Tüvirakk

Tüvirakk (ld cellula praecursoria, mitm cellulae praecursoriae) on hulkraksete organismide erinevates kudedes leiduvate diferentseerumata paljunemisvõimeliste algrakkude tüüp. Tüvirakud võivad muunduda ehk diferentseeruda spetsiaalse funktsiooniga rakkudeks või jaguneda mitoosi teel samasugusteks tüvirakkudeks.

Imetajatel on kirjeldatud kahte tüüpi tüvirakke: embrüonaalseid ja täiskasvanud tüvirakke. Täiskasvanud organismis uuendavad tüvirakud kudesid ehk on osa keha parandamise süsteemist. Teadlased on õppinud tüvirakke kunstlikult kasvatama ja kindla funktsiooniga rakkudeks diferentseerima.[1]

Täiskasvanud inimese kehas on autoloogsete tüvirakkude eraldamiseks neli kohta:

  1. luuüdi – tüvirakkude kättesaamiseks tuleb puurida luuüdisse;
  2. rasvarakud – tüvirakud eraldatakse rasvaimu abil;
  3. veri – täisveri tuleb eraldada komponentideks ja sealt filtreerida välja hematopoeetilised tüvirakud;
  4. vahetult pärast sündi saab neid eraldada ka nabanööri verest.[2]

Arvatakse, et tüvirakkudel on palju sarnasusi vähirakkudega.[3]

Taimedel on sarnase funktsiooniga rakkudeks algkoe ehk meristeemi rakud.

OmadusedRedigeeri

Tüvirakkude klassikalise definitsiooni kohaselt on neil kaks erilist tunnust:

  • taastootlikkus – võime jaguneda korduvalt uuteks rakkudeks, jäädes diferentseerumata olekusse;
  • potents – võime muunduda spetsialiseeritud rakkudeks.[4]

TaastootlikkusRedigeeri

Tüvirakkude populatsioon säilitatakse kahe jagunemismehhanismiga:

  1. asümmeetriline jagunemine – tüvirakk jaguneb, moodustades ühe raku, mis on identne esialgse tüvirakuga, ja diferentseerunud raku;
  2. sümmeetriline jagunemine – tüvirakud võivad jagunedes moodustada ka kaks ühesugust rakku, mis võivad olla nii tüvirakud kui diferentseerunud rakud. See mehhanism toimub stohhastiliselt.[5]

On kaks teooriat, et seletada, millist jagunemismehhanismi kasutatakse. Esimese kohaselt määrab selle eri membraanivalkude raku pinnale eritamine. Teise teooria kohaselt püsivad tüvirakud diferentseerumata olekus teatud keskkonnatingimustes. Tüvirakud hakkavad diferentseeruma, kui nad lahkuvad neile sobilikust keskkonnast või ei saa enam signaale, mis hoiaks neid diferentseerumata olekus.[6]

PotentsRedigeeri

Rakkudel leidub viit tüüpi potentsust:

  1. üksainus totipotentne rakk võib kasvada organismiks ning toota ka looteväliseid kudesid. Selline omadus on sügootidel ja blastomeeride rakkudel;[4]
  2. pluripotentsed tüvirakud ei saa kasvada organismiks, kuid on võimelised diferentseeruma rakkudeks, mis on pärit samast lootelehest;[7]
  3. multipotentsed tüvirakud võivad muutuda ainult teatud kudede rakkudeks, näiteks vererakkudeks või luurakkudeks;[4]
  4. oligopotentsed tüvirakud saavad diferentseeruda ainult vähesteks rakkudeks, näiteks lümfoidseteks või müeloidseteks tüvirakkudeks;[4]
  5. unipotentsed tüvirakud saavad jaguneda ainult ühte tüüpi rakuks, kuid suudavad erinevalt tavalistest rakkudest iseennast taastoota.[4]

Tüvirakkude tüübidRedigeeri

Embrüonaalsed tüvirakudRedigeeri

 
Embrüonaalsed tüvirakud visualiseerituna blastotsüsti rakusisese massi rakkude hulgas. Nendest rakkudest võib saada ükskõik milline rakutüüp, välja arvatud platsentat moodustav rakk. Moorula rakud on totipotentsed ja nad võivad saada ka platsenta rakkudeks. Diagramm illustreerib inimembrüo embrüonaalset tüvirakku ja selle rolli organismis.

