بخش ۰۱ · اصول زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی

اصول زیست‌شناسی و کشت سلول‌های بنیادی

خلاصه‌ای مقایسه‌محور از تعریف، منشأ، توان تمایزی، خودنوزایی، الگوهای تقسیم، سلول‌های پیش‌ساز، کنام سلولی و ملاحظات پایهٔ کشت آزمایشگاهی

۱۹بخش آموزشی
۴نقشه ذهنی
۲۰جدول مقایسه‌ای
۴شکل آموزشی
دسترسی سریع به مباحث
۰۱
زمینهٔ تاریخی

شکل‌گیری مفهوم سلول بنیادی

ایدهٔ سلول بنیادی از مشاهدهٔ تفاوت قدرت ترمیم میان بافت‌ها شکل گرفت. پوست، کبد و خون توان بازسازی قابل‌توجهی دارند، در حالی که برخی بافت‌ها قدرت تقسیم محدودی نشان می‌دهند. این تفاوت، وجود جمعیتی از سلول‌های نگهدارنده و بازسازنده را مطرح کرد.

بافت یا نمونهویژگی برجستهبرداشت مفهومی
پوستریزش و جایگزینی دائمی سلول‌هانیاز به منبع پیوستهٔ سلول جدید
کبدتوان بازسازی پس از برداشت بخشی از بافتوجود ظرفیت ترمیم بافتی
خون و مغز استخوانتولید مداوم رده‌های مختلف سلولیوجود سلول مادر مشترک برای رده‌های خونی
سمندر و خرچنگجایگزینی عضو ازدست‌رفتهنمایش واضح بازسازی در سطح اندام

نکتهٔ امتحانی

مهم‌ترین مشاهدهٔ زمینه‌ساز مفهوم سلول بنیادی، تفاوت ظرفیت بازسازی میان بافت‌ها بود؛ نه صرفاً سرعت تقسیم یک سلول منفرد.

۰۲
مقایسهٔ گیاه و جانور

مریستم‌ها و بازسازی

نوع مریستممحلعملکردتشابه با سلول بنیادی
رأسیرأس ریشه و جوانهایجاد ساختارهای اصلی گیاهتوان بالای ساخت بافت‌های جدید
جانبیدر امتداد بافت‌های گیاهافزایش قطر و رشد ساقهحفظ و توسعهٔ بافت موجود

دام مفهومی

مریستم یک سلول منفرد نیست؛ ناحیه‌ای از سلول‌های تقسیم‌پذیر است. در مقایسهٔ مفهومی، عملکرد آن با ذخیرهٔ سلول‌های بنیادی جانوری سنجیده می‌شود.

۰۳
تعریف پایه

سلول بنیادی و نقش آن در ترمیم

خودنوزایی و تمایز سلول بنیادی
خودنوزایی و تمایز سلول بنیادی

سلول بنیادی، سلولی غیرتخصصی است که می‌تواند هم جمعیت خود را با خودنوزایی حفظ کند و هم سلول‌های دختری بالغ و دارای عملکرد مشخص تولید نماید. در دورهٔ جنینی در سازمان‌دهی بافت‌ها و در بزرگسالی در حفظ، ترمیم و جایگزینی سلول‌های کوتاه‌عمر نقش دارد.

دورهنقش غالبنتیجه
جنینیساخت و سازمان‌دهی بافت‌هاشکل‌گیری اندام‌ها
بزرگسالیحفظ هموستاز، ترمیم و جایگزینیپایداری بافت و جبران آسیب
۰۴
ویژگی‌های بنیادی

