Kök Hücreler. Dr. Selma Yılmaz. Lippincott Cell Mol Biol NIH EurostemCell

Transkript

1 Kök Hücreler Dr. Selma Yılmaz Lippincott Cell Mol Biol NIH EurostemCell

2 ANA HATLAR Özel giriş-gameteogenez: Özel bir Mayoz: Hayat Hikayesi I. Kök hücre nedir? II. Kök hücrelerin üç genel özellikleri nedir? a. Kök hücre pluripotensisi? III. Kök Hücrelerin Adanmışlığı nedir? a. Kök hücre nasıl bölünür? b. Progenitorler nedir? Kök hücreyle ana farkı nedir? c. Kök hücre oyuğu nedir? IV. Bilimciler için kök hücre kaynakları nelerdir? a. Embriyonik kök hücre: Nedir? Nerededir?Ne yapar? Kullanımları ve blastosit kullanılımının sorunları nedir? Blastosit ne zaman edinilir, etik sorunlar? b. Yetişkin kök hücre: Nedir? Nerededir? Ne yapar)? Vücuddaki rolleri nelerdir? V. Kök hücre-bazlı tedavi nedir? İndüklenmiş pluripotent kök hücre nedir? Yetişkin kök hücre kullanımıyla ilgili Problemler nelerdir? VI. Kök Hücrelerin Hastalıkları nedeni nedir? NIH

3 GİRİŞ İNSAN HAYATI döllenmiş yumurtayla (fertilize egg), tek bir hücreyle başlar (döllenme: fertilizasyon) FERTILIZASYON üremenin ilk aşamasıdır. Spermler bir yumurtayla karşılaştıklarında, spermlerden biri yumurtayla birleşir. Gametlerin (bir sperm ve bir yumurta hücresinin (ovum: egg)-) birleşmesine fertilizasyon (döllenme) denilir. Gametogenez, gametlerin (sperm ve yumurtaların) ü retimidir. Gametogenez, mayoz işlemleri aracılığıyla yapılır.

4 Gametleri Özel bir Mayoz Üretir: Gameteogenez Mayozla (meiosis), iki hücre bölünmesi, her biri ebeveyninin yarısı kadar kromozom içeren gametlerle sonuçlanır. Sperm üretimine spermatogenez ve yumurtaların (eggs) üretimine oogenez denir. 2N 2N 1 N 1N Gametler 1N 1N 1 N 1 N 1 N 1 N 1N 1N 1N 1N 4 HAPLOID SPERM 4 HAPLOID YUMURTALAR

5 Özel Bir Mayoz: Spermatogenez Spermatogenez, seminifer tübüller deki spermatogonia (tekil: spermatogonium) kök hücrelerle olur. Mayoz sonunda üretilen haploid hücreye spermatid denilir. Seminifer tübül lümenine eriştiği ve bir kamçısı (flagellum veya kuyruk ) büyüdüğünde bir sperm hücresi adını alır. Mayoza giren her bir primer (ilk) spermatositten dört sperm üretilir. İkincil spermatosit Farklılaşma Human Reproductive Anatomy and Gametogenesis, 2013

6 Özel Bir Mayoz: Oogenez Oogenez, overlerdeki yumurtalar (oogonia; tekil oogenium) denilen kök hücrelerden oluşur. Primer oosit eşitsiz olarak bölünür; bu bir polar body (kürecik ) ve içeren bir sekonder oosit (secondary oocyte ) ile sonuçlanır. Sekonder oosit hücresel materyalin ve organellerin çoğunu içerir, fakat sonra, gelişmekte olan foliküllerde bu bölünmeyi daha sonra bitirene kadar, metaphase II de durur bekler. Bu, ikinci bir polar body ve sekonder oosit ile sonuçlanır, bu, eğer bir sperm ile fertilize olursa, mayozu ()meiosis) tamamlar. Polar body (kürecik): bir set kromozom ve az miktarda sitoplazma içeren küçük bir hücre, genellikle ölür. Human Reproductive Anatomy and Gametogenesis, 2013

