Dr hab. n. hum. Ryszard W. Gryglewski, prof. UJ

Pojęcie „komórki macierzyste” brzmi bardzo współcześnie i jest kojarzone z nowoczesną medycyną. Jednak jego historia jest już całkiem długa, a po raz pierwszy słyszymy o nich w 1868 roku w pracy „Natürliche Schöpfungsgeschichte” niemieckiego biologa i filozofa, zwolennika darwinizmu, twórcy pojęć filogenezy i ontogenezy, Ernsta Haeckela (ryc. 1). Zastanawiając się nad mechanizmami ewolucyjnymi organizmów, Haeckel spekulował o możliwości istnienia szeregu „drzew macierzystych” (niem. Stammbaum), które prezentowałyby, tak jak jest w przypadku kreślenia linii genealogicznych, rozwój gatunków zwierzęcych czy roślinnych, mających u podłoża wspólnego przodka. W swoich poszukiwaniach pierwszego, a zarazem podstawowego dla całej przyrody ożywionej protoplasty doszedł do wniosku, że musiał nim być organizm jednokomórkowy, z którego w rozwoju filogenetycznym pochodzą wszystkie formy wielokomórkowe. Tego hipotetycznego jednokomórkowca Haeckel ochrzcił mianem Stammzelle, czyli właśnie komórka macierzysta.

Ryc. 1. Ernst Haeckel, czyli twórca pojęcia „drzewa macierzyste”.

Należy przy tym podkreślić, że pojęcie ukute przez niemieckiego uczonego miało wówczas zastosowanie czysto teoretyczne i służyło wyłącznie dopełnieniu budowanej przezeń konstrukcji logicznej. Co więcej, w swoich późniejszych pracach, w tym ciągle poprawianej i uzupełnianej „Anthropogenie”, Haeckel wykorzystał Stammzelle do określenia formy zapłodnionego jajka, co było z kolei istotnym zwornikiem jego ontogenetycznych rozważań. Innymi słowy, komórki macierzyste stały się swego rodzaju „uniwersalnym prapoczątkiem”, zarówno na poziomie filogenetycznym (ewolucyjnym), jak i ontogenetycznym (embrionalnym).

Hematologiczny antenat

Wykorzystanie pojęcia komórek macierzystych w rozwijających się gwałtownie poszukiwaniach embriologicznych stało się udziałem wielu ówczesnych uczonych, m.in. Augusta Weismanna, Valentina Häckera czy Theodora Boveriego, których badania nad mechanizmami zapłodnienia i wczesnymi etapami rozwojowymi opierały się w dużej mierze na wzorcu zaproponowanym przez Haeckela. Weismann, twórca pojęcia plazmy zarodkowej, chciał widzieć w Stammzelle istotny czynnik sprawczy mechanizmu dziedziczenia. Z kolei Häcker stosował pojęcie komórki macierzystej na określenie pierwotnych komórek rozrodczych, odpowiedzialnych za kształtowanie się komórek płciowych. W podobnym kierunku zmierzały ustalenia Boveriego.

Niewątpliwie zgłaszane wówczas propozycje miały wpływ na niemieckiego lekarza, jednego z twórców hematologii, Artura Pappenheima. Pracując w słynnym Instytucie Patologicznym w Berlinie kierowanym przez Rudolfa Virchowa prowadził badania nad istotą tworzenia się erytrocytów. Wyniki porównawczych badań mikroskopowych utwierdziły go w przekonaniu, że w istocie krwinki czerwone i krwinki białe muszą pochodzić od wspólnego przodka, czyli komórki prekursorowej, która ma zdolność różnicowania się w linie erytrocytów i leukocytów. By nazwać tego „hematologicznego antenata”, wykorzystał dobrze już znane pojęcie – Stammzelle. Wyniki swoich dociekań i ustaleń zawarł w pracy „Ueber Entwicklung und Ausbildung der Erythroblasten”, opublikowanej w 1896 roku. Stała się ona punktem wyjścia do dalszych badań nad strukturą krwi i procesów krwiotworzenia.

W oczekiwaniu na klonowanie

W 1909 roku na kongresie Berlińskiego Towarzystwa Hematologicznego rosyjski lekarz Aleksander Maksimow w prezentowanym wówczas wykładzie postawił hipotezę, że to w istocie limfocyty są powszechnie występującą komórką macierzystą, odpowiedzialną za kształtowanie się wszystkich pozostałych komórek krwi, i to zarówno na poziomie embriologicznym, jak i w trakcie całego życia ssaków. Wystąpienie Maksimowa otworzyło kolejny etap ożywionej dyskusji wśród przyrodników i, rzecz jasna, lekarzy.

Stemmzelle, czy jak je coraz częściej określano w literaturze anglojęzycznej stem cells, wkroczyły teraz w obszar badań nad hodowlami tkankowymi (Ross Granville Harrison, Alexis Carrel) i stały się przedmiotem dyskusji wokół problemów związanych z powstawaniem schorzeń nowotworowych (Max Askanazy, Max Wilms). Wiązało się to niewątpliwie z ogólnym rozwojem wiedzy o funkcjach życiowych, czemu sprzyjał rozwój biochemii i fizjologii eksperymentalnej.

