Tüvirakk

Tüvirakk (ld cellula praecursoria, mitm cellulae praecursoriae) on hulkraksete organismide erinevates kudedes leiduvate diferentseerumata paljunemisvõimeliste algrakkude tüüp. Tüvirakud võivad muunduda ehk diferentseeruda spetsiaalse funktsiooniga rakkudeks või jaguneda mitoosi teel samasugusteks tüvirakkudeks.

Imetajatel on kirjeldatud kahte tüüpi tüvirakke: embrüonaalseid ja täiskasvanud tüvirakke. Täiskasvanud organismis uuendavad tüvirakud kudesid ehk on osa keha parandamise süsteemist. Teadlased on õppinud tüvirakke kunstlikult kasvatama ja kindla funktsiooniga rakkudeks diferentseerima.

Täiskasvanud inimese kehas on autoloogsete tüvirakkude eraldamiseks neli kohta: 
luuüdi – tüvirakkude kättesaamiseks tuleb puurida luuüdisse;
rasvarakud – tüvirakud eraldatakse rasvaimu abil;
veri – täisveri tuleb eraldada komponentideks ja sealt filtreerida välja hematopoeetilised tüvirakud;
	vahetult pärast sündi saab neid eraldada ka nabaväädi verest.

Arvatakse, et tüvirakkudel on palju sarnasusi vähirakkudega.

Taimedel on sarnase funktsiooniga rakkudeks algkoe ehk meristeemi rakud.

Omadused 
Tüvirakkude klassikalise definitsiooni kohaselt on neil kaks erilist tunnust:
 taastootlikkus – võime jaguneda korduvalt uuteks rakkudeks, jäädes diferentseerumata olekusse; 
 potents – võime muunduda spetsialiseeritud rakkudeks.

Taastootlikkus
Tüvirakkude populatsioon säilitatakse kahe jagunemismehhanismiga:

 asümmeetriline jagunemine – tüvirakk jaguneb, moodustades ühe raku, mis on identne esialgse tüvirakuga, ja diferentseerunud raku;
 sümmeetriline jagunemine – tüvirakud võivad jagunedes moodustada ka kaks ühesugust rakku, mis võivad olla nii tüvirakud kui diferentseerunud rakud. See mehhanism toimub stohhastiliselt.

On kaks teooriat, et seletada, millist jagunemismehhanismi kasutatakse. Esimese kohaselt määrab selle eri membraanivalkude raku pinnale eritamine. Teise teooria kohaselt püsivad tüvirakud diferentseerumata olekus teatud keskkonnatingimustes. Tüvirakud hakkavad diferentseeruma, kui nad lahkuvad neile sobilikust keskkonnast või ei saa enam signaale, mis hoiaks neid diferentseerumata olekus.

Potents
Rakkudel leidub viit tüüpi potentsust:

 üksainus totipotentne rakk võib kasvada organismiks ning toota ka looteväliseid kudesid. Selline omadus on sügootidel ja blastomeeride rakkudel;
pluripotentsed tüvirakud ei saa kasvada organismiks, kuid on võimelised diferentseeruma rakkudeks, mis on pärit samast lootelehest;
multipotentsed tüvirakud võivad muutuda ainult teatud kudede rakkudeks, näiteks vererakkudeks või luurakkudeks;
oligopotentsed tüvirakud saavad diferentseeruda ainult vähesteks rakkudeks, näiteks lümfoidseteks või müeloidseteks tüvirakkudeks;
unipotentsed tüvirakud saavad jaguneda ainult ühte tüüpi rakuks, kuid suudavad erinevalt tavalistest rakkudest iseennast taastoota.

Tüvirakkude tüübid

Embrüonaalsed tüvirakud

Embrüonaalsed tüvirakud pärinevad blastotsüsti ehk lootepõiekese sisemisest rakumassist. Need on pluripotentsed ja annavad alguse kolmele põhilisele lootelehele: ektodermile, endodermile ja mesodermile. Nad võivad diferentseeruda enam kui kahesajaks täiskasvand organismis esinevaks rakutüübiks. Pea kõik tüvirakkudega seotud uuringud on läbi viidud kas hiire (mES) või inimese embrüonaalsete tüvirakkudega (hES). Need vajavad diferentseerumata oleku säilitamiseks väga erinevaid tingimusi. Inimese embrüonaalseid tüvirakke saab tavalistest rakkudest eristada mitmete spetsiifiliste transkriptsioonifaktorite ekspressiooni ja raku pinnaretseptorite järgi.

