نیاز بسیار مهم یعنی تکثیر یا به عبارتی افزایش تعداد سلولها که به سه دلیل لازم است ، اولا بدن ما از یک سلول باید به حدود هزار میلیارد سلول برسد و دوم اینکه حیات یک بقای دینامیک است یعنی موجود زنده متشکل است از تعداد زیادی اجزاء ( سلول ) که دائم تعدادی بین رفته و تعدادی جایگزین میشوند سوم اینکه موجود زنده دائما در معرض آسیب است و ترمیم و ساخت سلول جدید نیاز دارد ، پس به این سه دلیل سلولها نیاز به تکثیر Proliferation دارند .
تکثیر در تمامی موجودات زنده به صورت تقسیم سلولی است یعنی یک سلول به دو سلول تبدیل میشود . در یک چرخه خاص مواد داخل سلول و ماده ژنتیکی دو برابر شده و بعد سلول به دو سلول تبدیل میشود. این هم یک روش تکاملی موفق است یعنی تکثیر دوتائی از اولیه ترین شکل حیات و باکتریها تا یوکاریوتها و موجودات پرسلولی .
بنا به علل زیادی منجمله نیازهای عملی و البته غیر فعال شدن حجم زیاد ژنهای غیر مرتبط با فعالیت و عللی که در این مجال نمیگنجد تکثیر و تمایز با یکدیگر نسبت عکس دارند یعنی هرچه تمایز بیشتر باشد قدرت تکثیر کمتر میشود .
شاید بتوان امکان تکثیر را مهمترین خاصیت یک سلول بنیادی دانست به این ترتیب معادله ما میتواند به این ترتیب هم باشد بنیادگی نسبت عکس با تمایز دارد هر چه سلول تمایز یافتهتر باشد ، بنیادگی یا stemness آن هم کمتر می شود .
برای روشن شدن موضوع سلسله تمایز را از زمان یک سلولی بودن انسان تا رسیدن به یک سلول کاملا اختصاصی شده بررسی میکنیم :
ابتدا یک سلول زیگوت ( تخم ) از ترکیب تخمک و اسپرم حاصل شده است ، به دو سلول تقسیم میشود و هر یک به دو سلول تا یک کره سلولی را تشکیل میدهند . این سلول ها هیچ تمایزی ندارند همه مثل هم هستند و به آنها سلول بنیادی کل توانStem Cell Toti potential گفته میشود یعنی هرکدام یا چندتا را برداریم میتواند یک جنین و جفت کامل تشکیل شود ( مکانیسم ایجاد دوقلوهای همسان ) و اگر یکی از آنها را برای نمونه برداری ، برداریم هیچ خللی در اتفاقات بعدی رخ نمیدهد ( نمونهبرداری از جنینهای تشکیل شده با IVF برای بررسی ژنتیکی و انتخاب نوزاد سالم ) .
5 تا 6 روز پس از شروع تقسیمات یک قطبشی ایجاد میشود و سلولهای در یک سطح کره سلولی به سمت ایجاد جفت تمایز مییابند و در مراحل بعدی جفت و بند ناف و پردههای جنینی را خواهند ساخت ، بقیه سلولها به سمتی خواهند رفت که بعد کل یک انسان را خواهند ساخت و با یک درجه تمایزی که دارند حالا دیگر کل جفت را نمیتوانند بسازند و فقط جنین را میتوانند بسازند به اینها سلول بنیادی پلوری پوتنشیال یا پر توان Pluripotential Stem Cell میگویند که هر یک میتوانند تمام ارگانهای بدن را بسازند .
