סקירה מקיפה זו מדגישה פריצות דרך מרכזיות במחקר תאי הגזע בשני העשורים האחרונים, ומראה כיצד מדענים יכולים כעת לתכנת מחדש תאים בוגרים לתאי גזע פלוריפוטנטיים המסוגלים להפוך לכל סוג תא בגוף. המאמר מכסה חמישה סוגים עיקריים של תאי גזע—עובריים, דמויי-עובר זעירים מאוד, העברת גרעין, מתוכנתים מחדש, ותאי גזע בוגרים—כל אחד עם מקורות ייחודיים ופוטנציאל קליני. התקדמות מרכזית כוללת שיטות תכנות מחדש משופרות באמצעות נגיפים, RNA, וכימיקלים; מערכות תרבית טובות יותר הנמנעות ממוצרים מן החי; וטכנולוגיות הדפסה תלת-ממדיות מתפתחות שעשויות בסופו של דבר לייצר רקמות ואיברים להשתלה.

פריצות דרך אחרונות במחקר תאי הגזע: מגילויים במעבדה ליישומים בחולים

תוכן העניינים

• מבוא
• מקורות של תאי גזע פלוריפוטנטיים
• תאי גזע עובריים (ESCs)
• תאי גזע דמויי-עובר זעירים מאוד (VSELs)
• תאי גזע מהעברת גרעין (NTSCs)
• תאי גזע מתוכנתים מחדש (RSCs)
• תאי גזע בוגרים
• יישומים קליניים וכיוונים עתידיים
• שיקולים אתיים
• מידע מקור

מבוא

מחקר תאי הגזע עבר שינויים מהפכניים במהלך 20 השנים האחרונות, עם התקדמות מהירה במיוחד בעשור האחרון. תחום זה החל בשנת 1961 כאשר חוקרים קנדיים, הד"ר ג'יימס א. טיל והד"ר ארנסט א. מקולוך, גילו לראשונה תאי גזע במח העצם של עכברים שיכלו להתמיין לסוגי תאים שונים, ובכך קבעו את המושג תאי גזע פלוריפוטנטיים (PSCs)—תcells המסוגלים להפוך לכל סוג תא בגוף.

התחום השיג מספר אבני דרך קריטיות: הכבשה דולי שובטה בשנת 1996 באמצעות העברת גרעין מתא סומטי (SCNT), תאי גזע עובריים אנושיים (hESCs) הראשונים בודדו בשנת 1998, ותאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs) נוצרו בשנת 2006 על ידי תכנות מחדש של תאים בוגרים עם ארבעה גורמי שעתוק בלבד. החשיבות של תגליות אלה הוכרה כאשר שיניה יאמאנקה וג'ון גורדון קיבלו את פרס נובל לשנת 2012 על עבודתם שהראתה שתאים בוגרים יכולים להיות מתוכנתים מחדש למצב פלוריפוטנטי.

חוקרים זיהו חמש קטגוריות עיקריות של תאי גזע באמצעות סקירה שיטתית: תאי גזע עובריים (ESCs), תאי גזע דמויי-עובר זעירים מאוד (VSELs), תאי גזע מהעברת גרעין (NTSCs), תאי גזע מתוכנתים מחדש (RSCs), ותאי גזע בוגרים. כל סוג מציע יתרונות ואתגרים ייחודיים ליישומים קליניים. רק NTSCs שימשו ליצירת אורגניזם שלם (קופים בסין, 2018), בעוד שסוגים אחרים שימשו ליצירת רקמות ואיברים.

תאי גזע, במיוחד ESCs ו-iPSCs, מראים הבטחה עצומה בארבעה תחומים מרכזיים: רפואה רגנרטיבית והשתלות, מודלינג מחלות, סינון גילוי תרופות, וביולוגיה התפתחותית אנושית. התחום ממשיך להתפתח מגילויים ראשוניים להרחבת יישומים קליניים, אם כי אתגרים נותרים—במיוחד בנוגע לשליטה בהתרבות והתמיינות תאים שכן טכנולוגיית תכנות מחדש של iPSCs עדיין יחסית חדשה.

מקורות של תאי גזע פלוריפוטנטיים

תאי גזע פלוריפוטנטיים (PSCs) מאופיינים בשני תכונות חיוניות: התחדשות עצמית (יכולת להתרבות) ופוטנציאל (יכולת להתמיין לסוגי תאים מיוחדים הנגזרים מאחד משלושת שכבות הנבט הראשוניות: אקטודרם, אנדודרם, או מזודרם). חוקרים משתמשים בשלושה מבחנים עיקריים לבדיקת פלוריפוטנטיות במודלים של עכברים.