Embrüonaalsed tüvirakud pärinevad blastotsüsti ehk lootepõiekese sisemisest rakumassist.[8] Need on pluripotentsed ja annavad alguse kolmele põhilisele lootelehele: ektodermile, endodermile ja mesodermile. Nad võivad diferentseeruda enam kui kahesajaks täiskasvand organismis esinevaks rakutüübiks. Pea kõik tüvirakkudega seotud uuringud on läbi viidud kas hiire (mES) või inimese embrüonaalsete tüvirakkudega (hES). Need vajavad diferentseerumata oleku säilitamiseks väga erinevaid tingimusi.[9] Inimese embrüonaalseid tüvirakke saab tavalistest rakkudest eristada mitmete spetsiifiliste transkriptsioonifaktorite ekspressiooni ja raku pinnaretseptorite järgi.

Embrüonaalsed tüvirakud vajavad diferentseerumiseks spetsiifilisi signaale. Kui selliseid rakke süstida teise organismi, siis hakkavad rakud diferentseeruma paljudeks eri rakkudeks, põhjustades nii teatud tüüpi kasvaja, mida nimetatakse teratoomiks.

Embrüonaalsetele tüvirakkudele omistatakse biomeditsiinis tänapäeval erilist tähtsust. Need on oma pluripotentsuse tõttu potentsiaalseks ravimeetodiks regeneratiivmeditsiinis ja haiguse või vigastuse tagajärjel kahjustatud kudede taastamisel.[10]

Inimese lootelt saadud embrüonaalsete tüvirakkude uurimisobjektina kasutamisele on esitatud eetilisi vastuväiteid põhjendusega, et selliste tüvirakkude saamiseks lõhutavat blastotsüsti (s.o embrüo, milles ei ole veel üle 150 raku) võib pidada inimeseks.[9]

Täiskasvanud tüvirakudRedigeeri

Täiskasvanud tüvirakud ehk somaatilised tüvirakud ehk keha tüvirakud on diferentseerumata rakud, mis esinevad teatud koe diferentseerunud rakkude hulgas ning on enamasti multipotentsed. Hoolimata nimest leidub neid ka lastel ja sündimisel saab neid eraldada ka nabaväädist.[11] Pluripotentsed täiskasvanud tüvirakud on haruldased, kuid neid leidub mitmes koes.[12] Luuüdis leidub rohkelt täiskasvanud tüvirakke.[13] Luuüdis leiduvate tüvirakkude arv kahaneb organismi vananedes.[14] Täiskasvanud tüvirakke on kasutatud mitmete seljaajuvigastuste,[15] maksatsirroosi[16] ja kroonilise jäsemete isheemia ravimiseks.[17] Lisaks on neid kasutatud leukeemia ja muude sarnaste luu- ja verevähkide ravimiseks. Samuti kasutatakse täiskasvanud tüvirakke veterinaarias kõõluste ja sidemete vigastuste ravimiseks hobustel.[18] Täiskasvanud tüvirakkude kasutamine pole nii vastuoluline kui embrüonaalsete tüvirakkude kasutamine, sest täiskasvanud tüvirakkude saamiseks pole vaja embrüot lõhkuda.[19]

Amniootilised tüvirakudRedigeeri

Multipotentseid tüvirakke leidub ka loote amnioni vedelikus. Need tüvirakud on väga aktiivsed, jagunevad kiiresti ja pole tumorogeensed.[20] Rooma-Katoliku Kiriku õpetus keelab embrüonaalsete tüvirakkude kasutamise, kuid Vatikani ajaleht Osservatore Romano nimetas amniootilisi tüvirakke "meditsiini tulevikuks".[21] 2009. aastal avati esimene amniootiliste tüvirakkude pank,[22] mis teeb koostööd mitmete haiglate ja ülikoolidega üle maailma.[23]

Nabaväädi vere tüvirakudRedigeeri

Teatud tüüpi tüvirakud (CB-SC), mis on saadud nabaväädi verest, on multipotentsed: neil on nii embrüonaalsed kui hematopoeetilised omadused. Fenotüübiline klassifikatsioon näitab, et nendel rakkudel on embrüonaalse raku markerid (transkripitsioonifaktorid OCT-4 ja Nanog) ja raku elufaasile iseloomulikud embrüonaalsed antigeenid.[24] Nabaväädi vere tüvirakkudel on potentsiaal ravida autoimmuunhaigusi.[25]

Esilekutsutud pluripotentsusRedigeeri

Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud saadakse täiskasvanud organismi diferentseerunud rakkude ümberprogrammeerimisel nii, et nad omandavad pluripotentsuse. Nii saab näiteks hiire naharakkudes indutseerida tüviraku omadusi ja see rakk võib omakorda diferentseeruda spetsialiseerunud rakuks, näiteks munarakuks.[26]

MeditsiinRedigeeri

 
Tüvirakkude potentsiaalsed kasutusalad meditsiinis. Hetkel on ainus kasutusel olev ravimeetod luuüdi transplantatsioon.

