Stem Cell dan Pemeliharaan Jaringan DewasaPerkembangan awal ditandai oleh proliferasi cepat sel-sel embrio, yang kemudian

berdiferensiasi untuk membentuk sel-sel khusus pada jaringan dewasa dan organ. Sebagai sel yang berdiferensiasi, tingkat proliferasi mereka biasanya menurun, dan kebanyakan sel pada hewan dewasa yang ditangkap dalam tahap G0 dari siklus sel. Namun, sel-sel yang hilang baik karena cedera atau kematian sel terprogram sepanjang hidup. Dalam rangka mempertahankan jumlah konstan sel dalam jaringan dewasa dan organ, kematian sel harus seimbang dengan proliferasi sel. Dalam rangka untuk menjaga keseimbangan ini, sebagian besar jaringan mengandung sel-sel yang dapat berkembang biak yang diperlukan untuk mengganti sel-sel yang telah mati. Selain itu, dalam beberapa jaringan subpopulasi sel membelah terus menerus sepanjang hidup untuk menggantikan sel-sel yang memiliki tingkat pergantian yang tinggi pada hewan dewasa. Terjadi kematian dan pembaharuan sel sehingga ada keseimbangan untuk menjaga jaringan dewasa dan organ yang berfungsi.

Proliferasi Sel DifferensiasiSebagian besar jenis sel dibedakan pada hewan dewasa yang mana tidak lagi mampu

proliferasi. Jika sel-sel ini hilang, mereka digantikan oleh sel yang memperbaharui diri sel-sel induk, seperti yang dibahas dalam bagian berikut. Jenis lain dari sel dibedakan, namun, beberapa kemampuan untuk berkembang biak yang diperlukan untuk memperbaiki jaringan yang rusak sepanjang kehidupan organisme. Sel-sel ini memasuki tahap G0 dari siklus sel tetapi melanjutkan proliferasi yang diperlukan untuk mengganti sel-sel yang telah terluka atau mati.

Sel jenis ini termasuk fibroblast, yang tersebar di jaringan ikat di mana mereka mengeluarkan kolagen. Fibroblast kulit biasanya ditangkap pada G0 tetapi berkembang biak dengan cepat jika diperlukan untuk memperbaiki kerusakan akibat dari luka. Pembekuan darah di lokasi luka menyebabkan pelepasan platelet-derived growth factor (PDGF) dari trombosit darah. PDGF mengaktifkan reseptor protein-tirosinkinase, merangsang proliferasi dari fibroblast dan migrasi mereka ke dalam luka dimana proliferasi dan sekresi kolagen berkontribusi untuk memperbaiki dan pertumbuhan kembali dari jaringan yang rusak.

Sel endotel yang melapisi pembuluh darah sepenuhnya dibedakan yang mana tetap mampu proliferasi. Proliferasi sel endotel memungkinkan mereka untuk membentuk pembuluh darah baru yang dibutuhkan untuk perbaikan dan pertumbuhan kembali jaringan yang rusak. Proliferasi sel endotel dan pembentukan dihasilkan dari kapiler darah dipicu oleh faktor pertumbuhan (vaskular endotel growth factor atau VEGF) yang diproduksi oleh sel-sel dari jaringan kapiler yang baru akan menyerang. Produksi VEGF pada gilirannya dipicu oleh kekurangan oksigen, sehingga hasilnya adalah sistem regulasi di mana jaringan yang memiliki pasokan oksigen yang rendah akibat sirkulasi cukup merangsang proliferasi sel endotel dan kapiler. Sel otot polos, yang membentuk dinding pembuluh darah besar (misalnya, arteri) serta bagian kontraktil dari pencernaan dan saluran pernapasan dan organ internal lainnya, juga mampu melanjutkan proliferasi dalam menanggapi rangsangan faktor pertumbuhan. Sebaliknya, sel otot rangka dan jantung tidak lagi mampu membelah.

Sel-sel epitel dari beberapa organ internal juga dapat berkembang biak untuk menggantikan jaringan yang rusak. Contoh yang mencolok disediakan oleh sel-sel hati, yang

biasanya ditangkap dalam fase G0 dari siklus sel. Namun, jika sejumlah besar sel hati yang hilang (misalnya, oleh bagian operasi pengangkatan hati), sel-sel yang tersisa dirangsang untuk berkembang biak untuk menggantikan jaringan yang hilang. Misalnya, operasi pengangkatan dua-pertiga dari hati tikus yang diikuti oleh proliferasi cepat dari sel-sel yang tersisa, menyebabkan regenerasi sel hati dalam beberapa hari.

