Hvað eru stofnfrumur?

Stofnfrumur eru ósérhæfðar, frumstæðar frumur sem geta bæði fjölgað sér og
sérhæfst í sérstakar frumugerðir. Í 3-5 daga fósturvísi, svokallaðri
kímblöðru, mynda um 30 frumur innri frumumassa sem þroskast síðan og
breytast í þær hundruð sérhæfðra frumugerða sem þarf til að mynda
fullvaxta lífveru. Í sumum fullþroska vefjum, svo sem beinmerg, vöðvum og
heila, finnast litlir stofnar af fullorðinsstofnfrumum sem sjá þessum
vefjum fyrir varahlutum í stað frumna sem eyðast við eðlilegt slit, áverka
og sjúkdóma.

Vísindamenn hafa mikið rannsakað stofnfrumur meðal annars í þeim tilgangi
að öðlast vitneskju um hvernig lífvera þroskast frá stakri frumu (okfrumu)
og hvernig heilbrigðar frumur koma í stað skaddaðra í fullþroska lífverum.
Það sem gerir stofnfrumur sérstakar er að þær eru ósérhæfðar og viðhalda
sér í langan tíma með frumuskiptingum, og það má fá þær til að verða að
frumum með sérhæfð hlutverk með því að rækta þær við tiltekin
lífeðlisfræðileg skilyrði. Sem dæmi má nefna hjartavöðvafrumur sem slá og
briskirtilfrumur sem framleiða insúlín.

Vísindamenn binda vonir við að geta ræktað stofnfrumur og stýrt þroskun
þeirra í sérhæfðar frumur og vefi sem nýta mætti til að meðhöndla sjúkdóma
og áverka. Sú kenning hefur verið sett fram að í framtíðinni megi ef til
vill nota stofnfrumur til að meðhöndla sjúkdóma eins og parkinsonsveiki,
sykursýki og hjartasjúkdóma.

Vísindamenn vinna með tvenns konar stofnfrumur úr dýrum og mönnum:
fósturstofnfrumur og fullorðinsstofnfrumur. Þessar tvær megingerðir
stofnfrumna hafa ólíka eiginleika og hlutverk. Liðin eru meira en tuttugu
ár frá því að vísindamenn komust að því hvernig þeir gætu einangrað og
ræktað stofnfrumur úr músafósturvísum. Það var þó ekki fyrr en árið 1998,
eftir miklar og ítarlegar rannsóknir, að vísindamönnum tókst að einangra
stofnfrumur úr fósturvísum manna. Fósturvísarnir sem eru notaðir í þessum
tilgangi hafa allir orðið til við meðferð vegna ófrjósemi, það er við
glasafrjóvganir, en aldrei teknir úr legi konu. Þessir fósturvísar hafa
verið gefnir til rannsókna með upplýstu samþykki gefenda.

Stofnfrumur búa yfir þremur eiginleikum sem greinir þær frá öðrum frumum
líkamans: þær geta skipt sér og þannig endurnýjað sig, þær eru ósérhæfðar
og að lokum geta þær þroskast í sérhæfðar frumur. Þetta á jafnt við um
fóstur- og fullorðinsstofnfrumur. Lítum nánar á hvern þessara eiginleika.

Frumufjölgun
Vöðvafrumur, blóðfrumur og taugafrumur fjölga sér yfirleitt ekki eftir að
þær verða fullþroska. Stofnfrumur geta aftur á móti skipt sér aftur og
aftur ef rétt skilyrði eru fyrir hendi. Ef byrjað er á að einangra nokkrar
stofnfrumur og þær ræktaðar við góð skilyrði geta þær verið orðnar margar
milljónir eftir um hálft ár. Séu frumurnar enn ósérhæfðar eins og
móðurfrumurnar voru upphaflega er talað um að þær búi yfir getu til
langtíma sjálfsviðhalds.

Við rannsóknir á stofnfrumum reyna vísindamenn að komast að því hvers
vegna fósturstofnfrumur geta viðhaldið sér í ár eða lengur án þess að
sérhæfast á meðan fullorðinsstofnfrumur geta það ekki. Einnig er leitað
svara við spurningunni um það hvaða þættir í lifandi veru stjórna
frumufjölgun og sjálfsviðhaldi undir venjulegum kringumstæðum. Svör við
þessum spurningum gætu hjálpað mönnum að skilja hvernig frumufjölgun er
stýrt á fósturskeiði og eins hvað það er sem fer úrskeiðis þegar
frumufjölgun fer úr böndum og krabbamein myndast.

