Bolnik z levkemijo prejme kostni mozeg darovalca. Nove celice zaokrožijo po telesu, se naselijo v kostnem mozgu in začnejo tvoriti krvne celice. Gre za matične celice, ki se delijo, nadomeščajo poškodovane celice in obnavljajo tkiva. Ne potrebujejo natančnih navodil, odzovejo se na spremembe v okolju. Znanstveniki jih lahko izločijo in usmerijo v razvoj želenega tipa celic.

V tem učnem priročniku izveš, kaj so matične celice, kako poteka njihovo deljenje in kako se razlikujejo pluripotentne celice in odrasle matične celice. Pokazali ti bomo, kako jih gojimo v laboratoriju, kako iz telesnih celic pridobimo inducirane pluripotentne celice, kako jih preoblikujemo v specializirane tipe in kako preverimo, ali kultura res vsebuje matične celice.

Matične celice: kratek povzetek

Potrebuješ samo osnovno razlago? Tukaj je jasen pregled, kaj so matične celice in kako jih uporabljajo raziskovalci:

🟠 Matične celice so posebne celice, ki se lahko razmnožujejo in ustvarjajo nove matične celice ali pa se razvijejo v druge, specializirane celice.

🟠 Pluripotentne celice izhajajo iz zarodkov ali pa nastanejo z reprogramiranjem odraslih celic. Lahko se razvijejo v vse vrste celic odraslega telesa.

🟠 Odrasle matične celice se nahajajo v določenih tkivih in omogočajo obnovo znotraj posameznega organa.

🟠 V laboratoriju matične celice gojimo na posebej pripravljenih površinah, z gojiščem in s ponavljajočim precepljanjem.

🟠 iPSC dobimo tako, da v zrelih telesnih celicah aktiviramo določene gene. S tem jih povrnemo v pluripotentno stanje.

🟠 Diferenciacijo usmerjamo z natančno določenimi pogoji okolja, vrsto površine ali spremembo izražanja genov.

🟠 Da dokažejo, da gre res za matične celice, znanstveniki preverijo izražene označevalce, način rasti in sposobnost razvoja v različne tipe specializiranih celic.

Kaj so matične celice in kako se delijo?

Matične celice so posebne celice, ki se lahko razmnožujejo in hkrati ustvarjajo celice z določenimi nalogami. Najdemo jih v zgodnjih zarodkih in v številnih tkivih odraslega človeka. Aktivne ostajajo dlje časa, zlasti kadar se telo obnavlja ali zdravi. Ob vsakem deljenju se lahko ena celica ohrani kot matična, druga pa se razvije v celico s posebno funkcijo.

Poznamo dva glavna načina delitve: simetrično in asimetrično. Pri simetrični delitvi nastaneta dve enaki celici – ali dve matični ali dve specializirani. Pri asimetrični delitvi pa ena celica ostane matična, druga pa začne pot diferenciacije. Tako telo ohranja ravnotežje med obnovo in delovanjem tkiv.

Vrste celične delitve:

• dve matični celici
  
• ena matična in ena specializirana celica
  
• dve specializirani celici
  

Celice se na spremembe v okolju odzivajo tako, da izberejo ustrezen način delitve. S tem nadzorujejo rast, obnovo in stabilnost tkiv.

Primerjava: pluripotentne celice in odrasle matične celice

Matične celice razdelimo v dve skupini – pluripotentne celice in odrasle matične celice. Pluripotentne celice izvirajo iz zgodnjih zarodkov ali nastanejo s preprogramiranjem telesnih celic v inducirane pluripotentne celice (iPSC). Imajo sposobnost, da se razvijejo v vse vrste celic odraslega telesa.

Odrasle matične celice, imenovane tudi somatske, se nahajajo v določenih organih, kot sta kostni mozeg ali koža. Obnavljajo celice znotraj tkiva, kjer jih najdemo, zato imajo omejen potencial in lahko ustvarijo le nekatere tipe celic.