מבחן יצירת טרטומה מעריך יצירה ספונטנית של רקמות ממוינות מכל שלוש שכבות הנבט לאחר השתלת תאים לעכברים עם דיכוי חיסוני. מבשנ יצירת כימרה בודק האם תאי גזע תורמים להתפתחות על ידי הזרקתם לעוברים מוקדמים (בלסטוציסטים 2N) ובדיקה אם לתאי התורם יש יכולת העברה לשורת הנבט, מייצרים גמטות תפקודיות, ושומרים על שלמות כרומוזומלית. מבחן השלמה טטרפלואידי (4N) קובע את היכולת של תאים פלוריפוטנטיים בתוך אורגניזם שלם על ידי הזרקת תאים לעוברים 4N וניטור שלבי גדילה עבור שושלות חוץ-עובריות הנובעות מתאי הגזע המושתלים ולא מהעובר עצמו.

תאי גזע עובריים (ESCs)

תאי גזע עובריים אנושיים (hESCs) נאספים מבלסטוציסטים בשלב מוקדם (4-5 ימים לאחר ההפריה) על ידי הרס הבלסטוציסט המקור או על ידי איסוף רקמות בשלב מאוחר יותר (עד גיל היריון של 3 חודשים). אלה היו תאי הגזע הראשונים שהוחלו ביישומי מחקר ונשארים בשימוש נפוץ בניסויים קליניים היום (כפי שמעקב ב-clinicaltrials.gov).

hESCs מייצגים את תקן הזהב לפלוריפוטנטיות אך מגיעים עם חששות אתיים regarding הרס עוברים ובעיות דחייה חיסונית פוטנציאליות when מושתלים לתוך חולים. למרות אתגרים אלה, הם continue לספק תובנות valuable into ביולוגיה התפתחותית and serve as comparators חשובים לטכנולוגיות תאי גזע חדשות יותר.

תאי גזע דמויי-עובר זעירים מאוד (VSELs)

סוג חדש של תא גזע פלוריפוטנטי הנקרא תאי גזע דמויי-עובר זעירים מאוד (VSELs) הראה הבטחה מאז זיהויו בשנת 2006. מעל 20 מעבדות independent אימתו את קיומם, although some groups הטילו ספק בתוקפם. תאים אלה הם תאי גזע קטנים, התפתחות מוקדמת, הנמצאים ברקמות בוגרות and express סמני פלוריפוטנטיות.

VSELs מודדים approximately 3-5 מיקרומטרים בעכברים and 5-7 מיקרומטרים בבני אדם (קצת smaller מתאי דם אדומים). הם express סמני ESC כולל SSEA, Oct-4A גרעיני, Nanog, and Rex1, along with סמנים for תאי נבט ראשוניים נודדים such as Stella and Fragilis. מקורם ההתפתחותי may be associated with פקדונות germline in איברים מתפתחים during embryogenesis.

According to מודל שהוצע בשנת 2019, VSELs originate from תאי נבט ראשוניים and מתמיינים לשלושה גורלות פוטנציאליים: תאי גזע מזנכימליים (MSCs), hemangioblasts (כולל תאי גזע hematopoietic and תאי אב endothelial), and תאי גזע מחויבי רקמה. As תאי גזע פלוריפוטנטיים, VSELs may hold the advantage of being able to להתמיין across שכבות נבט in בעלי חיים בוגרים or בני אדם, potentially functioning as חלופה to תאי גזע מחויבי רקמה מונופוטנטיים in בוגרים.

VSELs may להתגבר on several problems associated with סוגי תאי גזע אחרים: הוויכוחים האתיים של ESCs and הסיכון ליצירת טרטומה (גידול) של iPSCs. This makes them particularly מבטיחים for מחקרי תאי גזע עתידיים and יישומים קליניים where חששות these present מחסומים משמעותיים.

תאי גזע מהעברת גרעין (NTSCs)

Originally discovered in 1996, טכניקת העברת גרעין מתא סומטי (SCNT) has gradually evolved to לייצר תאי גזע מהעברת גרעין (NTSCs). תהליך זה begins by השתלת גרעין תורם from a תא סומטי fully ממוין (like a fibroblast) into an ביצית מרוקנת (תא ביצה עם גרעין שהוסר).