7 FERTILIZASYON üremenin ilk aşamasıdır. Spermler bir yumurtayla karşılaştıklarında, spermlerden biri yumurtayla birleşir. Gametlerin (bir sperm ve bir yumurta hücresinin (ovum: egg)-) birleşmesine fertilizasyon (döllenme) denilir. Fertilizasyon ürünü bir diploid ZİGOT (ZYGOTE) tur. Tek hücreli zigot, mitotik bölünmelerle, bir İNSAN olur. GametLER EMBRİYOGENEZ Fertilizasyon ZİGOT birleşen çekirdekler

8 EMBRİYOGENEZ Image courtesy of NIH resource for stem cell research Image courtesy of Brad Smith, University of Michigan BİR HAYAT HİKAYESİ... Image courtesy of Brad Smith, University of Michigan Sources:EuroStemCell

9 KÖK HÜCREYE GİRİŞ İNSAN HAYATI tek bir hücreyle, döllenmiş yumurtayla (fertilize egg), başlar (döllenme: fertilizasyon). Fertilizasyon ürünü olan, bir diploid zigot, bir kök hücredir. Bu tek hücre normal farklılaşma yollarına girer, mitoz yoluyla, bu hücre 2 kız yavru hücre üretmek için bölünür. Bu kız yavru hücreler bölünür, onların kız yavruları tekrar bölünür, ve böyle sürer gider. Bir yetişkin vücudunu veya hatta bir bebeği oluşturmak için çok sayıda büyük aşama vardır. Bu yolda, çok sayıda farklı hücre tipleri yapılmalıdır.

10 I. KÖK HÜCRELER NEDİR? Bütün hücreler bir öncül (prekürsör:precursor) hücre den gelir. Bir organizma yaratmak kapasitesinde olan hücrelere, kök hücreler ( stem cells) denilir. Kök hücre, kendisinin kopyalarını yapabilen ve daha özelleşmiş olan hücreler yapandır. İnsan vücudu 200 farklı tipte hücreden yapılmıştır. İnsan genomu bütün hücre tiplerinde aynı (aynı gen ve DNA lar) dır. Yani, kök hücreler insan genlerinin protein olarak eksprese edileceği bütün yolları temsil eder. Kök hücre BİR HAYAT HİKAYESİ... Sources:EuroStemCell

11 II. Kök hücrelerin eşsiz özellikleri nelerdir? Kök hücrelerin hepsi kaynaklarından bağımsız olarak üç genel özelliğe sahiptir: 1. Kök hücreler uzun zamanlı olarak bölünme ve kendilerini yenileme kapasitelerindedirler (kendini yenileme: self-renewal). Kök hücreler defalarca replike olabilir veya çoğalabilir (prolifere olurlar, katlanarak artma). 2. Kök hücreler özelleşmemişlerdir. Hasarlı veya kullanılmış farklılaşmış hücreleri değiştirmek üzere hayat boyu reservuar görevi yaparlar. Homeostazi ve onarımda yer alır. Örneğin, bir kök hücre, bir kalp kası hücresi ile çalışmaz, ancak, özelleşmemiş kök hücreleri özelleşmiş kalp kası hücrelerini yaratabilir. 3. Kök hücreleri, özelleşmiş (spesiyalize) hücre tiplerini yaratabilirler (Farklılaşma: differentiation).

