Wat zijn volwassen stamcellen?

In organen en weefsels van een volwassen lichaam zijn ook stamcellen aanwezig om bij verlies van cellen weer nieuwe cellen te vormen. Dit verlies kan zijn ontstaan door een natuurlijk verloop, beschadiging of ziekte. In tegenstelling tot de pluripotente embryonale stamcellen komen deze volwassen of adulte stamcellen dus van nature voor in het lichaam en deze blijven gedurende ons hele leven aanwezig.

22 juni 2016

De meeste lichaamscellen kunnen maar een aantal keer delen, daarna verliezen ze dit vermogen. Dat is maar goed ook, anders zou een organisme gedurende zijn hele leven blijven groeien. In de periode dat cellen nog wel kunnen delen, zoals tijdens de embryonale ontwikkeling, deelt een cel in twee cellen die net iets meer gedifferentieerd zijn dan de moedercel. Doordat differentiatie eenrichtingsverkeer is, specialiseren de cellen zich bij elke deling steeds meer. Op deze manier worden de verschillende celtypen en weefsels gevormd, ieder met een eigen specifieke functie. Ook al blijft de genetische informatie in de cel intact tijdens differentiatie, toch is een eenmaal gedifferentieerde cel niet in staat om een ander celtype te vormen. Een zenuwcel kan geen hartspiercel worden, een huidcel kan niet veranderen in een levercel. Dat komt omdat de genetische informatie, die in iedere gedifferentieerde cel precies gelijk is, niet in ieder cel meer volledig kan worden afgelezen (transcriptie). Bijvoorbeeld omdat er een chemische additie op delen van het DNA-molecuul is aangebracht, zodat de transcriptie wordt geblokkeerd. Dit principe van genexpressiebeïnvloeding wordt epigenetica genoemd.

Volwassen stamcellen kunnen niet meer alles worden

Bloed bevat een aantal verschillende celtypen. Het meest bekend zijn wellicht de rode bloedcellen, erythrocyten, die het bloed de rode kleur geven en die belangrijk zijn voor het transport van zuurstof. Rode bloedcellen zijn maar een kort leven beschoren, gemiddeld is een rode bloedcel rond de 110 dagen aanwezig in het bloed waarna deze wordt afgebroken. Een rode bloedcel is niet in staat om te delen. Dit betekent dat er een continue aanvoer moet zijn van nieuwe rode bloedcellen en dit gebeurt door hematopoëtische of bloedvormende stamcellen die zich in het beenmerg bevinden. Deze stamcellen vormen normaal gesproken alleen maar bloedcellen. Niet alleen de rode bloedcellen, maar ook de witte bloedcellen worden door deze stamcellen gevormd. Omdat de bloedvormende stamcellen meerdere typen gedifferentieerde cellen kunnen vormen, maar niet alle cellen, worden ze multipotent genoemd.

Een ander voorbeeld van volwassen stamcellen zijn bij een man of mannelijk dier de cellen die zorgen voor de productie van de spermacellen. Ook deze cellen worden voortdurend aangemaakt door middel van spermavormende stamcellen in de zaadbal. Deze stamcellen kunnen maar één celtype vormen: de spermacel. Deze stamcellen worden daarom unipotent genoemd.

De bloedvormende stamcellen in het beenmerg en de spermastamcellen in de zaadbal zijn voortdurend actief omdat er een continue behoefte aan nieuwe cellen is. Dit geldt echter zeker niet voor alle stamcellen in het lichaam. De meeste volwassen stamcellen in het lichaam bevinden zich in een rusttoestand waarbij ze niet of nauwelijks delen. Pas als er behoefte is aan een bepaald celtype, bijvoorbeeld na verlies van weefsel door ziekte of mechanische beschadiging, worden volwassen stamcellen actief.

Nog veel onderzoeksvragen…

Evenals embryonale stamcellen kunnen volwassen stamcellen buiten het lichaam, in vitro, worden gekweekt. In het juiste kweekmedium en onder de juiste kweekomstandigheden kunnen volwassen stamcellen in vitro zelfs vele malen delen en zo maanden worden gekweekt. Algemeen wordt aangenomen dat deze cellen echter niet het oneindige leven hebben, en dat de delingscapaciteit vermindert naarmate de cellen ouder worden. Van de meeste volwassen stamcellen is echter nog relatief weinig bekend. Zijn stamcellen aanwezig in alle weefsels van ons lichaam? Hoe kan een volwassen stamcel worden herkend tussen alle andere cellen? En als stamcellen herkend kunnen worden, hoe kunnen deze dan worden geïsoleerd en verzameld? Hoe moeten deze cellen in vitro worden geweekt, en hoe lang kunnen ze in vitro worden gekweekt? Wat is de differentiatie-capaciteit van de verschillende volwassen stamcellen? Wat zijn de signalen waardoor de verschillende stamcellen differentiëren in een bepaald celtype? Met andere woorden: heel veel vragen waarop nog geen eenduidig antwoord gegeven kan worden. Bovendien zullen de methoden voor herkenning, isolatie, kweek en differentiatie voor ieder stamceltype verschillend zijn.

