Az élő anyag – sejtek, szövetek, szervek, szervezetek – létezésének alapvető feltétele az állandó megújulás. A magas szabadenergiatartalmú „bio-makromolekulák” élettartama korlátozott, a sejtek típusától, élettani állapotától függő mértékben, de folyamatosan bomlanak és újraképződnek. A szöveteket alkotó sejtek is meghatározott élettartammal jellemezhetők, a szöveti sejtkészlet is folyamatosan megújul. Az „érett” (differenciált) szöveti sejtek átlagos élettartama, a sejtpusztulás és sejtképzés mértéke a szervezet fejlődésbiológiai és élettani állapotától függő, de az egyes sejttípusokra jellemző sajátság. Míg egyes távoli kapcsolatokat biztosító (vetítő) idegsejtek a szervezet teljes élettartama – ember esetén akár száz év – alatt sem cserélődnek, az emberi vörösvértestek átlagosan százhúsz napig élnek, azaz körülbelül négyhavonta cserélődnek. Egészséges körülmények között a sejtpótlás a szöveti működés megzavarása nélkül biztosítja az adott szövet/szerv fennmaradását, és annak igénybevétel szerinti méretváltozásait. Ezeknek a folyamatoknak köszönhető a bőr-funkció fenntartása az elszarusodó külső sejtek állandó elhalása ellenére, a vörösvérsejtek számának megnövekedése alacsony O₂-tartalmú (például magashegyi) környezetben vagy a vázizmok jelentős növekedése edzés hatására. Hasonló folyamatok biztosítják a sérülések utáni szövetpótlást, vagy a páros szervek egyikének elvesztése után a megmaradó szerv méretének megnövekedését (kompenzatorikus hiperplázia). A szövet sérülése vagy fokozott igénybevétele igen nagymértékben képes növelni a szöveti sejtképzést, biztosítva a regeneráció vagy az igénybevétel-függő szövetnövekedés folyamatait.

A fiziológiás vagy regeneratív sejtpótlás sohasem a szövet magasan specializált, ún. végdifferenciált sejtjeinek szaporodásával történik. A végdifferenciált sejtek (például: érett szívizomsejtek, idegsejtek, elszarusodott bőrsejtek stb.) osztódásra nem képesek: a sejtfejlődés egy adott szakaszában kilépnek a sejtciklusból, és szaporodásra a továbbiakban nem késztethetők. Minden szövet tartalmaz azonban a sejtfejlődés alacsonyabb fokán álló sejteket, amelyek többsége – normális feltételek mellett – az érett szövetben nem osztódik, de megfelelő ingerek (például megnövekedett szöveti működés vagy sérülés) hatására képesek visszalépni az osztódási ciklusba, és létrehozni szöveti fejlődésre képes utódsejteket. A múlt század végéig ezeket a szövetpótlás kiindulópontját képező sejteket egyszerűen „nyugvó sejteknek” nevezték. A fejlődésbiológia és őssejtbiológia fejlődésével ma ezeket a sejteket – osztódásuk módja és az utódsejtek azonossága vagy eltérősége alapján – szöveti őssejteknek vagy szöveti sokszorozó sejteknek nevezzük.

A szöveti őssejtek osztódásakor egy az „anyasejttel” azonos és egy attól eltérő sajátságú utódsejt keletkezik, míg a szöveti sokszorozó sejtek osztódása azonos utódsejteket eredményez. Mindkét osztódásforma esetén az utódsejtekbe azonos DNS-állomány kerül, azaz mindkét esetben számtartó sejtmagosztódás, mitózis történik. Az őssejtosztódás során az utódsejtek különbözőségét az okozza, hogy egyes, a citoplazmában található, génexpressziót szabályozó molekulák nem azonos mennyiségben kerülnek át a két leánysejtbe (aszimmetrikus mitózis) (1. ábra). Az eltérő szabályozó faktorkészlet következtében a két utódsejtben az azonos DNS-állományból más-más gének aktiválódnak, és ezzel eltérő fenotípusú, fejlődési lehetőségeikben is különböző sejtek jönnek létre. A sokszorozó sejtek osztódásával keletkező leánysejtekben a citoplazmatikus szabályozó faktorok eloszlása (közel) egyenlő: az azonos DNS-állomány közel azonos aktiválása azonos fenotípusú utódsejteket eredményez (szimmetrikus mitózis).