12 Hücre Pluripotensisi? Çeşitli hücre tiplerini yaratma kapasitesine sahip farklılaşma potensiyeline, kök hücre pluripotensisi denir. Özelleşmemiş kök hücreler, özelleşmiş hücreler oluşturduğunda, bu işleme farklılaşma (differentiation) denilir. Kök hücrelerinin farklılaşmasında özel proteinler önemli rol oynar. Lippincott-Cell Mol Biol

13 Kök hücre bölünmesi Kök hücre KENDİNİ-YENİLEME (kopyalama) FARKLILAŞMA (özelleşme) Kök hücre Özelleşmiş hücre Örn., kas hücresi, sinir hücresi

14 III. KÖK HÜCRE KARARLIĞI (ADANMIŞLIK: COMMITMENT) Kök hücrelerinin, vücudda bulunan çok farklı hücre tiplerine gelişme konusunda hayranlık uyandıracak bir kapasiteleri vardır. Vücudun bir çeşit tamir sistemine hizmet ederek, kişi veya hayvan yaşadığı sürece diğer hücreleri yenilemek için, teorik olarak limitsiz bölünebilirler. Kök hücre bölündüğünde, her yeni hücre, bir kök hücre olarak kalma veya bir kas hücresi gibi daha spesilize olan fonksiyonuyla başka bir tip hücre olma potansiyelindedir. Kök hücreler simetrik (symetrically) (kök hücre sayısının artışını sağlayarak) or asimetrik (asymmetrically) bölünebilir. Simetrik kendini-yenileme (self-renewal) bölünmesi, kök hücre sayısının artmasını sağlar. Asimetrik bölünmeler, kök hücre sayısını artırmaz ve özelleşmiş hücre oluşumundan sorumludur.

15 KÖK HÜCRE ADANMIŞLIĞI (COMMITMENT) Simetrik kendini-yenileme (self-renewal) bölünmesi: iki kız yavru hücrenin ikiside insan kök hücresi (S). Asimetrik bölünmeler: bir kız yavru hücre (S), diğeri progenitor (P). Simetrik farklılaşma (differentiation): iki kız yavru hücrenin ikiside progenitor (P). İnsan Kök Hücrelerinin (HSC) Bölünmesinde Önerilen Üç Yol stemcell-u-tokyo.org

16 Kök hücrelerin progenitor hücrelerden farkı? Kök hücrelerin çoğu, ya çoğalır (progenitor veya transit çoğaltıcı hücreler, transit amplifying cells) veya terminal safhaya farklılaşmaya kararlıdır (adanmıştır:commitment). Progenitor: direk hattan öncül (ata ) vahşi kediler ev kedilerinin progenitor leridir Progenitor hücrelerin yaşam ömürleri kısadır o nedenle transplante edildiklerinde bir dokuyu kısa bir zaman için yeniden yapabilirler. Tersine, kök hücreler kendini yenilerler (self-renewal), yani hayat boyu herhangi bir dokuyu oluşturabilir. Bu başarılı bir terapinin anahtarıdır ve Regeneratif tıp ta kullanılır.

17 Neden kendini yenileme ve farklılaşma? 1 kök hücre 1 kök hücre Kendini yenileme- kök hücre havuzunun bakımını sağlar 4 özelleşmiş hücre Farklılaşma- yaşam süresince ölü veya hasarlı hücreleri değiştirir Eurostemcell

18 Örneğin, hergün kemik iliği (bone100,000 million yeni kab hücresi yaparız. from stem cells in the bone marrow. Transplantation of one stem cell is sufficient for generation of the entire system. Hematopoietik sistem Stem cells: Kök hücreler Commitment: adanmışlık Mature cells olgun hücreler Differentiation: farklılaşma Adanmış progenitor ler stemcell-u-tokyo.org

19 Kök Hücre Oyuğu Nedir? Adult (yetişkin) kök hücreleri nin her dokunun özel bir alanında, kök hücre oyuğu nda ( stem cell niche ) yerleştiğine inanılmaktadır. Kök hücre ovuğu (Stem cell niche ), kök hücrenin etrafındaki mikroçevresidir, kendini yenileme ve farklılaşmayı regüle eden sinyaller ve destek sağlar. For examples: Mesenchymal stem cells or multipotent mesenchymal stromal cells (MSCs) and Cardiac stem cells (CSCs) niches