תא הביצה המארח החדש then triggers תכנות גנטי מחדש of the גרעין התורם. Numerous חלוקות מיטוטיות of this תא בודד in תרבית develop a בלסטוציסט (about 100 תאים at עובר שלב מוקדם), ultimately generating an אורגניזם with DNA כמעט identical to the האורגניזם המקורי—a clone of the תורם הגרעין. התהליך can produce both שיבוט therapeutic and reproductive.

הכבשה דולי (1996) was the first reproductive clone successful of a יונק. Since then, approximately two dozen other species have been cloned. In January 2018, scientists Chinese in Shanghai announced successfully cloning two female macaque monkeys using fibroblasts עובריים via SCNT—the first primates cloned by this method.

Creating cloned primates could revolutionize research מחלות אנושיות. Primates לא-אנושיים genetically uniform could serve as מודלים חייתיים valuable for ביולוגיה of primates and מחקר ביו-רפואי, helping לחקור מנגנוני מחלות and מטרות תרופות while reducing confounders of variation גנטי and the number of laboratory animals needed. טכנולוגיה זו could combine with CRISPR-Cas9 genomic editing to create מודלים פרימטים מהונדסים גנטית of הפרעות אנושיות like מחלת פרקינסון and various סרטנים.

Companies תרופות have expressed demand גבוהה for monkeys משובטים for drug testing. enthused by this prospect, Shanghai has prioritized funding for establishing an מרכז מחקר פרימטים בינלאומי to produce animals research משובטים for use בינלאומי. SCNT is unique among גישות תאי גזע as it can generate an גוף חי שלם rather than just sheets of תאים, רקמות, or חתיכות איברים, giving it יתרונות ביופיזיולוגיים תפקודיים over ESCs and iPSCs for both מחקר בסיסי and יישום קליני.

תאי גזע מתוכנתים מחדש (RSCs)

Since 2006 when Yamanaka and colleagues first generated תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs), טכנולוגיות תכנות מחדש have significantly progressed. This is especially true for שיטות תכנות מחדש ישירות both in lab settings (in vitro) and within living organisms (in vivo) to produce specific שושלות רקמות using גורמי שעתוק מוגבלי-שושלת, שינויים אות RNA, and small molecules or chemicals.

גישות ישירות these skip the שלב iPSC, yielding תאים more מדויקים like induced neural progenitor cells (iNPCs) that are closer to target שושלות תאים such as תאים עצביים and subsequent נוירונים מוטוריים. תאי גזע מתוכנתים מחדש (RSCs) are derived by applying any שיטות מעבדה to לתכנת מחדש אותות גנטיים of תאים ראשוניים, excluding the טכניקת SCNT.

To להתגבר on אתגרים אתיים and אימונוגניים associated with hESCs, iPSCs have emerged as a חלופה מבטיחה since they're derived from רקמות סומטיות בוגרות. מקורות hiPSC—including דם, עור, and שתן—are plentiful. Because hiPSCs can be harvested from individual patients, דחייה חיסונית can be avoided when they're transplanted back into the same patient (השתלה אוטולוגית).

Researchers have developed methods for obtaining hiPSCs from תאים צינוריים כלייתיים present in שתן. A protocol requiring only a 30-ml sample שתן is simple, relatively fast, cost-effective, and universal (applicable to patients of all ages, genders, and racial/ethnic backgrounds). The total procedure involves just 2 weeks of cell culturing and 3-4 weeks of reprogramming, producing high iPSC yields with excellent פוטנציאל התמיינות.

Urine-derived iPSCs collected from 200 mL clean midstream urine samples via the Sendai virus delivery system showed normal karyotype (מבנה כרומוזומלי) and exhibited potential to להתמיין into all three שכבות נבט in מבחני טרטומה. A subpopulation of cells isolated from urine displayed features תא אב, including cell-surface expression of c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133, and CD44 markers that can distinguish among שושלות תאי שלפוחית (urothelial, smooth muscle, endothelial and interstitial), making them a מקור תאים חלופי מבטיח.

תאי גזע בוגרים

תאי גזע בוגרים מייצגים קטגוריה חשובה נוספת של תאי גזע הנמצאים ברקמות שונות throughout the body. Unlike תאי גזע פלוריפוטנטיים, these are typically מולטיפוטנטיים—able to להתמיין into a טווח מוגבל of סוגי תאים specific to their רקמת המקור.