Kiedy w 1932 roku amerykańska uczona Florence Sabin (ryc. 2) dostarczyła dowody na istnienie niezróżnicowanych komórek macierzystych krwi w szpiku kostnym, wydawało się, że od tej chwili sprawy potoczą się szybkim tempem. Kwestią otwartą pozostawało jednak, czy w warunkach doświadczalnych jest możliwe wyodrębnienie komórki macierzystej i sprawdzenie jej istotnych funkcji. Nie mniej istotnym problemem było określenie, czy mamy do czynienia z jednym, stałym i obecnym na różnych poziomach życia organicznego typem komórek, czy też należy się liczyć z istnieniem wielu ich wariantów?

Ryc. 2. Florence Sabin, czyli przyspieszenie.

Tymczasem w 1938 roku na kartach „Embryonic Development and Induction” laureat Nagrody Nobla z 1935 roku – za odkrycie funkcji centrów organizujących wczesny rozwój zarodkowy zwierząt – Hans Spemann przedstawił projekt eksperymentu, który zakładał usunięcie jądra komórkowego z niezapłodnionej komórki jajowej, a następnie wszczepienie w jego miejsce jądra pobranego z komórki rozwiniętego już zarodka. Tym samym można by empirycznie sprawdzić, czy w tak zmienionych warunkach może dojść do pełnego rozwoju organizmu. I chociaż wówczas przeprowadzenie takiego postępowania nie było jeszcze możliwe, to Spemann z pewnością wskazywał właściwy kierunek, który – jak się miało okazać – doprowadzi w konsekwencji do rozwoju technik klonowania organizmów żywych. Oto bowiem w 1952 roku dwóch amerykańskich embriologów – Robert Briggs i Thomas King przeprowadzili, jak to nazwał kiedyś sam Spemann – „fantastisch Experiment” (niemiecki badacz po prostu nie wierzył, by technicznie był on wykonalny!), wprowadzając jądra komórkowe, wcześniej izolowane z komórek zarodków żaby, bezpośrednio do oocytów, które oczyszczono z ich własnej chromatyny. Tak „przemodelowane” oocyty uczeni pobudzali do rozwoju zarodkowego. I chociaż powątpiewano w skuteczność proponowanej metody, a dla wielu laboratoriów sam eksperyment okazał się zbyt trudny do powtórzenia, nie ulega już dzisiaj wątpliwości, że Briggs i King odnieśli pełny sukces.

Inicjacja nowotworów

W poszukiwaniach komórek macierzystych znaczącą rolę odegrały badania nad genezą i rozwojem potworniaków (teratoma) prowadzone w licznych ośrodkach przez uczonych różnych specjalności, w których jednym z głównych celów było potwierdzenie lub obalenie embriologicznej teorii kształtowania się nowotworów. Dokładnie rok po ogłoszeniu przez Briggsa i Kinga, że „fantastisch Experiment” stał się realnością, młody, tuż po doktoracie, amerykański embriolog Leroy Stevens z Jackson Laboratory in Bar Harbor w stanie Maine rozpoczął cykl badań nad potencjalnymi bodźcami karcinogennymi. Na wyselekcjonowanych grupach myszy przeprowadził serię eksperymentów. Nieoczekiwanie dla niego zanotował trzy przypadki potworniaków, nowotworu niezwykle rzadkiego u tego gatunku zwierząt. Wzbudziło to zrozumiałe zainteresowanie w całym zespole badawczym. Stevens, teraz w ścisłej współpracy z genetykiem Clarence’em Cook Little’em, był w stanie odnotować większą liczbę takich przypadków w czasie dalszych badań eksperymentalnych. Jednocześnie zdecydowano się sprawdzić, czy indukowane do organizmu zwierzęcia komórki nowotworowe będą podlegać spontanicznemu rozrostowi oraz czy chorobę nowotworową uda się utrzymać w kolejnych pokoleniach myszy.

Na oba pytania uzyskano odpowiedź pozytywną.

Co zrozumiałe, Stevensa i Little’a interesowała również sama struktura teratomy, która – jak ustalili – składała się głównie z niezróżnicowanych komórek wykazujących zdolność do gwałtownego namnażania się. Komórki te określili jako podobne do zarodkowych komórek macierzystych. Na początku lat 60. Lewis Kleinsmith i Barry Pierce wykazali, że komórki nowotworu zarodkowego (carcinoma embryonale), gdy zostaną zaszczepione myszom, dają w efekcie wzrost różnych typów tkanek, jak również skutkują rozwojem raka zarodkowego. Wyniki Kleinsmitha i Pierce’a były poważnym wsparciem dla wysuniętej przez Maxa Askanazego jeszcze w 1907 roku hipotezy o istotnej roli Stammzelle w inicjacji i rozwoju nowotworów. Były także podstawą badań kolejnych zespołów i znajdują kontynuację we współczesnych projektach.