خودنوزایی، کلون‌زایی و توان تمایز

ویژگیتعریفمعیار عملی
خودنوزاییتولید سلولی با هویت بنیادی مشابهحفظ مخزن سلول بنیادی
کلون‌زاییایجاد جمعیت سلولی از یک سلول منفردتشکیل کلونی با قدرت تکثیر بالا
توان تمایزتبدیل به یک یا چند نوع سلول تخصص‌یافتهدامنهٔ رده‌های سلولی قابل تولید
دام ۱خودنوزایی فقط مختص سلول‌های همه‌توان نیست؛ همهٔ سلول‌های بنیادی باید درجاتی از خودنوزایی داشته باشند.
دام ۲قدرت تکثیر بالا به‌تنهایی برای بنیادی‌بودن کافی نیست؛ سلول باید خودنوزایی و توان تمایز نیز داشته باشد.
۰۵
رده‌بندی منشأ

تقسیم‌بندی سلول‌های بنیادی براساس منشأ

نقشهٔ ذهنی تقسیم‌بندی براساس منشأ
منشأ سلول بنیادیرویانی، جنینی و بالغ

رویانی

از مراحل اولیهٔ رویان و بالستوسیست به‌دست می‌آید و شامل سلول‌های بنیادی رویانی، زایای رویانی و کارسینومای رویانی است.

جنینی

از بافت‌های داخل جنین یا ضمایم جنینی مانند جفت، مایع آمنیوتیک و بند ناف جدا می‌شود.

بالغ

از بافت‌های بدن بالغ جدا می‌شود و معمولاً توان تمایزی محدودتر و وابستگی بافتی بیشتری دارد.

القاشده

فیبروبلاست با اعمال عوامل بازبرنامه‌ریز در آزمایشگاه به سلول بنیادی پرتوان القاشده تبدیل می‌شود.

گروهمنشأتوان کلینکتهٔ برجسته
رویانیرویان اولیه و ساختارهای مرتبطبالاپتانسیل تمایز گسترده و خطر تومورزایی بیشتر
جنینیبافت جنین یا ضمایم جنینیمیانیشامل منابع داخل‌جنینی و خارج‌جنینی
بالغبافت‌های فرد بالغمحدودترمعمولاً بافت‌اختصاصی و مسئول هموستاز
پرتوان القاشدهسلول سوماتیک بازبرنامه‌ریزی‌شدهپرتوانمنشأ سوماتیک با ویژگی‌های پرتوان
۰۶
بالستوسیست

سلول‌های بنیادی رویانی

مرحلهساختاراهمیت
لقاح آزمایشگاهیتشکیل زیگوت در محیط آزمایشگاهزمینهٔ دسترسی به مراحل اولیهٔ رویان
مورولاتودهٔ سلولی فشردهمرحلهٔ پیش از بالستوسیست
بالستوسیستتودهٔ سلولی داخلی و لایهٔ خارجیمنبع جداسازی سلول‌های بنیادی رویانی
تودهٔ سلولی داخلیسلول‌های داخلی بالستوسیستمنشأ سلول‌های بنیادی رویانی

نکتهٔ امتحانی

سلول بنیادی رویانی می‌تواند مشتقات سه لایهٔ جنینی را بسازد، اما توان ساخت ساختارهای جفتی را ندارد.

خطر مهم

کشت طولانی‌مدت ممکن است با تغییرات کاریوتیپی همراه شود؛ بنابراین کنترل کاریوتیپ برای کاهش خطر تبدیل سرطانی اهمیت دارد.

۰۷
سلول‌های رویانی مرتبط

سلول زایای رویانی و کارسینومای رویانی

نوع سلولمنشأویژگیخطر یا کاربرد
سلول بنیادی رویانیتودهٔ سلولی داخلی بالستوسیستپرتوانکاربرد پژوهشی و خطر تغییر کاریوتیپ
سلول زایای رویانیسلول‌های زایای اولیه در ستیغ تناسلیتوان تمایزی گستردهامکان تبدیل به سلول کارسینومایی
سلول کارسینومای رویانیرویان یا سلول‌های زایای اولیهٔ تغییرکردهتکثیر و تمایز نامنظمایجاد تراتوکارسینوما و مدل مطالعات سرطان
دام ۳سلول زایای رویانی با سلول بنیادی جنینی یکسان نیست؛ در طبقه‌بندی جزوه در گروه سلول‌های رویانی قرار می‌گیرد.
دام ۴پرتوان‌بودن مزیت مطلق نیست؛ هرچه توان تمایز بیشتر باشد، کنترل تمایز و تومورزایی دشوارتر می‌شود.
۰۸
منابع پیش از تولد