حالا ضمن رشد بسیار سریع جفت و نفوذ به داخل بافت رحم ، سلولهای سازنده جنین تکثیر میابند و توده کم کم تخت شده و سپس با قطبش بعدی ضمن لوله شدن روی خود به سه لایه مجزا تبدیل میشود ( فرایند Gastrulation ) . این سه لایه هریک تعدادی از ارگانهای بدن را تشکیل میدهند . این سه لایه عبارتند از اکتودرم ، مزودرم و اندودرم . سلولهای هریک از لایهها سلول بنیادی مولتی پوتنشیال یا چند توان Multipotential Stem Cell نامیده میشوند .
سپس در لایه اکتودرم یک شکاف ایجاد و سپس روی خود بسته میشود و لوله عصبی را ایجاد میکند که سلولهای آن به سمت تمایز جداگانهای میروند ، این سلولهای بنیادی سلولهای بنیادی متعهد به ایجاد بافت عصبی نامیده میشوند و بعد در مراحل تمایزی بعدی سلولهای بنیادی پیش ساز عصبی را ایجاد میکنند . این سلولها که ممکن است پیش ساز انواع سلولهای عصبی ( نرون ) باشند و یا پیش ساز سلولهای محافظ عصبی. بقیه لایه اکتودرم ، پوست و ضمائم پوستی و غدد عرق و مو و دندان را ایجاد میکند .
لایه مزودرم به تمام مناطق جنین و جفت نفوذ میکند و سلولهای مولتی پوتنشیال حالا با تمایز بیشتر به دو خط تمایزی تقسیم میشوند یکی سلولهای بنیادی بافت خونساز که کل سیستم ایمنی و خونی را ایجاد میکند و بعد به سلول بنیادی متعهد Committed به ساخت بافت خونساز و متعهد به ساخت بافت ایمنی تمایز مییابد تا بعد هریک به پیش ساز یک رده خونی یا ایمنی تبدیل شوند .
خط دوم تمایز به سلول بنیادی مزانشیمی برای ایجاد بافتهای همبندی است . این بافتها عبارتند از سیستم قلبی عروق شامل سلولهای عضلانی قلب و جدار عروق و سلولهای آندوتلیال پوشاننده داخل این سیستم ، بافت استخوانی ، بافت غضروفی ، بافت سینوویال داخل مفاصل ، عضلات صاف و عضلات ارادی ، تاندونها و رباطها ، بافت زیر جلدی پوست ، و بافت چربی . سلول بنیادی مزانشیمی به سلول بنیادی متعهد به ساخت هر یک از بافتها تبدیل شده و در مورد هر بافت با تولید پیشساز سلول مربوطه تمایز به سمت حداکثری حرکت میکند.
لایه اندودرم بافت پوشاننده تمام ارگانهای داخلی بدن میباشد شامل دستگاه گوارش و دستگاه تنفسی و کبد نیز از این لایه ایجاد میشود .
مشخص شد که از سلول تخم تا هر سلول نهائی مثلا یک سلول عضله قلب ما حداقل 7 مرحله تمایز داریم ( سلول های بنیادی کل توان ، پر توان ، چند توان مزودرمی ، مزانشیمی ، متعهد به ایجاد عضله ، سلول پیش ساز عضله قلبی ، سلول عضله قلبی ) . به این ترتیب در هر مرحله تمایز بیشتر می شود و البته قدرت تکثیر کمتر تا از سلول تخم تا قدرت تکثیر بدون مهار و بدون هیچ عملکردی جز تکثیر ، برسیم به سلول کاملا تمایز یافته دارای عملکرد کاملا خاص عضله قلبی و البته با قدرت تکثیر صفر .
سلولهای بنیادی جنینی
سلولهای بنیادی کل توان Toti potent و پرتوان Pluripotent و چند توان Multipotent ، همگی سلولهای بنیادی جنینی هستند که فقط در جنین وجود دارند و به همین علت سلولهای بنیادی جنینی Embryonic Stem Cell نامیده میشوند .
این سلولها مها ر تکثیر ندارند و یا خیلی کم دارند و به همین جهت به صورت سلول استفاده درمانی ندارند چون ممکن است رشد بدون کنترل و شاید سرطانی ایجاد کنند اما به شدت در تحقیقات مورد استفاده هستند .