Embrüonaalsed tüvirakud vajavad diferentseerumiseks spetsiifilisi signaale. Kui selliseid rakke süstida teise organismi, siis hakkavad rakud diferentseeruma paljudeks eri rakkudeks, põhjustades nii teatud tüüpi kasvaja, mida nimetatakse teratoomiks.

Embrüonaalsetele tüvirakkudele omistatakse biomeditsiinis tänapäeval erilist tähtsust. Need on oma pluripotentsuse tõttu potentsiaalseks ravimeetodiks regeneratiivmeditsiinis ja haiguse või vigastuse tagajärjel kahjustatud kudede taastamisel.

Inimese lootelt saadud embrüonaalsete tüvirakkude uurimisobjektina kasutamisele on esitatud eetilisi vastuväiteid põhjendusega, et selliste tüvirakkude saamiseks lõhutavat blastotsüsti (s.o embrüo, milles ei ole veel üle 150 raku) võib pidada inimeseks.

Täiskasvanud tüvirakud

Täiskasvanud tüvirakud ehk somaatilised tüvirakud ehk keha tüvirakud on diferentseerumata rakud, mis esinevad teatud koe diferentseerunud rakkude hulgas ning on enamasti multipotentsed. Hoolimata nimest leidub neid ka lastel ja sündimisel saab neid eraldada ka nabaväädist. Pluripotentsed täiskasvanud tüvirakud on haruldased, kuid neid leidub mitmes koes. Luuüdis leidub rohkelt täiskasvanud tüvirakke. Luuüdis leiduvate tüvirakkude arv kahaneb organismi vananedes. Täiskasvanud tüvirakke on kasutatud mitmete seljaajuvigastuste, maksatsirroosi ja kroonilise jäsemete isheemia ravimiseks. Lisaks on neid kasutatud leukeemia ja muude sarnaste luu- ja verevähkide ravimiseks. Samuti kasutatakse täiskasvanud tüvirakke veterinaarias kõõluste ja sidemete vigastuste ravimiseks hobustel. Täiskasvanud tüvirakkude kasutamine pole nii vastuoluline kui embrüonaalsete tüvirakkude kasutamine, sest täiskasvanud tüvirakkude saamiseks pole vaja embrüot lõhkuda.

Amniootilised tüvirakud
Multipotentseid tüvirakke leidub ka loote amnioni vedelikus. Need tüvirakud on väga aktiivsed, jagunevad kiiresti ja pole tumorogeensed. Rooma-Katoliku Kiriku õpetus keelab embrüonaalsete tüvirakkude kasutamise, kuid Vatikani ajaleht Osservatore Romano nimetas amniootilisi tüvirakke "meditsiini tulevikuks". 2009. aastal avati esimene amniootiliste tüvirakkude pank, mis teeb koostööd mitmete haiglate ja ülikoolidega üle maailma.

Nabaväädi vere tüvirakud
Teatud tüüpi tüvirakud (CB-SC), mis on saadud nabaväädi verest, on multipotentsed: neil on nii embrüonaalsed kui hematopoeetilised omadused. Fenotüübiline klassifikatsioon näitab, et nendel rakkudel on embrüonaalse raku markerid (transkripitsioonifaktorid OCT-4 ja Nanog) ja raku elufaasile iseloomulikud embrüonaalsed antigeenid. Nabaväädi vere tüvirakkudel on potentsiaal ravida autoimmuunhaigusi.

Esilekutsutud pluripotentsus
Indutseeritud pluripotentsed tüvirakud saadakse täiskasvanud organismi diferentseerunud rakkude ümberprogrammeerimisel nii, et nad omandavad pluripotentsuse. Nii saab näiteks hiire naharakkudes indutseerida tüviraku omadusi ja see rakk võib omakorda diferentseeruda spetsialiseerunud rakuks, näiteks munarakuks.