Teadlaste arvates on tüvirakkudel potentsiaal drastiliselt muuta tänapäeva meditsiini. Juba praegu suudetakse nende abil ravida leukeemiat ja mitmeid vere- ja luuvähi tüüpe.[27] Loodetakse, et tulevikus saab tüvirakkudega hakata ravima mitmeid haigusi, nagu vähki, Parkinsoni tõve, seljaajuvigastusi, polüskleroosi ja lihaste vigastusi.[28][29] Tüvirakkude kasutamisel on siiski risk, et need võivad moodustada kasvajaid. Kontrollimatu rakujagunemise korral võivad need kasvajad muutuda ka pahaloomuliseks. Isegi kui tüvirakud on võetud patsiendilt endalt, võib tekkida kasvaja, sest mitokondriaalses DNAs toimuvad mutatsioonid palju tihedamini kui inimese genoomis.[30]

Tähtsamad avastused tüvirakkude vallasRedigeeri

  • 1963 – hiire luuüdis näidati ennast taastootvate rakkude olemasolu.
  • 1968 – rasket kombineeritud immuunpuudulikkust raviti esmakordselt, kasutades luuüdi transplantatsiooni.
  • 1978 – inimese nabaväädi verest avastati hematopoeetilised tüvirakud.
  • 1981 – teadlased eraldasid hiire embrüo sisemisest rakumassist embrüonaalsed tüvirakud.
  • 1997 – leiti esimesed otsesed tõendid vähki tekitavate tüvirakkude kohta. Näidati, et leukeemia saab alguse ühest hematopoeetilisest tüvirakust.
  • 1998 – esimene inimese embrüonaalse tüvirakuliini kasvatamine.[31]
  • 2003 – avastati uut tüüpi täiskasvanud tüvirakud laste piimahammastest.[32]
  • 2006 – teadlased Newcastle Ülikoolis Inglismaal kasutasid nabaväädi vere tüvirakke ja suutsid esmakordselt neist luua tehislikke maksarakke.[33]
  • 2007 – Wake Foresti Ülikooli teadlased avastasid amnioni vedelikust uut tüüpi tüvirakud.[20]
  • 2007 – Mario Capecchi, Martin Evans ja Oliver Smithies said Nobeli auhinna embrüonaalsete tüvirakkude vallas tehtud töö eest ja esimese geneetiliselt muundatud hiire (tuntud kui geennokauditud hiir) väljatöötamise eest.[34]
  • 2008 – embrüonaalse tüviraku sarnaste rakkude avastamine inimese juuksekarvas.[35]
  • 2009 – Andras Nagy ja Keisuke Kaji avastasid meetodi, kuidas kasutada tavalisi keharakke ja toota neist embrüonaalse tüviraku sarnaseid rakke. Nad kasutasid "pakkimismeetodit", et viia rakku spetsiifilisi geene. Varem on selleks kasutatud viirust, mis võib aga põhjustada soovimatuid mutatsioone.[36]
  • 2010 – tehti esimesed katsed inimese embrüonaalsete tüvirakkudega.[37]
  • 2011 – Iisraeli teadlase Inbar Friedrich Ben-Nuni juhitud meeskond suutis ohustatud liikide keharakkudest toota tüvirakke. Selle abil saab päästa väljasuremisohus olevaid liike.[38]
  • 2012 – Katsuhiko Hayashi kasutas hiire naharakke, et teha neist tüvirakud, ja tegi neist omakorda munarakke. Need munarakud viljastati ja arenes terve isend. Samuti andis see hiir terveid järglasi.[39]
  • 2013 – esmakordselt kasvatati, küpsetati ja maitsti laboris liha, mis on tehtud lihase tüvirakkudest.[40]