سلولهای بنیادی بالغین ( یا بافتی )
سلولهای بنیادی هستند که در زمان جنینی یک بافت را رشد و توسعه میدهند و همچنان در بافتها باقی میمانند تا آخر عمر و همواره وظیفه تولید سلول برای بقای دینامیک بافت ( از دست رفتن مدام سلولها و جایگزینی آنها ) و ترمیم بافت را برعهده دارند . هر بار سلول بنیادی بالغین تقسیم میشود یک سلول مجددا سلول بنیادی شده و یکی به سمت تمایز میرود. تکثیر سلولهای بنیادی بافتی به شدت مهار شده است
سلول درمانی
سلول درمانی علمی بود که با شناخت سلولهای بنیادی توسعه یافت ( از دهه 70 میلادی ) ، به این امید که با استفاده از خواص سلولهای بنیادی بتوان
- نوسازی سلولی بافت دچار مشکل
- جوان سازی بافت پیر شده و نارسا
- تولید بافت جدید در بدن در پاسخ به صدمات و آسیبهای شدید
- تولید بافت جدید در خارج از بدن جهت کاشت در بدن
را به انجام رسانید ، البته مشخص شد که این کار به آسانی وارد کردن سلولهای بنیادی به یک بافت نیست و فاکتورها و جنبههای بسیاری در این راه دخیل است .
اما با گسترش تحقیقات جنبههای بسیار جالبی از رفتار سلولها مشخص شد که امروزه انتظارات بسیاری از آنها وجود دارد که به صورت خلاصه در اینجا اشاره میشود :
ارتباطات بین سلولی :
همانطور که دیدیم سلولهای جنینی از مرحله چند سلولی دائم در حال تمایز به انواع مختلف هستند ، در بدن انسان سلولها به طور منظم فعالیتشان تنظیم میشود ، مکانیسم این تنظیمات چیست ؟
حیطه علمی بسیار وسیع و البته بسیار بزرگی به نام ارتباطات بین سلولی گشوده شد ، بر این اساس رفتار تمام سلولها و اینکه در هر سلولی کدام ژنها بیان میشوند Gene Expression وابسته به سیگنالهائی است که از محیط یا از سلولهای دیگر به آنها میرسد.
روشهای مهم این ارتباطات عبارتست از :
- مکانیسم رسپتور لیگاند : در این نوع ارتباط بین سلولی ، مولکول پروتئینی کوچک ( پپتید ) یا متوسط از یک سلول ترشح شده که میتواند بر روی گیرنده سلول دیگری بنشیند . گیرنده هم خود یک پروتئین با ساختار سه بعدی و بخش داخل سلولی است ، اگر انچه روی گیرنده مینشیند با گیرنده اتصال سه بعدی با چفتشدگی خوبی داشته باشد ( اختصاصی بودن گیرندهها ) بخش داخل سلولی دچار تغییر شده و آبشاری از تغییرات را که اصطلاحا Signaling Pathway نامیده میشود را راه اندازی میکند که در نهایت موجب ایجا فاکتورهائی میشود که داخل هسته رفته و رونویسی از یک ژن خاص منتج به ایجاد یک آنزیم خاص و در نتیجه یک فعالیت خاص را باعث میشود .
لیگاند آن پروتئینی است که به گیرنده متصل میشود ، اگر از راه خون و از بافت دور بیاید هورمون نامیده میشود و این روش پیامرسانی آندوکرین نامیده میشود . اگر در همان بافت ترشح شده باشد ( اگرچه در خون هم میرود ) روش آپوکرین نامیده میشود و لیگاند به نام فاکتور رشد تامیده میشود . گاها روش اتوکرین هم داریم که سلول ترشح کننده بر خودش تاثیر میگذارد . در مورد سیستم ایمنی تمام این لیگاندها به نام سایتوکین نامیده میشوند .