Stem SelKebanyakan sel sepenuhnya dibedakan dalam hewan dewasa, walaupun, tidak lagi mampu

melakukan pembelahan sel. Meskipun demikian, mereka dapat digantikan oleh proliferasi sel yang terdiferensiasi dalam memperbarui yang disebut sel induk yang hadir dalam jaringan dewasa kebanyakan. Karena mereka mempertahankan kapasitas untuk berkembang biak dan mengganti sel-sel yang dibedakan sepanjang waktu kehidupan binatang, sel induk memainkan peran penting dalam pemeliharaan jaringan dan organ yang paling.

Sel batang adalah kunci utama dalam pembelahan untuk menghasilkan satu sel anak yang tetap menjadi sel batang dan satu yang menjadi sel lainnya. Karena pembagian sel batang menghasilkan sel induk baru serta sel anak yang dibedakan, sel induk adalah memperbaharui diri sendiri yang dapat berfungsi sebagai sumber untuk produksi sel dibedakan sepanjang hidup. Peran sel induk sangat jelas dalam kasus dimana beberapa jenis sel dibedakan, termasuk sel-sel darah, sperma, sel-sel epitel kulit, dan sel-sel epitel yang melapisi saluran pencernaan, yang semuanya memiliki masa hidup pendek dan harus digantikan oleh sel terus-menerus dengan proliferasi sel batang. Sel induk juga telah diidentifikasi dalam berbagai jaringan dewasa lainnya, termasuk otot rangka dan sistem saraf, di mana mereka berfungsi untuk mengganti jaringan yang rusak.

Sel induk yang pertama kali diidentifikasi dalam sistem hematopoietik (pembentukan darah) oleh Ernest McCulloch dan James Till tahun 1961 pada percobaan menunjukkan bahwa sel tunggal yang berasal dari sumsum tulang tikus dapat berkembang biak dan menimbulkan jenis yang berbeda di beberapa sel darah. Sel induk hematopoietik yang baik ditandai dan memproduksi sel darah memberikan contoh yang baik tentang peran sel induk dalam menjaga populasi sel yang dibedakan. Ada jenis yang berbeda beberapa sel darah dengan fungsi khusus: eritrosit (sel darah merah) yang mengangkut O2 dan CO2, granulosit dan makrofag, yang merupakan sel-sel fagositik, trombosit (yang fragmen megakariosit) yang berfungsi dalam pembekuan darah, dan limfosit yang bertanggung jawab atas respon kekebalan tubuh. Semua sel ini memiliki rentang hidup yang terbatas mulai dari kurang dari satu hari sampai beberapa bulan, dan semua berasal dari populasi yang sama dari sel-sel induk hematopoietik. Lebih dari 100 miliar sel darah yang hilang setiap hari pada manusia, harus terus-menerus diproduksi dari sel induk hematopoietik dalam sumsum tulang. Keturunan dari sel induk hematopoietik terus berkembang biak dan menjalani beberapa putaran karena mereka menjadi jalur diferensiasi tertentu yang ditentukan oleh faktor-faktor pertumbuhan sehingga prekursor sel saluran di sepanjang jalur tertentu didiferensiasi sel darah. Setelah mereka menjadi sepenuhnya dibedakan, sel darah berhenti proliferasi, sehingga pemeliharaan populasi sel darah dibedakan tergantung pada divisi dimana sel induk hematopoietik memperbaharui diri.

Usus memberikan contoh yang sangat baik dari sel induk dalam pembaruan diri dari jaringan epitel. Usus dibatasi oleh satu lapisan sel epitel yang bertanggung jawab untuk

pencernaan dan penyerapan nutrisi. Sel-sel epitel usus terkena lingkungan yang luar biasa keras dan memiliki hanya beberapa hari sebelum mereka mati oleh apoptosis. Pembaharuan epitel usus karena itu erupakan proses yang terus-menerus sepanjang hidup. Sel-sel baru yang berasal dari sel batang di bagian bawah kriptus usus. Sel-sel induk menimbulkan populasi transit untuk memperkuat sel, yang membelah dengan cepat dan menempati sekitar 2/3 dari bagian bawah kriptus. Transit untuk memperkuat kehidupan sel selama tiga sampai empat divisi sel dan kemudian berdiferensiasi menjadi tiga jenis sel epitel permukaan usus: sel epitel serap dan dua jenis sel sekretorik, yang disebut sel enteroendocrine. Usus kecil juga mengandung empat jenis sel, sel Paneth, dengan agen rahasia antibakteri. Crypt masing-masing berisi sekitar enam sel induk memperbaharui diri, yang dapat menimbulkan semua jenis sel dalam epitel usus.

