Een inleiding tot de stamcelbiologie

Zoals hun naam al doet vermoeden, zijn stamcellen de voorlopers waaruit vele verschillende celtypen "stammen". Ze worden gekenmerkt door hun potentie, of het vermogen om te differentiëren in cellen uit alle drie de kiembladen, evenals hun hernieuwbaarheid, of het vermogen om meer stamcellen te genereren. In de hoop de velden van ontwikkelingsbiologie en regeneratieve geneeskunde te bevorderen, werken stamcelingendocenten eraan om te begrijpen hoe deze unieke cellen zo'n groot kunststuk kunnen volbrengen.

Deze video behandelt belangrijke ontdekkingen op het gebied van stamcelbiologie, belangrijke vragen gesteld door wetenschappers in dit veld, prominente methoden gebruikt door stamcelingendocenten en toepassingen van stamcelonderzoek.

Nu we het concept van stamcellen hebben geïntroduceerd, laten we duiken in de rijke geschiedenis van stamcelonderzoek.

In de jaren 1960 ontdekten Drs. Ernest McCulloch en James Till enkele van de eerste definitieve bewijzen voor het bestaan van hematopoëtische stamcellen in het beenmerg van volwassen zoogdieren. Deze cellen hebben het vermogen om zichzelf te vernieuwen en zijn multipotent, wat betekent dat ze kunnen differentiëren in meerdere, maar beperkte, soorten cellen - namelijk de cellen van het bloed en het immuunsysteem.

In 1988 perfectioneerden Irving Weissman en collega's een methode voor het zuiveren van hematopoëtische stamcellen uit muisbeenmerg.

In 1981 bedacht professor Gail Martin de term "embryonaal stamcel". In tegenstelling tot hematopoëtische stamcellen zijn embryonale stamcellen pluripotent, met het vermogen om te differentiëren in alle celtypen van het lichaam. Zij en wetenschappers Martin Evans en Matthew Kaufman ontwikkelden gelijktijdig, maar afzonderlijk, methoden om de binnenste celmassa uit muis blastocysten te extraheren en ze in vitro als stamcellen te kweken.

In 1998 slaagde Dr. James Thomson erin de eerste menselijke embryonale stamcellijnen te vestigen, meer dan tien jaar na de isolatie van muis embryonale stamcellen.

In 2006 vond een grote doorbraak plaats met de komst van geïnduceerde pluripotente stamcellen, zoals bedacht door Dr. Shinya Yamanaka. Bouwend op het werk van John Gurdon, ontwikkelde Yamanaka een methode om gedifferentieerde cellen te herprogrammeren naar een pluripotente toestand door een retrovirus te gebruiken om de expressie van een kleine set transcriptiefactoren te induceren, nu bekend als de "Yamanaka-factoren". De resulterende cellen werden "geïnduceerde pluripotente stamcellen" of "iPSC's" genoemd. Deze experimenten werden als zo fundamenteel belangrijk beschouwd dat Yamanaka en Gurdon in 2012 de Nobelprijs kregen.

Op dit moment hebben we nu iPSC-modellen van verschillende menselijke ziekten en regeneratieplatforms in meerdere weefsels.

Tegenwoordig wordt stamcelingendocenten aangestuurd door verschillende overkoepelende vragen.

Een van de belangrijkste van deze vragen is: hoe behouden stamcellen pluripotentie en hernieuwbaarheid? Er zijn twee gerelateerde kenmerken van stamcellen die deze eigenschappen verlenen. Ten eerste is de expressie van specifieke genen die essentieel zijn voor stamceleigenschappen en zelfvernieuwing. De tweede is de gevoeligheid van stamcellen voor regulerende factoren die de expressie van deze genen beïnvloeden.

De volgende logische vraag is: hoe wordt de differentiatie van stamcellen gericht? Terwijl een stamcel zich ontwikkelt tot een volwassen cel, induceert activering van specifieke differentiatiepaden veranderingen in genexpressie, het uitschakelen van stamcelingen en het inschakelen van weefselspecifieke genen, wat resulteert in toenemende specialisatie van celfunctie en morfologie.

Laten we ten slotte de belangrijkste vraag behandelen die stamcelingendocenten financiert: kunnen stamcellen worden gebruikt om ziekten te behandelen? Regeneratieve geneeskunde gaat deze vraag op twee manieren aan: 1) door organen in het laboratorium te laten groeien en 2) door stamcellen via transplantatie af te leveren om weefseldegeneratie te behandelen.

Nu we enkele van de belangrijkste vragen over stamcelbiologie hebben gepresenteerd, laten we enkele van de prominente methoden bespreken die worden gebruikt om deze te benaderen.

Microarray-technologie kan worden gebruikt om te ontdekken welke genen potentie en hernieuwbaarheid in stamcellen verlenen. In deze techniek wordt totaal RNA geïsoleerd uit een populatie cellen, die fungeert als een momentopname van de huidige genexpressie. In een reeks stappen wordt dit mRNA omgezet in een fluorescerend gelabelde sonde en gehybridiseerd met een chip die transcripten van het gehele menselijk genoom bevat. Het scannen van deze chip geeft een uitlezing van relatieve genexpressieprofielen. Zoals je kunt zien, geeft een stamcel een specifiek set van genen af die verschilt van een gedifferentieerde cel.

Een andere assay voor pluripotentiegenen omvat het Oct4-GFP detectiesysteem. Oct4 is vereist voor zelfvernieuwing en wordt snel neergereguleerd tijdens differentiatie. Daarom fungeert de expressie ervan als een betrouwbare indicator van "stamceleigenschap". In dit experiment drukken cellen groen fluorescerend eiwit uit onder controle van de Oct4-promotor. Deze cellen kunnen vervolgens experimenteel worden gemanipuleerd en veranderingen in GFP-expressie worden geanalyseerd om nieuwe genen of oplosbare factoren te identificeren die zelfvernieuwing moduleren.

Om stamcellen in vitro te bestuderen, moeten we eerst begrijpen hoe we ze kunnen kweken. Stamcellen hebben een specifiek micro-omgeving nodig om stamceleigenschap te behouden. Dit kan worden bereikt door stamcellen te co-cultiveren met feedercellen, zoals muis embryonale fibroblasten of MEF's. MEF's scheiden een complex mengsel van noodzakelijke pluripotentie- en zelfvernieuwingsfactoren uit.

Soms is het wenselijk om feeder-vrije culturen van stamcellen te hebben. De belangrijkste methode om feeder-vrije cellijnen te onderhouden is het aanvullen van celkweekmedia met voorraadreagentia van groei- en remmende factoren.