V laboratoriju pluripotentne celice ostanejo stabilne, dolgo časa ohranijo sposobnost delitve in jih je lažje gojiti. Odrasle matične celice pa se delijo počasneje in z leti izgubijo zmožnost samoobnavljanja. Te razlike vplivajo na način uporabe obeh vrst pri raziskavah.

Pluripotentne celice in odrasle matične celice – preglednica

Kje v telesu najdemo matične celice

Matične celice najdemo v različnih delih telesa, vendar se njihova lega in vloga razlikujeta glede na razvojno stopnjo. V zarodku se nahajajo v notranji celični masi blastociste. Te celice imajo sposobnost, da se razvijejo v vse tipe celic odraslega telesa, zato so osnova za nastanek embrionalnih matičnih celic.

Pri odraslih se matične celice nahajajo v točno določenih tkivih. V kostnem mozgu so krvotvorne matične celice, ki skrbijo za nastanek rdečih in belih krvnih celic. V povrhnjici kože najdemo epidermalne matične celice, ki omogočajo nastanek novih kožnih plasti. V črevesju so prisotne celice, ki omogočajo hitro obnavljanje sluznice. Tudi v določenih predelih možganov ostajajo živčne matične celice, ki tvorijo nove nevrone in druge podporne celice.

Tovrstna okolja, kjer matične celice obstajajo in delujejo, imenujemo niše. Vsaka niša vpliva na to, kako se celice obnašajo. Na primer, niše v kostnem mozgu uravnavajo število nastalih krvnih celic. Če matične celice odstranimo iz teh okolij, pogosto spremenijo svoje vedenje ali prenehajo deliti.

Za raziskave znanstveniki matične celice pridobijo iz teh tkiv s skrbnimi postopki izolacije. Najpogosteje uporabljajo kostni mozeg, kri iz popkovnice in zobno pulpo. Embrionalne matične celice pridobijo iz zgodnjih zarodkov, iPSC pa nastanejo iz že zrelih celic odraslega telesa.

Kaj določa razvojno sposobnost matične celice

Vse matične celice nimajo enake zmožnosti razvoja. Potentnost pove, v koliko različnih vrst celic se lahko posamezna celica preoblikuje. Večja kot je potentnost, več različnih tipov celic lahko iz nje nastane.

Pluripotentne celice imajo zelo širok razpon. Lahko se razvijejo v vse vrste tkiv odraslega človeka, od mišic do živčnega sistema. Sem spadajo embrionalne matične celice in iPSC, ki jih pogosto uporabljajo pri laboratorijskih modelih razvoja tkiv ali za gojenje različnih celic iz ene same kulture.

Multipotentne celice imajo bolj omejen potencial. Sem sodijo odrasle matične celice. Dober primer so krvotvorne matične celice v kostnem mozgu – lahko tvorijo različne krvne celice, ne pa tudi celic drugih organov.

Oligopotentne celice lahko tvorijo le nekaj sorodnih tipov celic. V imunskem sistemu na primer iz ene take celice nastanejo samo B- ali T-limfociti. Unipotentne celice pa se lahko razvijejo le v en tip, vendar so še vedno matične, če se lahko obnavljajo.

Potentnost je povezana z izražanjem genov. Celice z višjo potentnostjo imajo aktivirane gene, ki omogočajo razvoj v več smereh. Ko se potentnost zmanjšuje, se aktivnost genov oži in celica se specializira.

Zaradi različnih ravni potentnosti lahko raziskovalci izberejo točno določene celice glede na nalogo. Bolj vsestranske celice ponujajo več možnosti, manj potentne pa so bolj primerne za ciljno usmerjene raziskave.

Kako znanstveniki gojijo matične celice v laboratoriju

Matične celice gojijo v natančno nadzorovanih razmerah, imenovanih celična kultura. Na začetku jih prenesejo v posodice, ki vsebujejo hranilno raztopino – gojišče. To vsebuje sladkorje, aminokisline, soli in rastne dejavnike, ki skrbijo za delovanje in razmnoževanje celic.