Sel induk juga bertanggung jawab untuk pembaharuan terus-menerus pada kulit dan rambut. Seperti lapisan usus, kulit dan rambut yang terkena radiasi ultraviolet dari sinar matahari dan terus menerus terjadi pembaharuan sepanjang hidup. Kulit terdiri dari keturunan sel: epidermis, folikel rambut dan kelenjar sebasea, yang melepaskan minyak dan melumasi permukaan kulit. Masing-masing dari ketiga populasi sel yang dikelola oleh sel induk mereka sendiri. Epidermis adalah terdiri dari banyak lapisan, yang mengalami pembaharuan sel terus-menerus. Pada manusia, epidermis lebih dari dua minggu, dimana sel-sel dari permukaan. Sel-sel ini digantikan oleh sel induk epidermis, yang berada di lapisan basal tunggal. Sel-sel induk epidermis menimbulkan sel-sel transit memperkuat, yang mengalami perbedaan dan bergerak keluar ke permukaan kulit. Sel induk yang bertanggung jawab untuk memproduksi rambut berada dalam region dari folikel rambut yang disebut bulge. Bulge sel batang menimbulkan transit memperkuat sel matriks yang berkembang biak untuk membentuk batang rambut. Akhirnya, populasi yang berbeda dari sel induk berada di dasar kelenjar sebasea. Perlu dicatat bahwa, jika kulit terluka, sel-sel induk dari bulge dapat segera memperbaiki epidermis dan kelenjar sebasea, menunjukkan aktivitas mereka sebagai sel induk multipoten dari kulit dan rambut yang dapat diturunkan.

Otot rangka contoh peran sel induk dalam perbaikan jaringan yang rusak, berbeda dengan pembaharuan sel terus-menerus yang hanya dijelaskan dalam sistem hematopoietik, epitel usus, kulit. Otot rangka adalah komposit dari sel multinukleat besar (serat otot) yang dibentuk oleh fusi sel selama pengembangan. Meskipun otot rangka biasanya merupakan jaringan yang stabil dengan pergantian sel kecil, ia mampu meregenerasi cepat dalam menanggapi cedera atau latihan. Regenerasi ini dimediasi oleh proliferasi sel satelit, yang merupakan sel induk otot dewasa. Sel satelit yang terletak di bawah lamina basal serat otot. Mereka biasanya diam, ditangkap dalam fase G0 dari siklus sel, tetapi diaktifkan untuk berkembang biak dalam menanggapi cedera. Setelah diaktifkan, sel-sel satelit menimbulkan turunan yang mengalami perpecahan dan kemudian menjadi bedakan dan bergabung membentuk serat otot baru. Kapasitas terus otot rangka untuk regenerasi sepanjang hidup karena adanya pembaharuan sel dari populasi sel induk satelit

Sel induk juga telah ditemukan di banyak jaringan dewasa lainnya, termasuk otak dan jantung, dan adalah mungkin bahwa sebagian besar jaringan mengandung sel-sel batang dengan potensi menggantikan sel yang hilang selama masa organisme. Tampaknya bahwa sel induk berada dalam keadaan yang berbeda, yang disebut niche, yang memberikan sinyal lingkungan yang menjaga sel induk sepanjang hidup dan mengontrol keseimbangan antara

pembaharuan diri dan diferensiasi. Sel induk jarang terjadi pada jaringan mamalia dewasa, bagaimanapun, jadi identifikasi yang tepat dari sel batang dan merupakan tantangan utama dalam bidang biologi sel induk. Sebagai contoh, meskipun peran sel induk dalam pemeliharaan epitel usus telah lama diakui, sel-sel induk usus di dasar ruang bawah tanah yang baru saja diidentifikasi oleh studi Hans Clever dan rekan-rekannya pada tahun 2007. Sinyal oleh jalur Wnt memainkan peran utama dalam mengendalikan proliferasi sel-sel batang, dan diperkirakan bahwa polipeptida Wnt dikeluarkan oleh fibroblast dari jaringan ikat yang mendasari untuk pemeliharaan sel induk usus. Sinyal Wnt juga terlibat dalam pengaturan beberapa jenis lainnya sel induk, termasuk sel induk dari kulit dan sistem hematopoietik. Selain itu, sinyal oleh TGF-B. Hedgehog, dan jalur Notch memainkan peran penting dalam regulasi sel induk, walaupun peran yang tepat dari faktor-faktor ini dalam mengatur berbagai jenis sel induk dalam niche yang berbeda mereka masih harus dipahami.