מקורות נפוצים כוללים מח עצם, רקמת שומן, מוך השן, ואיברים שונים. תאי גזע מזנכימליים (MSCs) הם בין תאי הגזע הבוגרים הנחקרים ביותר והראו הבטחה בטיפול במצבים דלקתיים, קידום תיקון רקמות, וויסות תגובות חיסון.

למרות שהם פחות רב-תכליתיים מתאי גזע פלוריפוטנטיים, לתאי גזע בוגרים יתרונות הכוללים פחות חששות אתיים, סיכון נמוך יותר להיווצרות גידולים, ושימוש קליני מבוסס בהליכים כמו השתלת מח עצם. המחקר ממשיך לבחון את מלוא הפוטנציאל שלהם ומנגנוני הפעולה.

יישומים קליניים וכיוונים עתידיים

מחקר תאי גזע התקדם דרך מחקר בסיסי, מחקרים טרום-קליניים, וכעת ניסויים קליניים בתחומי יישום מרובים. התקדמויות בשילובי גורמי תכנות מחדש, שיטות ניסוי, והבהרת מסלולי איתות תרמו לניסויים הקליניים הראשונים להשתלות תאי רשתית והשתלות חוט שדרה.

התחום ממשיך להתמודד עם אתגרים הקשורים לשליטה בהתרבות תאים והתמיינות. חוקרים סוקרים באופן שיטתי נושאים מתודולוגיים כולל: השראת פלוריפוטנטיות על ידי שינויים גנומיים; בניית וקטורים חדשים עם גורמי תכנות מחדש; קידום פלוריפוטנטיות של iPSC עם מולקולות קטנות ומסלולי איתות גנטיים; שיפור תכנות מחדש עם microRNAs; השראה ושיפור פלוריפוטנטיות של iPSC עם כימיקלים; יצירת סוגי תאים ממוינים ספציפיים; ושמירה על פלוריפוטנטיות ויציבות גנומית של iPSC.

נושאים אלה קריטיים למקסום היעילות של יצירת iPSC והתמיינות בהכנה לתרגום קליני. התקדמויות בתרבית תאים כוללות תרבית ללא מזין, מדיה ללא קסנו (הימנעות ממוצרים מן החי), וטכניקות משופרות ביומטריאל שונות. טכנולוגיות הדפסה תלת-ממדית (3D) תאית וביולוגית מייצגות כיוונים מבטיחים במיוחד, יחד עם משאבי PSC ותכנות תאי ישיר דור שני באורגניזמים חיים.

מטרות מחקר וקליניות ארוכות טווח של תאי גזע מתמקדות בפיתוח טיפולים בטוחים ויעילים למצבים כולל מחלות ניווניות של מערכת העצבים, פגיעות בחוט השדרה, מחלות לב, סוכרת, ומצבים רבים אחרים בהם החלפת תאים או רגנרציה של רקמה יכולים לספק תועלות טיפוליות.

שיקולים אתיים

מחקר תאי גזע ממשיך לנווט שיקולים אתיים חשובים, במיוחד בנוגע לתאי גזע עובריים וטכנולוגיות שיבוט. הרס עוברים אנושיים למחקר hESC נותר שנוי במחלוקת בחברות רבות ומוסדר באופן שונה בין מדינות.

טכנולוגיות מתפתחות כמו iPSCs עוזרות להתמודד עם חלק מהחששות האתיים על ידי מתן מקורות חלופיים לתאים פלוריפוטנטיים ללא הרס עוברים. עם זאת, עולות שאלות אתיות חדשות בנוגע למניפולציה גנטית, הסכמה לתרומת תאים, וגישה שווה לטיפולים הנובעים.

קהילת המחקר הבינלאומית ממשיכה לפתח הנחיות ותקנות כדי להבטיח התקדמות אתית במחקר תאי גזע תוך מיקסום התועלות הפוטנציאליות עבור חולים הסובלים ממחלות ומצבים שונים.

מידע מקור

כותרת המאמר המקורי: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

מחברים: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

פרסום: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

מאמר ידידותי זה למטופל מבוסס על מחקר שעבר ביקורת עמיתים ומטרתו להפוך מידע מדעי מורכב לנגיש תוך שמירה על כל הממצאים והנתונים החיוניים מהפרסום המקורי.