…maar ook veel potentiele toepassingen

Een van de meest veelbelovende toepassingen van stamcellen is dat deze cellen kunnen worden gebruikt voor cel- of weefselregeneratie. Sommige van dit soort behandelingen vinden al plaats. Het meest bekende is beenmergtransplantatie ter behandeling van een patiënt met een bloedaandoening, zoals leukemie. Het voordeel hierbij is dat patiënteigen cellen kunnen worden gebruikt. Van een patiënt worden bijvoorbeeld bloedvormende stamcellen geoogst uit het beenmerg en tijdelijk opgeslagen. De patiënt kan ondertussen een behandeling ondergaan die meestal nadelig is voor het aanwezige beenmerg zoals een chemotherapie. Na de behandeling kunnen de bewaarde stamcellen teruggezet worden. Omdat de getransplanteerde cellen lichaamseigen zijn, accepteert het lichaam van de patiënt de cellen en worden ze niet afgestoten door het immuunsysteem.

Naast de bloedvormende stamcellen bevinden zich in het beenmerg ook mesenchymale stamcellen. Deze cellen kunnen relatief eenvoudig in vitro worden gekweekt en deze cellen hebben het vermogen om te differentiëren tot botcellen, spiercellen en vetcellen. Weinig mensen zullen zitten te wachten op vervanging van vetweefsel, maar zeker de vervanging van bot of kraakbeen door lichaamseigen cellen lijkt veelbelovend. Wederom hebben de mesenchymale stamcellen als voordeel dat lichaamseigen weefsel gemaakt kan worden.

Buiten het fabriceren van een weefsel ter vervanging van een beschadigd orgaan kunnen volwassen stamcellen gebruikt worden voor de vorming van mini-orgaantjes, ook wel organoïden genoemd. Leverstamcellen, geïsoleerd uit een leverbiopt, kunnen in vitro opgekweekt worden tot duizenden mini-orgaantjes om bijvoorbeeld verschillende medicijnen op te testen. Door patiënteigen leverstamcellen voor deze testen te gebruiken, kan een patiënt-specifieke medicijnencocktail worden samengesteld. Nu wordt patiënt A nog met dezelfde medicijnen behandeld als patiënt B, maar is daar misschien veel minder bij gebaat. In de toekomst kunnen testen met (volwassen) stamcellen misschien vertellen dat patiënt A veel meer gebaat is bij een ander medicijn en daar minder bijwerkingen van ervaart.

De enorme diversiteit aan volwassen stamcellen heeft het onderzoek naar deze cellen niet makkelijker gemaakt. Regelmatig is het voorgekomen dat resultaten die door de ene onderzoeksgroep werden gepubliceerd, niet konden worden gereproduceerd door een andere onderzoeksgroep. Hierbij is vaak onduidelijk of het gaat om een verkeerde interpretatie van resultaten of de grote diversiteit aan volwassen stamcellen.

Regeneratie

betekent letterlijk het vermogen van levende organismen om beschadigde weefsels te herstellen. Dat is niet echt iets bijzonders, zult u denken, dat kunnen wij ook. Inderdaad. Kleine beschadigingen van de huid of van spieren kunnen wij prima herstellen. Maar het regenereren van complete ledematen of zelfs de helft van een compleet lichaam, dat kunnen we niet. Veel dierlijke organismen kunnen dat wel, en planten kunnen zelfs een compleet nieuwe plant laten groeien uit een stukje blad. Zou het niet geweldig zijn als wij mensen dat vermogen ook zouden hebben?

De bestudering van regeneratieprocessen is dan ook een zeer actief veld in de ontwikkelingsbiologie dat voordeel heeft van de grote technische sprongen in de moleculaire biologie én het stamcelonderzoek. Want het zijn ‘stamcelachtige’ cellen die aan de basis staan van regeneratieve processen. Regeneratie kan ruwweg in vier verschillende vormen voorkomen:

Volwassen stamcel gemedieerde regeneratie: zoals het constant vormen van bloedcellen, nieuwe huidcellen en haren, en het continue vervangen van de toplaag van onze darmen;
Compensatoire regeneratie: gedifferentieerde cellen krijgen tijdelijk hun vermogen tot delen en samenwerking terug. Dat gebeurt soms in mensen, zoals bijvoorbeeld in lever-regeneratie.

Alleen bij dieren:

Epimorfose: cellen aan de basis van volwassen structuren zoals poten, vingers of staarten, gaan ‘terug’ in de ontwikkeling naar een stamcelachtige stadium en vormen een hele nieuwe poot, vinger of staart;
Morphallaxis: vanuit een ‘veld’ in het organisme ontstaat een heel nieuw organisme, zoals bij stekken van planten en bij lagere organismen zoals de zeester.

De allerbelangrijkste vraag in regeneratieve processen is natuurlijk: hoe bepalen cellen welk patroon ze vormen? Waarom ontstaan er precies evenveel vingers aan een weer aangegroeide salamanderpoot en is die poot net zo lang als de afgehakte?

Dit lijkt voornamelijk te worden gestuurd doordat cellen in de gebieden waar de regeneratie begint bepaalde stoffen vormen, zogenaamde morfogenen, waarop andere cellen reageren door te delen, te bewegen of te differentiëren. De concentratie morfogenen is het hoogst in de weefsels waar ze geproduceerd worden en wordt verder weg steeds lager. De cellen die op deze stoffen reageren produceren zelf ook weer morfogenen, zodat er een steeds ingewikkelder structuur van morfogenetische velden ontstaat.

Er zijn veel morfogenen bekend die betrokken zijn bij de aanleg van bijvoorbeeld de menselijke arm, maar om de onderlinge beïnvloeding na te bootsen zodat er ook een nieuwe arm uitgroeit, zal nog lang duren, als dat al ooit lukt. Mensen zijn namelijk zo ‘dom’ om meteen littekenweefsel te gaan vormen, en dat stopt alle regeneratieve processen heel efficiënt.