Az őssejtekre jellemző aszimmetrikus mitózis újraképez egy eredeti őssejtet, és létrehoz egy további fejlődésre elkötelezett leánysejtet. Mindez arra szolgál, hogy fennmaradjon egy kisméretű „eredeti” őssejt-populáció, miközben létrejön egy fejlődésre elkötelezett „új” sejtféleség. A szimmetrikus mitózissal történő sejtsokszorozás mindig egy meghatározott típusú/fejlődési állapotú sejtféleség elszaporítását szolgálja. Az embrionális szövetképzés során és a regenerálódó felnőtt szövetekben is, a két osztódási forma egymást váltogatva zajlik: az aszimmetrikus mitózissal létrejövő, új fejlődési lehetőségekkel bíró sejtek a szimmetrikus mitózisok sorozatán át elszaporodnak. Ebben a megnövekedett sejtpopulációban aztán egy-egy sejt újra aszimmetrikusan osztódik, ami során a sejtfejlődés következő szintjét képviselő leánysejtek jönnek létre. Ez utóbbiak szimmetrikus sokszorozásával ez a magasabban fejlett sejtállapot „elterjed”, majd egy következő aszimmetrikus osztódás biztosítja az újabb fejlődési szint megjelenését. A végdifferenciált szöveti sejtállapot őssejt és sokszorozó sejt típusú osztódások sorozatán át valósul meg. A sokszorozó sejtek osztódása biztosítja a szervezet kialakulásához vagy a szövetpótláshoz nélkülözhetetlen sejttömeget. Az ennél sokkal ritkább őssejt típusú osztódásnál viszont újraképződik az adott fejlődési szintet képviselő őssejt is, amelynek fennmaradása az adott szövet vagy szöveti régió sajátságaitól függ.

Szöveti őssejtek
az embrionális testképzés során

Embrionális szöveti őssejtek (embryonic tissue stem cells – ETSCs; ETS-sejtek) az elkötelezetlen embrionális őssejtekből (embryonic stem cells – ESCs; ES-sejtek) alakulnak a fejlődés igen korai szakaszán, és az embrionális (ES) őssejtekhez képest a fejlődés előrehaladottabb stádiumait képviselik.

Az ES-sejtek még a méhfalba való beágyazódást megelőző egyedfejlődés sejtjei: a hólyagcsíra belső sejtcsomóját (inner cell mass – ICM) alkotják (2. ábra). ES-sejtekből fejlődik az embrió minden szövete és egyes extraembrionális membránok is. A széles fejlődési potenciállal rendelkező, elkötelezetlen ES-sejtek azonban a hólyagcsíra trofoblaszt sejtjeit már nem tudják előállítani, ezért tisztán ES-sejtekből embriót nem lehet létrehozni. A hólyagcsírába injektálva azonban az ES-sejtek beépülnek a befogadó csíra sejtjei közé, és a fejlődő szervezet legkülönbözőbb szöveteinek képzésében vehetnek részt.

Az embriólemezek kialakulásának pillanatától kezdve azonban az elkötelezettebb embrionális szöveti őssejtek (ETS) „felelősek” az embrionális szövetek, szervek kialakításáért. A hólyagcsíra méhfalba történő beágyazódásával az embrió gyors fejlődésnek indul (3. ábra). Az egykori ES-sejtek fokozatosan elköteleződnek egy-egy szövetféleség sejttípusainak létrehozására, és közben elvesztik azt a képességüket, hogy részt vegyenek más szövetek képzésében. A testszerveződés megindulásával az embriótestet különböző mértékben „elkötelezett” embrionális szöveti ős- és sokszorozó (ETS-) sejtek alkotják. Az embrionális fejlődés előrehaladtával az ETS-sejtek sokfélesége egyre nő; típusaik számáról, sajátságaikról egyelőre kevés adat áll rendelkezésre.

Az elköteleződés kezdeti lépéseit a formálódó testtengelyek menti elhelyezkedés, pontosabban az adott pozícióban ható morfogén/növekedésifaktor-fehérjék összetétele irányítja (4. ábra). A beágyazódás után szinte azonnal kialakul két morfogéneket termelő sejtcsoport az embriópajzs két ellentétes oldalán: az antero-viszcerális entoderma (AVE) az anterior (feji) pólust, a primitív árok a poszterior (farok) régiót jelöli ki (4. ábra A). Az AVE- és a primitív ároksejtek által termelt morfogén fehérjék (többek között FgF8 a korai AVE-ből, TGF-b típusú faktorok a primitív árok felől) koncentrációja egymással ellentétes irányú gradiens mentén változik. A szignálmolekulák a sejtek génexpesszióját szabályozzák, mégpedig egymáshoz viszonyított koncentrációarányaiktól függő módon. A morfogén fehérjék térben finoman változó mennyisége szinte minden sejtben egyedi génexpressziós mintázatot indukál, az anterior-poszterior tengely mentén való elhelyezkedéstől függően.