سلول‌های بنیادی جنینی

گروهمنبعمثال
داخل‌جنینیبافت‌های بدن جنینمغز، کبد، پوست و سایر بافت‌ها
خارج‌جنینیضمایم جنینیجفت، بند ناف و مایع آمنیوتیک
منبع بند نافسلول‌های مطرحاهمیت
خون بند نافسلول بنیادی خون‌ساز و مزانشیمیمنبع قابل دسترس سلول‌های بنیادی
بافت بند نافعمدتاً سلول‌های مزانشیمیامکان جداسازی و کشت بافتی
ضمایم مرتبطجمعیت‌های پیش‌ساز متنوعقدرت تمایز میان رویانی و بالغ در چارچوب جزوه
۰۹
سلول‌های بافت‌اختصاصی

سلول‌های بنیادی بالغ

ویژگیسلول بنیادی بالغ
منشأبافت‌های فرد بالغ
توان تمایزمعمولاً چندتوان یا محدودتر
نقشحفظ هموستاز، جایگزینی سلول‌های ازدست‌رفته و ترمیم بافت
نمونهخون‌ساز، مزانشیمی و سایر سلول‌های بنیادی بافتی
مزیت نسبیوابستگی بیشتر به بافت و خطر تومورزایی کمتر از سلول‌های پرتوان

نکتهٔ تفکیکی

اصطلاح سلول بنیادی بافت‌اختصاصی بر وابستگی سلول به بافت و دامنهٔ محدودتر تمایز تأکید می‌کند.

۱۰
بازبرنامه‌ریزی

سلول‌های بنیادی پرتوان القاشده

مرحلهشرح
سلول آغازینسلول سوماتیک مانند فیبروبلاست
اعمال عوامل القاییفعال‌سازی برنامهٔ پرتوانی در محیط آزمایشگاه
بازبرنامه‌ریزیبازگشت سلول تخصص‌یافته به حالت پرتوان
کاربردتولید سلول بنیادی با منشأ فردی و استفاده در پژوهش و تمایز هدایت‌شده

نکتهٔ امتحانی

سلول پرتوان القاشده از نظر منشأ سوماتیک است، اما از نظر توان تمایز در گروه پرتوان قرار می‌گیرد.

۱۱
پلاستیسیته

تقسیم‌بندی براساس توان تمایزی

طبقه‌بندی سلول‌های بنیادی براساس توان تمایزی
طبقه‌بندی سلول‌های بنیادی براساس توان تمایزی
نقشهٔ ذهنی توان تمایزی
هرچه توان بیشتر، دامنهٔ تمایز وسیع‌تراما خطر تومورزایی نیز بیشتر است

همه‌توان

زایگوت و بلاستومرهای اولیه؛ توان ساخت سه لایهٔ جنینی و ساختارهای جفتی.

پرتوان

توان ساخت مشتقات اکتودرم، مزودرم و اندودرم؛ فاقد توان ساخت جفت.

چندتوان

توان ساخت چند ردهٔ سلولی مرتبط در یک بافت؛ مانند سلول‌های بنیادی خون‌ساز و مزانشیمی.

محدودتر

الیگوپوتنت، دو‌توان و تک‌توان؛ با کاهش تدریجی دامنهٔ تمایز.