Ósérhæfni
Stofnfrumur hafa ekki neinn útbúnað sem gerir þeim kleift að sinna
vefjasérhæfðum störfum, til dæmis að slá eins og hjartafruma, flytja
súrefni um líkamann eins og rauðkorn eða senda rafboð til annarra frumna
eins og taugafruma. En ósérhæfðar stofnfrumur geta orðið að sérhæfðum
frumum eins og þeim sem voru nefndar hér að ofan ef líkaminn þarf á þeim
að halda. Vísindamenn hafa mikinn áhuga á því að vita hvaða þættir og
skilyrði það eru sem gera stofnfrumum kleift að haldast ósérhæfðar. Það
hefur kostað mikla vinnu og mörg mistök að læra að rækta stofnfrumur og
viðhalda þeim án þess að þær sérhæfist af sjálfu sér.

Sérhæfing
Þegar ósérhæfðar stofnfrumur breytast í sérhæfðar er það kallað sérhæfing.
Vísindamenn eru rétt að byrja að öðlast vitneskju um hvaða merki það eru
bæði innan og utan frumunnar sem koma sérhæfingu stofnfrumna af stað.
Innri merkin eru undir stjórn gena frumunnar en þau geyma upplýsingar um
öll störf og alla gerð frumunnar. Ytri sérhæfingarmerkin eru meðal annars
efni sem aðrar frumur seyta og snerting við nærliggjandi frumur og
tilteknar sameindir í nánasta umhverfinu.

Mörgum spurningum varðandi sérhæfingu stofnfrumna er enn ósvarað eins og
hvort innri og ytri merkin eru þau sömu fyrir allar gerðir stofnfrumna og
hvort hægt sé að greina tiltekin merki til að fá stofnfrumur til að
sérhæfast í &aacut e;kveðnar frumugerðir. Svör við þessum spurningum eru
nauðsynleg til þess að mögulegt sé að stjórna frumusérhæfingu í
rannsóknastofunni og framleiða frumur eða vefi í læknisfræðilegum
tilgangi.

Eins og áður sagði vinna vísindamenn með tvenns konar stofnfrumur,
fósturstofnfrumur og fullorðinsstofnfrumur.

Fósturstofnfrumur eru fengnar úr innri frumumassa 4-5 daga fósturvísis.
Þetta stig fósturþroskunar kallast kímblaðra. Hún er hol blaðra af frumum
og skiptist í þrjá meginhluta. Innst er kímblöðruhol sem er holrúm innan
kímblöðrunnar. Þar inni öðrum megin er innri stofnfrumumassinn sem á eftir
að þroskast í fóstur. Yst er frumulag sem kallast næringarhýði og verður
síðar legkaka fóstursins.

Þegar fósturstofnfrumur eru ræktaðar eru frumur teknar úr innri
frumumassanum með fíngerðri nál og settar á hlaupkennt efni í plastskál. Í
hlaupinu eru öll næringarefni sem nauðsynleg eru til þess að stofnfrumur
geti haldist lifandi og fjölgað sér. Frumurnar fjölga sér og dreifast yfir
allt yfirborð hlaupsins. Þegar þrengist um þær eru frumur færðar í nýjar
skálar. Þetta er endurtekið oft á næstu mánuðum og þannig fást milljónir
frumna eftir um hálfs árs ræktun.

Frumurnar eru undir ströngu eftirliti og skoðaðar með jöfnu millibili í
smásjá til að ganga úr skugga um að þær séu ekki farnar að sérhæfast og
hafi ekki orðið fyrir skemmdum á litningunum. Þegar slíkar
fósturfrumulínur hafa verið ræktaðar má frysta þær og flytja til annarra
rannsóknastofa.