A fej-farok irányú pozícionálás információ mellett, az embriólemez középvonalában (például: sonic hedgehog [Shh]; TGF-b) és az oldalsó szegélyen (például: BMP, Wnt-faktorok) termelődő morfogének meghatározzák a test medio-laterális tengelyét (4. ábra B). Ez a korai pozicionális információ biztosítja a jövendő test bilaterális szimmetriáját, és az egyes létfontosságú szervek (például: szív, máj) egyoldali elhelyezkedését. A csővé formálódó központi idegszövetben ez a korai medio-laterális – majd a csővé formálódás után ventro-laterális – meghatározódás (4. ábra C) biztosítja többek között a gerincvelői mozgató idegsejtek ventrális, és az érző bemenetek dorzális szerveződését. A morfogén-gradiensek és az általuk indukált génexpressziós mintázatok a fejlődő embriótestet és test teljes anterior–poszterior tengelye mentén végighúzódó központi idegszövet-kezdeményt (4. ábra D) egymástól elkülönülő doménekre osztják. Az egyes domének sejtjei a normális fejlődés során egymástól eltérő sajátságú utódokat, jellegzetes sejtmintázatokat, azaz a test megfelelő helyén megfelelő sajátságú differenciálódó szövetegyütteseket, szervkezdeményeket hoznak létre.

A szövet- és szervképzés időszakában az embrionális szöveti őssejtek már jelentősen különböznek egymástól: a vér- és érképző, vázrendszert építő vagy idegi őssejtek jellegzetes alkotó molekuláik alapján jól elkülöníthetőek. A sejtfejlődés során az egyes sejtféleségek azáltal különülnek el egymástól, hogy azonos génállományukból más és más génszakaszok működnek aktívan, illetve „hallgatnak el”. A fejlődés megfordíthatatlan folyamatait a génállomány azon változásai okozzák, amelyek egyes génszakaszok végleges inaktiválódásával járnak. Az ilyen változások – például a DNS-metilációk, -deléciók – a sejtfejlődés során halmozódnak, végdifferenciált sejtek kialakulásához vezetnek, és azt eredményezik, hogy az ilyen sejtek környezetükből kiragadva sem alakíthatók más sejtféleséggé.

Szöveti őssejtek a felnőtt szervezetben

A szövet- és szervépítés „látványos” folyamatai lényegében a felnőtté válással fejeződnek be. Szöveti őssejtek azonban a test egyes részeinek – bőr, bélcsatornahám, száj- és orrnyálkahártya, csontvelő vérképző szigetei, előagyi neurogén zónák – germinatív sejtcsoportjaiban fennmaradnak, és aktívan képeznek sejteket az élet teljes időtartama alatt. Működésük nélkül a szervezet nem létezhet. Emellett minden szervben megtalálhatók azok a nem végdifferenciált sokszorozó sejtek, amelyek biztosítják, hogy a szervek gyorsan átrendeződő szerkezeti elemei – kötőszövetes burkok, plasztikusan változó kapillárisok és limfa-erek – normális működési feltételek mellett is állandóan változzanak.

Noha minden szövetben jelen vannak őssejtek, nem minden kifejlett szerv vagy szövet képes regenerálódni, és a sérülések után regenerálódó szövet állaga lényegesen eltérhet az egészségestől. A kifejlett szövetekben sem az őssejtek, sem az azokat fogadni tudó szöveti környezet nem azonos a korai szövetfejlődés időszakában létezővel. Ma még keveset tudunk a felnőttkori őssejtek sajátságairól és a fejlődésükhöz, irányított vándorlásukhoz szükséges környezeti feltételekről; jelenleg ezt a jelentős regeneratív lehetőséget a gyógyításban alkalmazni még nem tudjuk. Komoly kutatómunkára van szükség, hogy megértsük, hányféle különböző típusú őssejt létezik az egyes érett szövetekben, és ezek milyen lényeges sajátságokban térnek el egymástól. Meg kell értenünk, hogy hogyan képesek ezek a sejtek megtartani őssejtállapotukat, miközben a környező sejtek magasan fejlett végdifferenciált sejtekké alakulnak. Az sem világos, vajon a felnőttkori őssejtek az egyes szöveti-fejlődési lépéseket képviselő őssejtek fennmaradt reprezentánsai-e, vagy a szöveti fejlődés más folyamatában keletkeznek. Nem világos, hogy e sejtek közül melyek képesek – ha képesek – más szövetek sejttípusait is létrehozni.

