Čeká nás století kmenových buněk?

Kmenové buňky představují naději i výzvu pro medicínu 21. století. Terapie pomocí kmenových buněk stále zůstává vzrušující oblastí vědy, nicméně tyto buňky pronikají čím dál tím častěji z laboratoří do klinické praxe, kde poskytují řešení zásadních otázek v řadě oblastí medicíny.

Kmenové buňky umí obnovit poškozenou tkáň, za určitých okolností mohou dokonce vytvořit novou zdravou tkáň nebo celý orgán. Dalším jejich významným potenciálem je schopnost imunosuprese, tedy potlačení zánětlivé reakce, která probíhá při infekcích, transplantacích i autoimunitních chorobách.

Jak byly kmenové buňky objeveny?

K objevení kmenových buněk přispělo studium zvláštního typu nádoru – teratomu. Jedná se o nádory varlat a vaječníků vzniklé z drobných ostrůvků embryonální tkáně. Vypadají jako váčky, uvnitř ale můžeme často najít různá vývojová stádia, případně celé vyvinuté tkáně, které tam zjevně nepatří – vlasy, zuby, svaly nebo i celé oko (heslo „teratoma“ na Googlu poskytne celé panoptikum takových útvarů).

Dalším důležitým činitelem při popsání kmenových buněk byla laboratorní myš. Jeden kmen myší totiž spontánně, s vysokou pravděpodobností tvoří teratomy, nabízí tak jedinečnou možnost teratomy studovat. Leroy Stevens při své vědecké práci zaměřené na tyto myši zjistil, že pokud izolujeme buňky teratomu a následně je aplikujeme do jejich břišní dutiny, vzniknou embryonální tělíska (shluk buněk velmi podobný normálně se vyvíjejícímu embryu). Tato pozoruhodná skutečnost zaujala pozdějšího nositele Nobelovy ceny Martina Evanse. Spolu s Gail Martinovou připravil z teratomu buněčné linie (buňky, které můžeme dlouhodobě pěstovat mimo živý organismus). U takto připravených buněk můžeme cíleně ovlivňovat a sledovat jejich růst, a to vše opakovaně a dlouhodobě. M. Evans je vpravil do blastocysty (stadia, které vzniká 4.-5. den po oplodnění vajíčka) a takto připravenou blastocystu vložil do náhradní myší matky. Když potom sledoval narozená myšátka, potvrdil, že některé jejich tkáně pocházejí z buněk, které tam byly vložení uměle, tedy z injikovaných buněk teratomů. Později Evans spolu s M. Kaufmanem objevili novou techniku získání kmenových buněk z embrya. Začalo tak studium kmenových buněk, které nám neustále přináší nové překvapující poznatky.

Co tedy kmenové buňky jsou?

V první řadě je potřeba uvést, že pojem kmenová buňka neznamená jediný buněčný typ. Jedná se o řadu buněk, které se liší svým původem, tvarem, velikostí a také vlastnostmi. Přesná definice vyžaduje splnění dvou základních podmínek: schopnosti 1. sebeobnovy a 2. diferenciace na různé typy buněk. Sebeobnova v tomto případě znamená schopnost projít řadou buněčných dělení při zachování identické kopie sebe sama. Naopak diferenciaceumožňuje kmenové buňce v případě potřeby přeměnu v různé typy zralých, funkčních buněk. Tyto zdánlivě protichůdné vlastnosti jsou zajištěny asymetrickým dělením, tedy takovým rozdělením rodičovské kmenové buňky, kdy vzniká jedna nová buňka kmenová a druhá buňka, která se dále diferencuje a specializuje.

Podle původu můžeme kmenové buňky rozdělit na embryonální, indukované pluripotentní a kmenové buňky izolované z dospělého organismu.

Embryonální kmenové buňky se získávají z časné vývojové fáze embrya – vnitřní vrstvy blastocysty. Je to poslední stádium, které se v děloze vyvíjí volně bez vazby na tkáň matky a které je možné kultivovat mimo živý organizmus (in vitro). Jsou pluripotentní, to znamená, že se mohou vyvinout ve více než 220 buněčných typů přítomných v lidském těle. Jsme schopni je kultivovat a přidáním specifických faktorů je dlouhodobě udržet v kultuře v nediferencovaném stavu, a naopak po přidání látek indukujících diferenciaci relativně snadno vyvolat jejich přeměnu v různé buněčné typy. Značnou nevýhodou je častý vznik genetických abnormalit u kultivovaných embryonálních kmenových buněk, možnost nádorového růstu, a především etické problémy spojené s jejich získáváním. Nicméně buněčné linie získané z těchto buněk zůstávají jedinečným nástrojem pro studium normálního vývoje člověka, případně příčin poruch normálního vývoje a vznik některých nemocí, pro studium biologických efektů látek a vývoj léčiv a přinesly také neocenitelný nástroj současné vědy – myši, kterým byl cíleně vyřazen určitý gen a které tak umožňují studium vlivu tohoto genu na organismus.