ردهتوان تولیدنمونهٔ ذکرشدهنکته
همه‌توانجنین کامل و ساختارهای جفتیزیگوت و بلاستومرهای اولیهمعمولاً در تعریف عملی سلول بنیادی قرار داده نمی‌شوند
پرتوانمشتقات سه لایهٔ جنینیرویانی، زایای رویانی و پرتوان القاشدهجفت را نمی‌سازد
چندتوانچند ردهٔ مرتبطخون‌ساز و مزانشیمیاغلب بافت‌اختصاصی
الیگوپوتنتچند ردهٔ محدودپیش‌ساز مشترک رده‌های خونییک مرحله متعهدتر
دو‌تواندو نوع سلولپیش‌ساز کبدی برای هپاتوسیت و کلانژیوسیتدامنهٔ تمایز دوگانه
تک‌توانیک نوع سلولسلول بنیادی اسپرماتوگونیخودنوزایی دارد ولی یک مسیر تمایز

رابطهٔ توان و خطر

حرکت به سمت رده‌های با توان بیشتر، دامنهٔ تمایز را افزایش می‌دهد اما کنترل سرنوشت سلولی و خطر تومورزایی را نیز دشوارتر می‌کند.

۱۲
جمع‌بندی رده‌بندی

منشأ بافتی در برابر توان تمایزی

اصطلاحنوع رده‌بندیپرسش اصلی
رویانی، جنینی، بالغبراساس منشأسلول از کجا جدا شده است؟
همه‌توان، پرتوان، چندتوان و...براساس توانسلول به چند رده می‌تواند تمایز یابد؟
پرتوان القاشدهترکیبیمنشأ سوماتیک، توان پرتوان
بافت‌اختصاصیمنشأ و عملکرددر کدام بافت نگهداری و ترمیم انجام می‌دهد؟
دام ۵«رویانی» و «پرتوان» مترادف نیستند؛ اولی منشأ و دومی دامنهٔ تمایز را بیان می‌کند.
دام ۶سلول تک‌توان می‌تواند سلول بنیادی باشد، زیرا خودنوزایی دارد؛ محدودبودن تمایز، بنیادی‌بودن را نفی نمی‌کند.
۱۳
الگوی تقسیم

تقسیم متقارن و نامتقارن

نقشهٔ ذهنی الگوهای تقسیم سلول بنیادی
خودنوزایی و تولید سلول متعهدتعادل میان حفظ مخزن و تأمین سلول‌های بافت

تقسیم نامتقارن

یک سلول بنیادی مشابه مادر و یک سلول متعهد یا پیش‌ساز ایجاد می‌شود؛ الگوی اصلی نگهداری مخزن.

خودنوزایی متقارن

دو سلول بنیادی مشابه ایجاد می‌شود و مخزن سلولی گسترش می‌یابد.

تمایز متقارن

دو سلول متعهد یا تمایزیافته ایجاد می‌شود و مخزن بنیادی کاهش می‌یابد.

نتیجهٔ زیستی

تعادل این سه الگو، نگهداری، فرسودگی یا گسترش جمعیت بنیادی را تعیین می‌کند.

نوع تقسیممحصولاثر بر مخزن بنیادی
نامتقارنیک بنیادی + یک متعهدحفظ اندازهٔ مخزن
متقارنِ خودنوزادو سلول بنیادیافزایش مخزن
متقارنِ تمایزیدو سلول متعهدکاهش مخزن

نکتهٔ امتحانی

تقسیم نامتقارن، همزمان دو هدف را تأمین می‌کند: حفظ سلول بنیادی و تولید سلول متعهد.

۱۴
رفتار جمعیت سلولی

نگهداری، فرسودگی و گسترش

نگهداری، فرسودگی و گسترش سلول بنیادی
الگوهای نگهداری، فرسودگی و گسترش سلول بنیادی
وضعیتالگوی غالبنتیجهکاربرد یا پیامد
نگهداریتقسیم نامتقارن متعادلثبات مخزن بنیادیحفظ بافت در طول عمر
فرسودگیتولید بیشتر سلول متعهدکاهش مخزن بنیادیپیری یا کاهش توان ترمیم
گسترشخودنوزایی متقارنافزایش تعداد سلول بنیادیمطلوب برای افزایش سلول در کشت
دام ۷گسترش با تمایز یکی نیست؛ در گسترش هدف افزایش سلول بنیادی اولیه است، نه تولید سلول تخصصی.
دام ۸تقسیم نامحدود در بدن مطلوب نیست؛ افزایش کنترل‌نشدهٔ تقسیم می‌تواند با تغییرات ژنتیکی و تومورزایی همراه شود.
۱۵
مرحلهٔ تعهد