Ez utóbbi kérdéseket behatóan vizsgálják a felnőttkori testi sejtek „visszaprogramozásával” és/vagy „transzdifferenciálódásával” foglalkozó kutatások.

Szöveti őssejtek „visszaprogramozása”
és „transzdifferenciálódása”

A felnőtt emberi szöveti őssejtek felbecsülhetetlen forrást ígérnek a saját sejttel való jövőbeli klinikai sejtpótláshoz, az egyedi genetikai/sejtbiológiai sajátosságok diagnosztikus elemzéséhez és az egyedre szabott gyógyszerhatások vizsgálataihoz. A testből nyert, in vitro fenntartható sejtek csakis az osztódóképességüket megőrző, nem végdifferenciált szöveti sejtek lehetnek. Ezek között a szöveti ős-/sokszorozó sejtek között kereshetők azok, amelyekben előidézhető egy kevéssé differenciált, többféle sejtfejlődésre képes, pluripotens sejtállapot.

Embrionális őssejtekre jellemző gének aktiválásával indukálni lehet embrionális őssejt- (ES) sajátságokat a felnőtt – de nem végdifferenciált – testi sejtek egész során. Az ún. őssejtgének aktiválását el lehet érni e gének sejtekbe való közvetlen bevitelével (Takahashi – Yamanaka, 2006), vagy a sejtek génszabályozó fehérjehálózatának kis molekulákkal vagy növekedési faktorokkal (Hussein – Nagy 2012; Liang – Zhang, 2013) való szabályozásával. Ez a „visszaprogramozás” azonban csak osztódóképes, azaz nem végdifferenciált sejtekben (1. táblázat) működik.

A visszaprogramozás eredményeként ES-sejtekhez hasonló, elkötelezetlen sejteket állítanak elő; ma az indukált pluripotens sejtek minőségét is az ES-kritériumok szerint ítélik meg. Ez azonban azt jelenti, hogy szöveti fejlődésüket, és főként egy lehetséges jövőbeni klinikai alkalmazást tekintve hasonló problémákkal szembesülnek a kutatók, mint az ES-sejtek esetén: teljesen elkötelezetlen őssejtek közvetlenül nem használhatók szövetképző sejtek modellezésére vagy pótlására. A gyakorlatban szélesen alkalmazható visszaprogramozás távlati – ma még futurisztikus – célja az lenne, hogy olyan szöveti őssejteket hozzon létre, amelyek az adott szövet alakításához az éppen szükséges sejtfejlődési állapotot képviselik. Ehhez azonban az egyes szöveti őssejtek szövetképző potenciálját, finom sajátosságait és környezeti igényeit kellene ismerni. A rohamos tudományos fejlődés ellenére ezekre az adatokra ma még várni kell. A megoldandó kérdésekről és a már elért eredményekről részletesen szólnak e kötet tanulmányai.
 

Kulcsszavak: szöveti fejlődés, regeneráció, sejttípus-elköteleződés, végdifferenciált sejtek, testtengelyek
 

IRODALOM

Hussein, S. M. - Nagy A. (2012): Progress Made in the Reprogramming Field: New Factors, New Strategies and a New Outlook. Current Opinion in Genetics & Development. 22, 435-43.

Liang, G. – Zhang, Y. (2013): Embryonic Stem Cell and Induced Pluripotent Stem Cell: An Epigenetic Perspective. Cell Research. 23, 49–69.

Schoenwolf, G. C. (2001): Cutting, Pasting and Painting: Experimental Embryology and Neural Development. Nature Reviews Neuroscience. 2, 11, 763–771.

Shimamura, K. – Hartigan, D. J. – Martinez, S. – Puelles, L. – Rubenstein, J. L. R. (1995): Longitudinal Organization of the Anterior Neural Plate and Neural Tube. Development. 121, 3923–3933.

Stadtfeld, M. – Hochedlinger, K. (2010): Induced Pluripotency: History, Mechanisms, and Applications. Genes & Development. 24, 2239–2263.

Takahashi, K. – Yamanaka, S. (2006): Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell. 126, 663–676.

Yamanaka, S. (2012): Induced Pluripotent Stem Cells: Past, Present, and Future. Cell Stem Cell. 10, 678–684.