20 Kök Hücre Oyukları Kök Hücre Oyuğu (Stem Cell Niche) Kök hücrenin etrafındaki mikroçevresidir, kendini yenileme ve farklılaşmayı regüle eden sinyaller ve destek sağlar. Kök Hücre stem cell niche Ovuk Ara hücre Direct contact Soluble factors Intermediate cell Direk kontak Suda çözünen faktörler

21 Örnekler: Kök Hücre Oyukları: Bone marrow and Kardiyak oyukları

22 Kök hücreler nerede bulunur? Bilimciler kök hücrelerini nereden edinir? Embriyo ve vücuddaki dokularından embriyonik stem cells blastocyst çok erken embryo (4-5günlük) Yetişkin (doku) kök hücreleri fetus, bebek ve hayat boyunca Laboratuvarda blastositler ne zaman yaratılır? Fertilite tedavisi sırasında, sadece araştırma amaçlı Donorün izniyle.etik sorunlar var.

23 IV. KÖK HÜCRE KAYNAKLARI: Kök Hücrelerin Sınıflandırılması Kök hücreleri hem erken embriyoda ve hem de yetişkin dokularında bulunur. Stem cells can be divided into two categories (based on the growth stage): 1. Erken embriyolarda bulunan hücreler, bir organizmanın bütün hücre tiplerini yapabilecek geniş kapsamlı bir kapasiteye sahiptirler. 2. Yetişkindeki (doku) kök hücreler, aynı öncül hücre (ata) hattında farklılaşabilir, ancak bu hat dışındakilere farklılaşamaz. Örneğin, bir hematopoetik kök hücre çeşitli kan hücrelerine farklılaşabilir ancak bir hepatosit (karaciğer hücresi) olmaz. Tabii yeni özellikler bulunabilir.

24 BİLİM ADAMLARI KÖK HÜCRELERİ NEREDEN SAĞLAR? kök hücre sınıflandırılması A. Kaynaklarına göre: EMBRİYONİK 1. EMBRYONİK (hes) blastosittenpluripotent 2. Fetal Kök Hücre (ABORTUS) 3. Infant Kök Hücreleri(Umbilical kord kök hücreleri, Wharton Jelly) ADULT birçok dokudan-multipotent B- Farklılaşma kapasitelerine göre (plastisite): 1. Totipotent (bir organizmanın tamamını yaratabilir) (örn.,. a zigot) 2. Pluripotent (üç germ tabakasını üretme kapasitesindedir; are able ectoderm, mesoderm; endoterm), ancak bir organizmaya gelişmez. 3. Multipotent (doku içerisindeki hücreleri yapar) 4. Unipotent (sadece tek tip hücre yapabilir örn., oositler ve spermler, ancak kendini yenileyebilir). Her biri de alt gruplara ayrılabilir.

25 Embryonik ve Yetişkin Kök Hücreleri Lippincott Cell Mol Biol.

26 Embriyonik kök (ES) hücreler: Nerede bulabiliriz? blastosit Hücrelerin iç kısmı = inner cell mass (içsel hücre kitlesi) Besi sıvısı Hücrelerin dış kısmı = trophectoderm İçsel hücre kitlesinden alınan embriyonik kök hücreler Daha fazla hücre yapmak labda kültür

27 Embriyonik Kök Hücreler Sadece erken embriyo (örn., döllenmiş yumurta, bir zigot) totipotenttir. Araştırmada, embriyonik kök hücreler blastositaşamasından sağlanır ve pluripotenttir (destek dokuları, plasenta gibi, yapmaz). Embriyonik kök hücreler (ECS) Blastosit içsel hücre kitlesinden elde edilir Plastisiteleri vardır (çok sayıda hücre tipine dönüşebilme kapasitesi). Pluripotent Neredeyse sonsuza kadar, bütün vücud hücrelerini yapabilir ve kendini yenileyebilir (kendilerini kopyalarlar-self-renewal), yani büyük miktarlar da hazırlanabilir. Stem Cell Plasticity Lippincott Cell Mol Biol.