Vaata kaRedigeeri

ViitedRedigeeri

  1. Tuch BE (2006). "Stem cells—a clinical update". Australian Family Physician 35 (9): 719–21. PMID 16969445. 
  2. Siminovitch L, McCulloch EA, Till JE (1963). "The distribution of colony-forming cells among spleen colonies". Journal of Cellular and Comparative Physiology 62 (3): 327–36. PMID 14086156. 
  3. Toivo Maimets, Viljar Jaks, Ade Kallas, Martin Pook, Martti Maimets, Elo Madissoon, Külli Zimmermann, Embrüonaalsete tüvirakkude uurimisgrupp, veebiversioon (vaadatud 19.09.2014)
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Schöler, Hans R. (2007). "The Potential of Stem Cells: An Inventory". peatükis Nikolaus Knoepffler, Dagmar Schipanski, and Stefan Lorenz Sorgner. Humanbiotechnology as Social Challenge. Ashgate Publishing. lk 28. ISBN 978-0-7546-5755-2. 
  5. Shahriyari, Leili; Komarova, Natalia L. "Symmetric vs. Asymmetric Stem Cell Divisions: An Adaptation against Cancer?". PloS one 8 (10). 
  6. Xie T, Spradling A (1998). "decapentaplegic is essential for the maintenance and division of germline stem cells in the Drosophila ovary". Cell 94 (2): 251–60. PMID 9695953. 
  7. Mitalipov SM, Zhou Q, Byrne JA, Ji WZ, Norgren RB, Wolf DP (2007). "Reprogramming following somatic cell nuclear transfer in primates is dependent upon nuclear remodeling". Hum Reprod 22 (8): 2232–42. PMID 17562675. 
  8. "New Stem-Cell Procedure Doesn't Harm Embryos, Company Claims". Associated Press, Fox News. 24. august 2006. 
  9. 9,0 9,1 "Culture of Human Embryonic Stem Cells (hESC)". National Institutes of Health. Vaadatud 21.10.2013. 
  10. Wu DC, Boyd AS, Wood KJ (2007). "Embryonic stem cell transplantation: potential applicability in cell replacement therapy and regenerative medicine". Front Biosci 12 (8–12): 4525–35. PMID 17485394. 
  11. Jiang Y; Jahagirdar BN; Reinhardt RL; Schwartz, Robert E.; Keene, C. Dirk; Ortiz-Gonzalez, Xilma R.; Reyes, Morayma; Lenvik, Todd et al. (2002). "Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow". Nature 418 (6893): 41–9. PMID 12077603. 
  12. Ratajczak MZ, Machalinski B, Wojakowski W, Ratajczak J, Kucia M (2007). "A hypothesis for an embryonic origin of pluripotent Oct-4(+) stem cells in adult bone marrow and other tissues". Leukemia 21 (5): 860–7. PMID 17344915. 
  13. Narasipura SD; Wojciechowski, J. C.; Charles, N.; Liesveld, J. L.; King, M. R. (2008). "P-Selectin coated microtube for enrichment of CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells from human bone marrow". Clin Chem 54 (1): 77–85. PMID 18024531. 
  14. Dedeepiya VD; Rao, Yegneswara Yellury; Jayakrishnan, Gosalakkal A.; Parthiban, Jutty K.B.C.; Baskar, Subramani; Manjunath, Sadananda Rao; Senthilkumar, Rajappa; Abraham, Samuel J. K. (2012). "Index of CD34+ Cells and Mononuclear Cells in the Bone Marrow of Spinal Cord Injury Patients of Different Age Groups: A Comparative Analysis". Bone Marrow Res 2012: 787414. PMC 3398573. PMID 22830032. 
  15. William JB; Prabakaran, Rajamanickam; Ayyappan, Subbu (2011). "Functional Recovery of Spinal Cord Injury Following Application of Intralesional Bone Marrow Mononuclear Cells Embedded in Polymer Scaffold – Two Year Follow-up in a Canine". Journal of Stem Cell Research & Therapy 01 (3). )
  16. Terai S; Ishikawa, Tsuyoshi; Omori, Kaoru; Aoyama, Koji; Marumoto, Yoshio; Urata, Yohei; Yokoyama, Yuichirou; Uchida, Koichi et al. (2006). "Improved liver function in patients with liver cirrhosis after autologous bone marrow cell infusion therapy". Stem Cells 24 (10): 2292–8. PMID 16778155. 
  17. Subrammaniyan R; Amalorpavanathan, Joseph; Shankar, Rajendran; Rajkumar, Murugesan; Baskar, Subramani; Manjunath, Sadananda Rao; Senthilkumar, Rajappa; Murugan, Palanisamy et al. (2011). "Application of autologous bone marrow mononuclear cells in six patients with advanced chronic critical limb ischemia as a result of diabetes: our experience". Cytotherapy 13 (8): 993–9. PMID 21671823. 