Večina matičnih celic se pritrdi na dno posodice. Ko se začnejo množiti in zapolnijo prostor, jih raziskovalci prenesejo v novo posodico s svežim gojiščem. Ta postopek imenujemo precepljanje ali ustvarjanje novega prehoda. S številčenjem prehodov sledijo, kako se celice s časom spreminjajo.

Za dolgoročno shranjevanje jih zamrznejo v tekočem dušiku. Ko jih znova potrebujejo, jih odmrznejo in ponovno gojijo v svežem gojišču.

• Celice preneseš v posodico z gojiščem
  
• Pustiš, da se razmnožijo, dokler ne zapolnijo prostora
  
• Del celic preneseš v novo posodico (precepljanje) in gojiš naprej

Kako nastanejo inducirane pluripotentne celice (iPSC)

Za pridobitev induciranih pluripotentnih matičnih celic (iPSC) znanstveniki uporabijo zrele telesne celice, najpogosteje kožne. Te celice imajo določeno nalogo, zato vanje vnesejo posebne gene, ki sprožijo program ponastavitve. Ti geni ponovno aktivirajo razvojno pot in spremenijo funkcijo celice.

Celica začne delovati kot pluripotentna, spremeni obliko in ponovno vklopi gene, ki so značilni za zgodnje embrionalne matične celice. Postopek traja več tednov in poteka v laboratoriju pod stalnim nadzorom.

Kako znanstveniki preverijo, da gre za matične celice

Ko je celica uspešno reprogramirana, se lahko večkrat deli in razvije v različne tipe specializiranih celic. Znanstveniki jih nato uporabijo za raziskave razvoja ali za tvorbo tkiv v laboratorijskih pogojih.

Kako znanstveniki sprožijo diferenciacijo matičnih celic

Matične celice ostanejo nediferencirane, če jih gojimo v ustreznih laboratorijskih pogojih. Če želimo, da se začnejo razvijati v specializirane tipe, moramo te pogoje spremeniti. Znanstveniki zamenjajo gojišče, površino prevlečejo z izbranimi molekulami ali pa sprožijo izražanje genov, ki usmerjajo razvoj celice.

Pri spontani diferenciaciji celice začnejo razvijati naključne značilnosti, ko iz okolja odstranimo dejavnike, ki so jih prej zadrževali v osnovnem stanju. Pri usmerjeni diferenciaciji pa raziskovalci natančno določijo, v kakšno smer naj gre razvoj. Uporabljajo preverjene signale in točno določen postopek, da spodbudijo nastanek želenega tipa celic.

Takšne metode jim omogočajo, da v laboratoriju oblikujejo različna tkiva in hkrati preučujejo, kako se celice razvijajo.

Da potrdijo, da imajo opravka z matičnimi celicami, opravijo več testov. Najprej analizirajo izražanje genov. Prave matične celice izražajo gene, ki jih druge celice nimajo. Če ti označevalci manjkajo, celice niso matične.

Poleg tega preverijo, kako hitro se delijo. Matične celice se lahko delijo večkrat zapored, ne da bi izgubile svojo zmožnost samoobnavljanja. Nato pod mikroskopom analizirajo kromosome in preverijo, ali se je genski zapis ohranil brez sprememb.

Nazadnje sprožijo diferenciacijo tako, da odstranijo dejavnike, ki so celice zadrževali v osnovnem stanju. Če so celice res matične, se bodo začele spreminjati v specializirane tipe.

Uporaba matičnih celic v postopkih, ki temeljijo na celicah

Pri ustvarjanju tkiv v laboratoriju morajo matične celice izpolnjevati več pogojev. Najprej se morajo dovolj razmnožiti. Iz nekaj celic ne moreš sestaviti tkiva, zato raziskovalci v kulturi najprej povečajo njihovo število.