سلول بنیادی، سلول پیش‌ساز و سلول تمایزیافته

ویژگیسلول بنیادیسلول پیش‌سازسلول تمایزیافته
خودنوزاییداردبسیار محدود یا از دست‌رفتهندارد
قدرت تکثیرکنترل‌شده و پایداربسیار بالا ولی محدود به دفعات معینکم یا فاقد تکثیر
تعهدکمبه یک ردهٔ مشخص متعهدکامل
نقشحفظ منبع سلولیتولید سریع تعداد زیاد سلولانجام عملکرد تخصصی

چرا پیش‌سازها پرتكثیرند؟

تکثیر سریع سلول پیش‌ساز اجازه می‌دهد سلول بنیادی کمتر تقسیم شود، مخزن خود را حفظ کند و احتمال تجمع تغییرات ژنتیکی کاهش یابد.

۱۶
ریز‌محیط

کنام سلول بنیادی

عوامل شیمیایی و فیزیکی کنام سلول بنیادی
عوامل شیمیایی و فیزیکی مؤثر بر کنام سلول بنیادی
نقشهٔ ذهنی کنام سلول بنیادی
کنام یا ریزمحیطتنظیم‌کنندهٔ بقا، سکون، تقسیم و سرنوشت سلول

عوامل سلولی

سلول‌های مجاور و ارتباط مستقیم یا ترشحات آن‌ها بر رفتار سلول بنیادی اثر می‌گذارند.

عوامل شیمیایی

فاکتورهای محلول، اکسیژن، مواد غذایی و پیام‌های التهابی در تصمیم سلولی نقش دارند.

عوامل فیزیکی

فشار مکانیکی، جریان خون و ویژگی‌های مکانیکی محیط رفتار سلول را تغییر می‌دهند.

ماتریکس خارج سلولی

ترکیب و آرایش ماتریکس، چسبندگی، بقا، تمایز و حرکت سلول بنیادی را هدایت می‌کند.

جزء کنامنمونهاثر احتمالی بر سلول
سلول‌های مجاورتماس مستقیم و فاکتورهای ترشحیبقا، سکون یا تمایز
ماتریکس خارج سلولیترکیب و چسبندگی بسترشکل، حرکت و سرنوشت سلول
اکسیژن و مواد غذاییدسترسی متابولیکتنظیم سوخت‌وساز و تقسیم
نیروهای فیزیکیفشار، کشش و جریانتغییر رفتار و جهت تمایز
التهاب و آسیبپیام‌های بافت بیمارفعال‌سازی ترمیم یا تغییر نامطلوب سرنوشت
۱۷
سرنوشت سلولی

تصمیم‌های تحت کنترل کنام

سرنوشتشرحپیامد بافتی
سکونسلول تقسیم نمی‌شود ولی زنده و آماده باقی می‌ماندحفظ ذخیرهٔ طولانی‌مدت
خودنوزاییتولید سلول بنیادی مشابهنگهداری یا گسترش مخزن
تمایزورود به مسیر تخصص‌یافتگیترمیم و جایگزینی سلول‌ها
آپوپتوزمرگ برنامه‌ریزی‌شدهحذف سلول نامناسب
نئوپلازیتقسیم و رشد کنترل‌نشدهتشکیل تودهٔ سلولی و تومور

نکتهٔ کلیدی

سرنوشت سلول بنیادی فقط به ژنوم آن وابسته نیست؛ کنام تعیین می‌کند سلول در حالت سکون بماند، تقسیم شود، تمایز یابد یا از مسیر طبیعی خارج شود.