28 Embriyonik Kök Hücrelerin Kullanımı Diyabet, spinal kord hasarı gibi bazı hastalıklar, hesc lerinden üretilen hücrelerle tedavileri mümkün olabilir. Embriyonik kök hücrelerle ilgili bazı sorunlar: -Embriyonik kök hücreleri kullanılmalarıyla ilgili -bazı etik sorunlar vardır. İnsan ne zaman olunur? Laboratuvarda blastositler ertilite tedavisi sırasında, sadece araştırma amaçlı yaratılır, donorün izniyle. Etik sorunlar var. -Ayrıca: -Farklılaşma hızının kontrolü zordur ve enjekte edilmeleri sonrası tümör de oluşturabilirler. Stem Cell Plasticity Lippincott Cell Mol Biol.

29 Embriyonik kök (ES) hücreler: Ne yapabilirler? Plastisiteleri var dolayısıyla pluripotentler. Kendilerini yenileyebilirler ve olası bütün özelleşmiş hücre tiplerini yaratabilirler. embriyonik kök hücreler differentiation farklılaşma PLURIPOTENT Kök hücre Plastisitesi olabilecek her tip özelleşmiş hücre

30 Yetişkin (Somatik, Adult) kök hücrelerinin her dokunun özel bir alanında, kök hücre oyuğu nda ( stem cell niche ) yerleştiğine inanılmaktadır. Yetişkin kök hücreleri : Yetişkin (Doku) Kök Hücreleri Doğum sonrası doku veya organlardan elde edilirler (embriyonik ve fetal kök hücrelerinin tersine) Multipotent Somatik terimi, yumurta veya sprem gibi üreme hücrelerinden değil, vücud hücrelerinden geldiğini ifade eder. Özelleşmemiş hücrelerdir, farklılaşmış doku ve organlarda bulunur. Kendini yenileyebilir ve ait olduğu doku veya organın önemli olan özelleşmiş hücrelerinin tamamını veya bir kısmını yaratmak üzere farklılaşabilir. Aynı öncül hücre (ata) hattında farklılaşabilir, ancak hat dışındakilere farklılaşmaz. Örneğin, bir hematopoetik kök hücre çeşitli kan hücrelerine farklılaşabilir ancak bir hepatosit (karaciğer hücresi) olmaz. Tabii yeni özellikler bulunabilir.

31 Yetişkin (Doku) kök hücreleri: Nerede bulabiliriz? Göz yüzeyi beyin deri gögüs testisler barsaklar (gut) kaslar Kemik iliği

32 Doku kök hücreleri: Ne yaparlar? Kendilerini yenileme ve farklılaşma yaparlar Kan kök hücre farklılaşma Kemik iliğinde (bone marrow) bulunur MULTIPOTENT Sadece özelleşmiş kan hücreleri: Kırmızı kan hücreleri, Beyaz kan hücreleri, plateletler Kendini yenileyebilir ve ait olduğu doku veya organın önemli olan özelleşmiş hücrelerinin tamamını veya bir kısmını yaratmak üzere farklılaşabilir.

33 Yetişkin kök hücrelerinin vücudumuzdaki rolü nedir? Vücudumuzdaki kök hücreler: Bulundukları dokunun bakım ve onarımını yapar. Bizi sağlıklı ve işler tutmada gereklidir. Hasarlı veya kullanılmış hücreleri değiştirir. Examples: 1. Hematopoietic stem cells 2. Mesenchymal stem cells 3. Skin stem cells 4. Neural stem cells 5. Epithelial stem cells Kemik iliği: bone marrow