Naslednji korak je preživetje celic po prenosu. Morajo se povezati z drugimi celicami, normalno delovati in ostati stabilne. V laboratoriju preverijo tudi, ali se lahko vključijo v bližnje tkivo in delujejo kot njegov sestavni del.

Pomemben izziv predstavlja imunski odziv. Da zmanjšajo možnost zavrnitve, raziskovalci matične celice vnaprej prilagodijo ali poiščejo ustrezno genetsko skladnost z organizmom. Pri ustvarjanju novih modelov tkiv uporabljajo le stabilne in dobro preverjene celice.

Pomoč pri učenju: inštruktor ti pojasni vse o matičnih celicah

Teme o matičnih celicah hitro postanejo nejasne – pluripotentne celice, odrasle matične celice, gojenje v laboratoriju, simetrična delitev … preveč izrazov naenkrat. Če se ti kje ustavi, nisi edini. Zasebne inštrukcije iz biologije celice ti lahko pomagajo, da snov razumeš postopno in brez zmede.

Na inštrukcijah lahko sprašuješ kar koli in si vzameš čas tam, kjer ti ni jasno. Pogledaš, kaj pomeni prehod pri precepljanju, kako poteka reprogramiranje celic ali kako znanstveniki ugotovijo, ali je celica res matična – brez hitenja in brez občutka, da moraš vse vedeti vnaprej. Takšna individualna razlaga v šoli pogosto manjka.

Če iščeš nekoga v bližini, poskusi z iskalnim nizom "inštruktor celične biologije Ljubljana" ali "inštrukcije biologija Maribor". Lahko pa najdeš tudi spletnega učitelja za celično biologijo – na primer nekoga iz Medicinske fakultete – ki se prilagodi tvojemu urniku. Že nekaj srečanj ti lahko pomaga, da začneš snov gledati z več samozavesti.

Če imaš zapiske, ki so polni nejasnosti, naj ti jih nekdo pomaga razložiti. Poišči inštruktorja, ki ti zna snov razložiti preprosto – tako kot pri "inštrukcije biologije Celje". Rezerviraj svoj termin na meet'n'learn in začni že danes.

Rabiš dodatno gradivo? Oglej si naš spletni učbenik za biologijo, kjer najdeš razlage, ki ti pomagajo pri učenju. Če pa potrebuješ dodatno razlago, ti lahko inštruktor pomaga tudi pri najtežjih temah – jasno, razumljivo in v tvojem tempu.

Matične celice: pogosta vprašanja

1. Kaj so pluripotentne celice?

To so celice, ki se lahko razvijejo v vse tipe celic odraslega organizma.

2. Kakšna je razlika med odraslimi matičnimi celicami in pluripotentnimi?

Odrasle matične celice lahko tvorijo le celice določenega tkiva, pluripotentne pa vsa tkiva odraslega telesa.

3. Kako se matične celice delijo?

Delijo se simetrično, ko nastaneta dve enaki celici, ali asimetrično, ko ena ostane matična, druga pa se specializira.

4. Kaj je prehod (passage) pri matičnih celicah?

To je postopek, pri katerem celice preneseš v novo posodico, ko jih je v prejšnji preveč.

5. Kako znanstveniki gojijo matične celice v laboratoriju?

Uporabljajo hranilna gojišča in posebne površine, ki omogočajo, da se celice oprimejo in se nato množijo.

6. Kaj pomeni izraz iPSC (inducirane pluripotentne celice)?

To so telesne celice, ki jih z geni reprogramirajo, da se obnašajo kot pluripotentne celice.

7. Kako sprožijo diferenciacijo matičnih celic?

Spremenijo pogoje – gojišče, površino ali dodajo posebne signale, ki celice usmerijo v točno določen razvoj.

8. Kako preverijo, ali je celica res matična?

Preverijo izražanje označevalnih genov, hitrost delitve, stabilnost kromosomov in zmožnost diferenciacije.

Viri:

1. Britannica
2. NIH
3. Wikipedia