Næsta skrefið er að finna uppskriftir að því hvernig má fá frumurnar til
að sérhæfast í þær frumugerðir sem áhugi er á að rækta, til dæmis
hjartavöðvafrumur, taugafrumur, vöðvafrumur eða brisfrumur. Ef
vísindamönnum tekst að stýra ræktun sérhæfðra frumna standa vonir til að
hægt verði að flytja þær í sjúkt eða skaddað líffæri þar sem þær stuðla að
viðgerð og endurnýjun starfsgetu þess. Tekist hefur að gera þetta á músum
og vonandi verður ekki langt að bíða þar til það sama á við um menn.
Sjúkdómar sem nefndir hafa verið í þessu sambandi eru parkinsonsveiki,
sykursýki, mænuskaði, purkinje-heilafrumurýrnun, duchenne-vöðvarýrnun,
hjartasjúkdómar, blinda og heyrnaleysi.

Fullorðinsstofnfrumur eru ósérhæfðar frumur sem finnast innan um sérhæfðar
frumur í vef eða líffæri. Meginhlutverk þessara stofnfrumna er að viðhalda
og gera við vefina sem þær eru í. Uppruni þeirra er óþekktur.

Nýlegar rannsóknir á stofnfrumum í þessum flokki hafa vakið mikla
eftirvæntingu þar sem þær hafa fundist í mun fleiri vefjum en áður var
talið mögulegt. Því vaknar sú spurning hvort ekki megi nota slíkar
stofnfrumur til vefjaflutninga. Blóðmyndandi stofnfrumur úr fullorðnum
beinmerg hafa reyndar verið notaðar í 30 ár, til dæmis við meðhöndlun
hvítblæðis.

Vitað er að í beinmerg eru tvenns konar stofnfrumur. Annars vegar
blóðmyndandi stofnfrumur sem geta sérhæfst í allar gerðir blóðfrumna og
hins vegar strammastofnfrumur (bone marrow stromal cells) sem geta
sérhæfst í bein-, brjósk-, fitu- og bandvef. Fullorðinsstofnfrumur hafa
fundist í mörgum líffærum og vefjum, en almennt gildir að þær eru mjög
fáar á hverjum stað. Talið er að fullorðinsstofnfrumur haldi sig á
tilteknum svæðum í vef eða líffæri þar sem þær eru í dvala og skipta sér
ekki í mörg ár eða þar til þær eru ræstar af sjúkdómi eða áverka. Þá
sérhæfast þær í frumugerðirnar sem vantar í vefinn. Fullorðinsvefir sem
stofnfrumur hafa greinst í eru heili, beinmergur, blóð, æðar,
beinagrindarvöðvar, húð og lifur.

Komið hefur fram við rannsóknir á síðustu árum að sumar
fullorðinsstofnfrumur búa yfir fjölhæfni eða sveigjanleika, það er þær
geta sérhæfst í nokkrar ólíkar frumugerðir. Dæmi um slíkt eru stofnfrumur
beinmergs, og heilafrumur sem geta sérhæfst í allar þrjár megingerðir
heilafrumna.

Einn meginkostur við notkun fullorðinsstofnfrumna í læknisfræðilegum
tilgangi er sá möguleiki að taka stofnfrumur frá sjúklingi, rækta þær og
fá þær til að sérhæfast í tiltekna gerð og flytja svo aftur í viðkomandi
sjúkling þar sem þörf er á frumum. Þetta ætti ekki að hafa í för með sér
ónæmissvar ónæmiskerfisins þar sem þetta eru stofnfrumur líkamans sjálfs
og því ætti hann ekki að hafna nýju frumunum. Þannig mætti losna við að
gefa viðkomandi sjúklingi ónæmisbælandi lyf, eins og nauðsynlegt er þegar
frumur koma frá öðrum einstaklingi.

Annar kostur er að sjálfsögðu sá að með því að nota eigin stofnfrumur
fullorðinnar manneskju vakna ekki þær siðferðisspurningar sem
óhjákvæmilega þarf að vega og meta við notkun fósturstofnfrumna.

Spennandi verður að fylgjast með niðurstöðum rannsókna á stofnfrumum í
nánustu framtíð. Þær gætu hugsanlega leitt til byltingarkenndra nýjunga í
læknisfræði.

Þessi grein er eftir Þuríði Þorbjarnardóttur líffræðing og birtist á Vísindavef Háskóla Íslands

http://visindavefur.hi.is