Indukované pluripotentní kmenové buňky se připravují reprogramováním normálních somatických buněk těla (například buněk, které jsou součástí kůže – fibroblastů) vnesením genů spojených s pluripotencí (nejčastěji se jedná o Oct4, Sox2, Klf4, Cmyc). Takto modifikované buňky získávají kmenový charakter a zároveň je možné je diferencovat na různé buněčné typy. Můžeme tak z konkrétního jedince získat buňky a přeměnit je na takové, které právě jeho organismus potřebuje. Do těla by tak po úpravě byly přenášeny buňky tělu vlastní, které by imunitní systém bez problémů přijal.

Kolonie indukovaných pluripotentních kmenových buněk.UCLA Broad Stem Cell Research Center/Plath Lab.

Hlavním omezením použití indukovaných pluripotentních kmenových buněk v humánní medicíně jsou však právě geny použité k reprogramování. Pro správnou funkci musí být vloženy bez chyby a na správné místo, což vůbec není snadné. Navíc některé z nich jsou onkogeny (geny, které mohou vyvolat rakovinu). Bylo také prokázáno, že imunitní systém byl aktivován i po podání reprogramovaných buněk do jedince, ze kterého byly původně získány, tedy jedince geneticky identického s podávanými buňkami. Proč k tomu dochází, zatím není přesně objasněno. Vložení nových genů pravděpodobně probudí geny, jejichž produkty buňky imunitního systému neznají a buňku jako cizí zničí.

Dospělé kmenové buňky

V dospělém organismu se na různých místech nacházejí nediferencované buňky, které slouží jako náhrada umírajících buněk a obnovení poškozené tkáně. Pro svou nenahraditelnou roli jsou  v organismu chráněny, a to především tím, že se nacházejí ve specializovaných nikách, které zajišťují udržení jejich kmenových vlastností a ze kterých po obdržení cílených signálů vycestují, dělí se a diferencují ve zralé funkční buňky. Dospělé kmenové buňky jsou multipotentní, dokážou se přeměnit pouze ve skupinu buněk příbuzného typu. Byla však již prokázána i možnost transdiferenciace, tedy přeměny v jiný buněčný typ, než ze kterého původně pocházejí.

Nejznámější jsou hematopoetické kmenové buňky, které se nacházejí v kostní dřeni a zajišťují tvorbu všech typů krevních buněk. Pokud dojde ke zničení buněk kostní dřeně, například při ozáření, krvetvorba může být obnovena právě podáním hematopoetických kmenových buněk, případně podáním příbuzného typu kmenových buněk, získaných z pupečníkové krve.

V kostní dřeni, ale i v řadě dalších tkání a orgánů v těle jsou přítomné také mezenchymální kmenové buňky. Relativně snadno je můžeme izolovat například z tukové tkáně získané po liposukci, která tak přináší dvojí užitek. Vzhledem ke snadné izolaci, dobrým růstovým vlastnostem v tkáňové kultuře, možnosti diferenciace a významným schopnostem potlačení zánětlivé reakce jsou mezenchymální kmenové buňky v současnosti nejvíce studovaným typem kmenových buněk.

Mezenchymální kmenové buňky získané z tukové tkáně.Magdaléna Krulová

Z celé řady dospělých kmenových buněk zde zmíním jen další dvě skupiny. V mozku byly objeveny nervové kmenové buňky schopné diferenciace v různé typy nervových buněk, jejichž význam je nezastupitelný. Správné zrakové vjemy zajišťuje rohovka. Pokrývá přední část oka, a je tedy v kontaktu s vnějším prostředím. Vzhledem k tomu, že podmínkou nezkresleného průchodu světla je zachování čiré, nepoškozené tkáně, je potřeba vrchní vrstvu rohovky obnovovat. A to činí limbální kmenové buňky, které sídlí v těsném okolí rohovky.