امکان کارکرد با فاکتورهای رشد مهمترین و فراگیرترین قدرت تسلط بر ارتباطات بین سلولی بوده است .
- ترشح اگزوزوم : ( که در دهه 80 میلادی شناخته شدند ) اگزوزومها کراتی هستند انباشته از اسید نوکلئیک microRNA و فاکتورهای رشد و پروتئینهای موجود در سلول که قویترین شکل پیام رسانی بین سلولها میباشد ، چرا که در این روش عملا بار بزرگی از مولکولها از سلول ترشح کننده در سلول هدف تخلیه میسود .
تمام سلولها اگزوزوم ترشح میکنند ، چه جنینی ، چه بالغین ؛ چه سلول بنیادی و چه سلول کاملا تمایز یافته ، چه سلول نرمال و چه سلول آسیب دیده و یا حتی سرطانی ، سلول انسانی ، حیوانی ، گیاهی . جالب اینکه سه درصد از ژنهای ما پروتئین کد نمیکنند بلکه microRNA اختصاصی اگزوزومها را کد میکنند . امروزه استفاده از اگزوزوم سلولهای مختلف حجم بزرگی از فعالیتهای تحقیقاتی را تشکیل میدهد .
سلول بنیادی القاء شده
اگر بتوانیم بر ارتباطات بین سلولی مسلط بشویم و آن را در اختیار بگیریم هر دستوری که بخواهیم را میتوانیم به سلولها اعمال کنیم و سلولها آن کار را انجام میدهند و هدف ما براورده می شود . یکی از موارد مهم موفقیت برگرداندن بنیادگی یا افزایش آن بوده به این ترتیب که میتوان یک سلول پیش ساز مثل فیبروبلاست یا پیشسازهای خونی را تبدیل به سلول بنیادی پلوری پوتنشیال نمود که Induced Stem Cell یعنی القاء خاصیت بنیادی بودن به سلول و کاهش تمایز آن و ایجاد تکثیر در آن .
سلول بنیادی مزانشیمی :
سلول بنیادی مزانشیمی Mesenchymal Stem Cell تحول بسیار بزرگی در علم سلول درمانی ایجاد نمود .
MSC سلول بنیادی ایجاد کننده تمام بافتهای همبندی یعنی بافت های دارای ماده زمینهای خارج سلولی مثل استخوان ، غضروف ، رباط ، تاندون و بافت زیر پوست و بافت عضلانی شامل عضلات ارادی و قلب و سلولهای جدار داخلی عروق و بافت چربی میباشد . بخودی خود یک امکان گسترده استفاده در مورد تمام این بافتها برای آن فراهم است اما سه خاصیت بسیار مهم آن را کاربردی تر نموده است .
سلولهای بنیادی مزانشیمی در جفت و در تماس با بدن مادر هم تولید میشوند و تا وقتی تمایز نیافتند هیچ کمپلکس سازگار بافتی MHC در سطح خود بروز نمیدهند پس در صورت تزریق به افراد مختلف به عنوان سلول بیگانه شناخته نمیشوند ، پس از یک منبع بسیار راحت یعنی جفت میتوان آنها را تهیه نمود ، تکثیر کرد ، و به راحتی و بی هیچ دغدغه از نظر سازگاری در هر فرد دیگری استفاده کرد ، یعنی یک منبع سهل و راحت و همیشگی سلول بنیادی همیشه در دسترس ما است .
دوم اینکه این سلولها یک خاصیت بسیار عالی تنظیم سیستم ایمنی دارند که در واقع کاربرد اصلی آنها امروزه همین است .
و سوم اینکه میتوان به جای خود سلول بخصوص انواع گرفته شده از جفت ، از اگزوزوم آن استفاده کرد .
این سه خاصیت مهم در بخش سلولهای بنیادی مزانشیمی به تفصیل توضیح داده شده است.