Aplikasi medis dari Adult Stem CellsKemampuan sel induk dewasa untuk memperbaiki jaringan yang rusak jelas menunjukkan

potensi mereka dalam aplikasi medis. Jika stem sel tersebut dapat diisolasi dan diperbanyak pada kultur, mereka secara prinsip dapat digunakan untuk menggantikan jaringan rusak dan mengobati berbagai gangguan, seperti diabetes atau penyakit degeneratif seperti distrofi otot, Parkinson atau penyakit Alzheimer. Dalam beberapa kasus, penggunaan sel induk yang berasal dari jaringan dewasa mungkin hal yang optimal untuk terapi sel induk tersebut, meskipun penggunaan sel induk embrionik memungkinkan untuk memberikan pendekatan yang lebih fleksibel untuk pengobatan berbagai gangguan yang lebih luas.

Sebuah aplikasi klinis sel induk dewasa adalah transplantasi sel induk hematopoietik (atau transplantasi sumsum tulang), yang memainkan peran penting dalam pengobatan berbagai kanker. Kanker yang paling sering diperlakukan dengan kemoterapi dengan obat yang membunuh dengan cepat sel-sel, dengan DNA merusak atau menghambat replikasi DNA. Obat ini tidak bertindak selektif terhadap sel kanker, tetapi juga beracun bagi jaringan normal yang bergantung pada pembaharuan terus-menerus oleh sel batang, seperti darah, kulit, rambut, dan epitel usus. Sel-sel stem hematopoietik adalah salah satu sel yang paling cepat membelah tubuh, sehingga efek racun dari obat antikanker terhadap sel-sel sering membatasi efektivitas kemoterapi dalam pengobatan kanker. Transplantasi sel induk hematopoietik menyediakan satu pendekatan untuk melewati toksisitas ini, sehingga memungkinkan penggunaan dosis obat yang lebih tinggi untuk mengobati kanker pasien lebih efektif. Dalam prosedur ini, pasien diobati dengan kemoterapi dosis tinggi yang biasanya tidak bisa ditoleransi karena efek toksik pada sistem hematopoietik. Kerusakan yang berpotensi mematikan, bagaimanapun, dengan mentransfer sel-sel batang baru sehingga sistem hematopoietik normal memperbaiki beberapa kasus, sel-sel induk yang diperoleh dari pasien sebelum kemoterapi, disimpan, dan kemudian kembali ke pasien setelah kemoterapi selesai. Namun, penting untuk memastikan bahwa sel-sel ini tidak tercemari air dengan sel kanker. Atau, sel induk yang akan ditransplantasikan dapat diperoleh dari donor masyarakat yang sehat yang jaringannya sangat cocok pada pasien. Selain penggunaannya dalam pengobatan kanker, transfer hematopoietik stem cell yang digunakan untuk mengobati pasien dengan

penyakit pada sistem hematopoietik, seperti anemia aplastik, gangguan hemoglobin, dan menurunnya daya tahan tubuh.

Sel induk Epitel juga menemukan aplikasi klinis dalam bentuk cangkokan kulit yang digunakan untuk mengobati pasien dengan luka bakar, luka lecet, dan borok. Salah satu pendekatan untuk prosedur ini adalah sel-sel kulit epidermis membentuk lembar epitel, yang kemudian dapat ditransfer ke pasien. Karena kulit pasien sendiri dapat digunakan untuk prosedur ini, menghilangkan komplikasi potensi penolakan oleh sistem kekebalan tubuh. Kemungkinan menggunakan sel induk dewasa untuk terapi penggantian pada penyakit lainnya, termasuk diabetes, penyakit Parkinson, dan distrofi otot. Namun, aplikasi klinis ini sel induk dewasa dibatasi oleh kesulitan dalam mengisolasi dan kultur populasi stem cell.

Embrio Stem Sel dan Kloning TerapeutikKetika sel induk dewasa sulit untuk di isolasi dan kultur, maka relatif mudah untuk

mengisolasi dan menyebarkan sel-sel induk embrio. Sel-sel ini dapat tumbuh tanpa batas populasi sel induk murni sambil mempertahankan kemampuan untuk menyebabkan semua sel berkembang menjadi organisme dewasa. Akibatnya, ada minat besar dalam sel induk yang berasal dari embrio dari sudut pandang ilmu dasar dan aplikasi klinis.