Ani kmenové buňky z dospělého organismu však nepostrádají ALE. Největším z nich je neexistence jedinečného znaku, který by je odlišoval od ostatních buněk, a jehož pomocí by se daly jednoznačně určit a izolovat. Navíc vzhledem k tomu, že jsou vývojově o krůček dále než embryonální kmenové buňky, mají omezenější diferenciační potenciál, nejsou tedy schopny přeměny ve všechny buněčné typy. Naopak veliké plus přináší schopnost potlačení zánětlivé reakce spolu se schopností nalezení a docestování do místa zánětu kdekoliv v těle. Při infuzi do krevního řečiště samy vyhledají místo poškození nebo zánětu, jejich podání je tak velice jednoduché. V současnosti jsou protizánětlivé schopnosti dospělých kmenových buněk a možnost jejího využití sledovány stejně důkladně jako vlastnosti regenerační.

Jaké je využití kmenových buněk?

Kromě vědeckého poznání kmenové buňky přinášejí možnost léčby řady onemocnění. V prvních klinických studiích byla testována schopnost kmenových buněk tlumit nežádoucí imunologickou reakci štěpu proti hostiteli (GVHD), která je zdrojem závažných a často neléčitelných komplikací po transplantaci kostní dřeně. Nadějné výsledky u takto léčených pacientů umožnily a povzbudily další využití kmenových buněk v medicíně. Například limbální kmenové buňky byly úspěšně použity v léčbě rozsáhlého poškození rohovky, podání mezenchymálních kmenových buněk po transplantaci ledviny umožnilo výrazně snížit množství imunosupresivních látek, které jsou nezbytné k potlačení odhojovací reakce, ale zároveň přinášejí řadu vedlejších nežádoucích účinků.

V současnosti probíhají klinické studie, které využívají kmenové buňky pro léčbu poškození šlach a chrupavek, onemocnění srdce včetně infarktu myokardu, obnovu nervových buněk u řady onemocnění (Parkinsonovy a Alzheimerovy choroby, roztroušené sklerózy), poškození míchy, diabetu I. typu, regenerace kostí i svalů, artritidy, poruchy krvetvorby, poškození zraku i sluchu, nebo autoimunitních onemocnění. Buněčná terapie založená na podání kmenových buněk využívá kromě schopnosti přeměny v některé typy buněk také tvorbu optimálního prostředí podporujícího proces hojení, omezující zánětlivé poškození tkáně a stimulující tvorbu nových cév.

V terapii pomocí kmenových buněk však stále existuje mnoho nevyjasněných otázek. Významný buněčný biolog Paul Knoepfler napsal: Mnoho z nás je nadšeno z kmenových buněk a možností, které nám přinášejí. Ale musíme být opatrní. Kmenové buňky nejsou typická léčiva. Když přestaneme užívat léky, chemikálie z těla odejdou. Podané kmenové buňky mohou být přítomné v našem těle dlouhodobě a jejich účinky budeme pociťovat do konce života.“

A zdaleka neznáme vše, co mohou přinést. Dokladem je kuriózní případ šedesátileté Američanky, která si nechala v rámci omlazující kůry do obličeje injikovat mezenchymální kmenové buňky získané liposukcí z vlastní tukové tkáně. Předpokládaný efekt vyhlazení vrásek spočíval v myšlence, že tyto buňky při přeměně na novou tkáň produkují faktory, které mají hojivé a omlazující účinky. Plastičtí chirurgové spolu s kmenovými buňkami do okolí očí aplikovali rutinně používanou výplň. Bohužel hlavní složkou takové výplně je hydroxyapatit; látka, která nutí kmenové buňky k diferenciaci na kosti. O tři měsíce později si pacientka stěžovala na bolesti v oku a při otevírání a zavírání očí její víčko vydávalo klapavý zvuk. Chirurgové jí následně z víčka vyoperovali drobné kousky kostí, které se při mrkání třely o sebe a způsobovaly bolest. Tento případ slouží jako varování pro neuvážené a neschválené použití kmenových buněk.

Přesto kmenové buňky nabízejí podporu nebo účinnou náhradu klasické léčby a dávají naději pro pomoc s chorobami, které jsou v současnosti obtížně nebo zcela neléčitelné. Před rutinním využitím těchto buněk v klinické praxi je nezbytné vyjasnit řadu otázek spojených s jejich použitím.