34 Örnekler: Hematopoetik kök hücre: insan kemik iliğinden, kırmızı kan hücreleri dahil,, her çeşit kan hücrelerini yaratırlar. 2. Mesenchymal kök hücreler (MSCs) ( bone marrow stromal kök hücreler): insan kemik iliğinden, iskelet dokusu hücrelerini yapabilirler: kemik (osteoblastlar), kıkırdak (chondrocyte lar), yağ (adipocyte lar). MSC-bazlı tedavi için, hastaların kemik iliğinden kolayca elde edilir.. Hematopoetik ve Mesenkimal stromal kök hücre farklılaşması. NIH stem cell

35 V. İnsan kök hücre-bazlı tedavi İnsan kök hücrelerinin en önemli potensiyel uygulaması, spinal kord hasarı, felç, yanıklar, kalp hastalıkları, diyabet, osteoartirit ve romatoid artirit gibi hastalıkları tedavi etmek amacıyla hücre-bazlı tedavilerde kullanmak üzere hücre ve dokular yapmaktır.

36 MESENKİMAL KÖK HÜCRE (MSC)-BAZLI TEDAVİ RELEVENCE TO ATH İmmunomodülasyonda mesenkimal kök hücrelerin plastisitesi,nature Immunology, MSC-bazlı terapi enflamasyonu regüle eder ve doku tamiri ni kolaylaştırmak için diğer hücreleri güçlendirir.

37 Indüklenmiş pluripotent kök (ips) hücreler İndüklenmiş pluripotent kök (ips) hücreleri : Yeni kök hücreleri Etik sorunlar yok Bazı genlerin eklenmesiyle, genetik olarak yeniden programlanmış yetişkin kök hücrelerinden laboratuvarda yapılmışlardır (genetik reprogramming). Embriyonik kök hücreler gibi davranırlar, vücudda bulunan bütün farklı tipteki hücreleri yapabilirler yani pluripotent lerdir diyebiliriz. Hastaya özel tedavi sağlayabilirler (hastanın kendi hücrelerinde üretilebilirler) Örneğin: Dışarıdan (Exogenously) verilen mesenkimal kök hücreleri doku tamirine katılır. Fakat Karsinojenik/tümörjenik potensiyelleri olabilir ve yeniden programlamanın nasıl çalıştığı henüz tam olarak bilinmemektedir..

38 Indüklenmiş pluripotent kök (ips) hücreler Avantaj: embriyoya ihtiyaç yok! Olası bütün özelleşmiş Dezavantaj: karsinojenik/tümörjenik hücre tipleri potensiyelleri olabilir ve yenidenprogramlamanın (reprograming) nasıl çalıştığı henüz tam olarak bilinmemektedir. genetik reprogramming = bazı genlerin hücreye eklenmesi Vücuddan gelen hücreler indüklenmiş pluripotent kök (ips) hücre Embrryonic kök hücre gibi davranır farklılaşma labda ips hücre kültürü

39 Yetişkin Kök Hücreleriyle İlgili Problemler Mutasyonlar lösemiye yol açabilir

40 VI. KÖK HÜCRE HASTALIKLARI Kök hücre anormallikleri, çeşitli hastalık ve bozuklukların temeli olabilir. Metaplasia doku farklılaşmasında ortaya çıkan değişikliktir, bir hücre tipini diğerine dönüştürür. Sıklıkla akciğer hastalıklarında (e.g. pulmonary fibrosis) ve barsak hastalıklarında (e.g. inflammatory bowel disease, Crohn disease) görülür.. Bu olay, son haline farklılaşmış hücrelerden çok, kök hücrelerce gerçekleştirilen bir değişiklik olabilir. Kanserlerin çoğu, özellikle, kan, barsak, ve deri gibi devamlı yenilenen dokular,ınki, kök hücre hastalıkları olabilir. Sadece bu hücreler malignant birtransformasyon için gerekli olan genetik değişiklik miktarını biriktirecek kadar uzun zaman kalabilir.