  18. Kane, Ed (1. mai 2008). "Stem-cell therapy shows promise for horse soft-tissue injury, disease". DVM Newsmagazine. Vaadatud 21.10.2013. 
  19. "Stem Cell FAQ". US Department of Health and Human Services. 14. juuli 2004. 
  20. 20,0 20,1 P. De Coppi, G Barstch, Anthony Atala (2007). "Isolation of amniotic stem cell lines with potential for therapy". Nature Biotechnology 25 (5): 100–106. PMID 17206138. 
  21. "Vatican newspaper calls new stem cell source 'future of medicine' :: Catholic News Agency (CNA)". Catholic News Agency. 3. veebruar 2010. Vaadatud 21.10.2013. 
  22. "European Biotech Company Biocell Center Opens First U.S. Facility for Preservation of Amniotic Stem Cells in Medford, Massachusetts". Reuters. 22. oktoober 2009. Vaadatud 21.10.2013. 
  23. "Biocell Center Corporation Partners with New England's Largest Community-Based Hospital Network to Offer a Unique... – MEDFORD, Mass., March 8 /PRNewswire/". Massachusetts: Prnewswire.com. Vaadatud 21.10.2013. 
  24. Zhao, Yong; Wang, Honglan and Mazzone, Theodore (1.08.2006). "Identification of stem cells from human umbilical cord blood with embryonic and hematopoietic characteristics". Exp Cell Res 312 (13): 2454–2464. PMID 16716296. 
  25. Zhao, Yong; Lin, Brian; Darflinger, Robert; Zhang, Yongkang; Holterman, Mark J. and Skidgel, Randal A. (19.01.2009). Unutmaz, Derya, toim. "Human cord blood stem cell-modulated regulatory T lymphocytes reverse the autoimmune-caused type 1 diabetes in nonobese diabetic (NOD) mice". PLoS One 4 (1): e4226. PMC 2627485 /journal.pone.0004226 . PMID 19156219. 
  26. "Making human embryonic stem cells". The Economist. 22.11.2007. 
  27. Gahrton G, Björkstrand B (2000). "Progress in haematopoietic stem cell transplantation for multiple myeloma". J Intern Med 248 (3): 185–201. PMID 10971785. 
  28. Lindvall O (2003). "Stem cells for cell therapy in Parkinson's disease". Pharmacol Res 47 (4): 279–87. PMID 12644384. 
  29. Goldman S, Windrem M (2006). "Cell replacement therapy in neurological disease". Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 361 (1473): 1463–75. PMC 1664668. PMID 16939969. 
  30. "Stem-cell therapy: Promise and reality." Consumer Reports on Health 17.6 (2005): 8–9. Academic Search Premier. EBSCO. Web. 5 Apr. 2010.
  31. Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel JJ, Marshall VS, Jones JM (1998). "Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts". Science (New York) 282 (5391): 1145–7. PMID 9804556. 
  32. Shostak S (2006). "(Re)defining stem cells". BioEssays 28 (3): 301–8. PMID 16479584. 
  33. Ross, Shã‚N (31. oktoober 2006). "First liver grown from stem cells offers hope for transplant patients". Edinburgh: The Scotsman. Originaali arhiivikoopia seisuga 3.02.2007. 
  34. "The Nobel prize in physiology or medicine 2007". Nobelprize.org. Vaadatud 21. oktoober 2013.
  35. Conrad S; Renninger M; Hennenlotter J; Wiesner, Tina; Just, Lothar; Bonin, Michael; Aicher, Wilhelm; Bühring, Hans-Jörg et al. (2008). "Generation of pluripotent stem cells from adult human testis". Nature 456 (7220): 344–9. PMID 18849962. 
  36. "Researchers find new method for turning adult cells into stem cells". Amherst Daily News. Canadian Press. 3. jaanuar 2009. Vaadatud 21.10.2013. 
  37. "First trial of embryonic stem cells in humans". BBC News. 11. oktoober 2010. 
  38. Shtull-Trauring, Asaf (2011-09-06) Israeli scientist leads breakthrough stem cell research on endangered species
  39. Hayashi, K.; Ogushi, S.; Kurimoto, K.; Shimamoto, S.; Ohta, H.; Saitou, M. (2012). "Offspring from Oocytes Derived from in Vitro Primordial Germ Cell-like Cells in Mice". Science 338 (6109): 971–975.
  40. Sample, Ian (1. märts 2009). "Anyone for a stem-cell burger?". London: The Guardian. Vaadatud 21.10.2013. 

VälislingidRedigeeri