۱۸
اصول پایهٔ کشت

نکات آزمایشگاهی مطرح‌شده در این بخش

موضوعهدفخطر یا نکتهٔ کنترلی
سلول تغذیه‌کنندهحمایت از رشد اولیهٔ سلول‌های رویانیدر مراحل آغازین کشت اهمیت دارد
گسترش جمعیتافزایش تعداد سلول بنیادی پیش از تمایزنیازمند ترجیح خودنوزایی متقارن است
حفظ حالت بنیادیجلوگیری از تمایز ناخواستهوابسته به شرایط کنام و تماس سلولی
کنترل کاریوتیپشناسایی تغییرات ژنتیکی در کشت طولانیکاهش خطر تبدیل کارسینومایی
تمایز هدایت‌شدهتولید سلول تخصصی مورد نیازپس از دستیابی به تعداد کافی سلول انجام می‌شود

دام عملی

زیادشدن تعداد سلول‌ها به‌تنهایی نشانهٔ کشت موفق نیست؛ باید همزمان هویت بنیادی، کاریوتیپ و توان تمایز حفظ شوند.

۱۹
مرور امتحانی

جدول طلایی، دام‌ها و جمع‌بندی نهایی

کلیدواژهپاسخ سریع
ویژگی مشترک همهٔ سلول‌های بنیادیخودنوزایی و توان تمایز
توان ساخت جفتفقط سلول‌های همه‌توان
منشأ سلول بنیادی رویانیتودهٔ سلولی داخلی بالستوسیست
منشأ سلول زایای رویانیسلول‌های زایای اولیه در ستیغ تناسلی
گسترش در کشتخودنوزایی متقارن
نگهداری مخزنتقسیم نامتقارن متعادل
مرحلهٔ پس از سلول بنیادیسلول پیش‌ساز
کنترل‌کنندهٔ اصلی رفتار سلولکنام یا ریزمحیط
خطر کشت طولانی سلول رویانیتغییر کاریوتیپ و تومورزایی
منشأ سلول پرتوان القاشدهسلول سوماتیک مانند فیبروبلاست
دام ۹همه‌توان‌بودن با بنیادی‌بودن مترادف نیست؛ بلاستومرهای اولیه در جزوه همه‌توان‌اند ولی معمولاً در گروه سلول‌های بنیادی عملی قرار نمی‌گیرند.
دام ۱۰سلول پیش‌ساز قدرت تکثیر بالایی دارد، اما خودنوزایی پایدار سلول بنیادی را ندارد.
دام ۱۱تقسیم متقارن همیشه مخزن را افزایش نمی‌دهد؛ اگر هر دو سلول به سمت تمایز بروند، مخزن کاهش می‌یابد.
دام ۱۲سلول بنیادی بالغ الزاماً تک‌توان نیست؛ بسیاری از آن‌ها چندتوان و بافت‌اختصاصی‌اند.
دام ۱۳پرتوان القاشده از رویان جدا نمی‌شود؛ سلول سوماتیک در آزمایشگاه بازبرنامه‌ریزی می‌شود.
دام ۱۴کنام فقط فاکتور شیمیایی نیست؛ سلول‌های مجاور، ماتریکس، اکسیژن و نیروهای فیزیکی نیز جزو آن هستند.
جمع‌بندی ۱سلول بنیادی باید هم خود را حفظ کند و هم سلول تخصصی بسازد.
جمع‌بندی ۲رده‌بندی منشأ و رده‌بندی توان دو پاسخ متفاوت به دو پرسش متفاوت‌اند.
جمع‌بندی ۳تعادل تقسیم متقارن و نامتقارن، اندازهٔ مخزن سلولی را تعیین می‌کند.
جمع‌بندی ۴سلول پیش‌ساز بار تکثیر بافت را بر عهده می‌گیرد تا مخزن بنیادی حفظ شود.
جمع‌بندی ۵کنام، رفتار و سرنوشت سلول بنیادی را به‌صورت پویا هدایت می‌کند.
جمع‌بندی ۶در کشت، افزایش تعداد باید همراه با حفظ هویت، سلامت ژنتیکی و قابلیت تمایز باشد.

جمع‌بندی یک‌خطی

اصول زیست‌شناسی سلول بنیادی بر سه محور استوار است: خودنوزایی، توان تمایز و کنترل سرنوشت توسط کنام.