Meditsiin

Teadlaste arvates on tüvirakkudel potentsiaal drastiliselt muuta tänapäeva meditsiini. Juba praegu suudetakse nende abil ravida leukeemiat ja mitmeid vere- ja luuvähi tüüpe. Loodetakse, et tulevikus saab tüvirakkudega hakata ravima mitmeid haigusi, nagu vähki, Parkinsoni tõve, seljaajuvigastusi, polüskleroosi ja lihaste vigastusi. Tüvirakkude kasutamisel on siiski risk, et need võivad moodustada kasvajaid. Kontrollimatu rakujagunemise korral võivad need kasvajad muutuda ka pahaloomuliseks. Isegi kui tüvirakud on võetud patsiendilt endalt, võib tekkida kasvaja, sest mitokondriaalses DNAs toimuvad mutatsioonid palju tihedamini kui inimese genoomis

Tähtsamad avastused tüvirakkude vallas
1963 – hiire luuüdis näidati ennast taastootvate rakkude olemasolu.
1968 – raske kombineeritud immuunpuudulikkuse ravimisel kasutati esimest korda luuüdi transplantatsiooni. 
1978 – inimese nabaväädi verest avastati hematopoeetilised tüvirakud.
1981 – teadlased eraldasid hiire embrüo sisemisest rakumassist embrüonaalsed tüvirakud.
1997 – leiti esimesed otsesed tõendid vähki tekitavate tüvirakkude kohta. Näidati, et leukeemia saab alguse ühest hematopoeetilisest tüvirakust.
1998 – esimene inimese embrüonaalse tüvirakuliini kasvatamine.
2003 – avastati uut tüüpi täiskasvanud tüvirakud laste piimahammastest.
2006 – teadlased Newcastle'i Ülikoolis Inglismaal kasutasid nabaväädi vere tüvirakke ja olid esimesed, kes suutsid neist luua tehislikke maksarakke.
2007 – Wake Foresti Ülikooli teadlased avastasid amnioni vedelikust uut tüüpi tüvirakud.
2007 – Mario Capecchi, Martin Evans ja Oliver Smithies said Nobeli auhinna embrüonaalsete tüvirakkude vallas tehtud töö eest ja esimese geneetiliselt muundatud hiire (tuntud kui geennokauditud hiir) väljatöötamise eest.
2008 – embrüonaalse tüviraku sarnaste rakkude avastamine inimese juuksekarvas.
2009 – Andras Nagy ja Keisuke Kaji avastasid meetodi, kuidas kasutada tavalisi keharakke ja toota neist embrüonaalse tüviraku sarnaseid rakke. Nad kasutasid "pakkimismeetodit", et viia rakku spetsiifilisi geene. Varem on selleks kasutatud viirust, mis võib aga põhjustada soovimatuid mutatsioone.
2010 – tehti esimesed katsed inimese embrüonaalsete tüvirakkudega.
2011 – Iisraeli teadlase Inbar Friedrich Ben-Nuni juhitud meeskond suutis ohustatud liikide keharakkudest toota tüvirakke. Selle abil saab päästa väljasuremisohus olevaid liike.
2012 – Katsuhiko Hayashi kasutas hiire naharakke, et teha neist tüvirakud, ja tegi neist omakorda munarakke. Need munarakud viljastati ja arenes terve isend. Samuti andis see hiir terveid järglasi.
2013 – esimest kordselt kasvatati, küpsetati ja maitsti laboris liha, mis on tehtud lihase tüvirakkudest.

Vaata ka
Hemotsütoblast
Diferentseerumine
Arengubioloogia
Meristeem
Ernest McCulloch
Kasvaja tüvirakud

Viited

Välislingid

YouTube: Video tüvirakkudest (inglise keeles)
 Tervishoiu uus tööriistakast hei.eas.ee, tõlge 2009 Technology Review, Inc. Levitaja Tribune Media Services, 8. oktoober 2009
Christine Mummery, Anja van de Stolpe, Bernard Roelen, Hans Clevers,Stem Cells: Scientific Facts and Fiction, 2011, Academic Press, Google'i raamatu veebiversioon (vaadatud 23.05.2014) (inglise keeles)
 Mart Saarma, Urmas Arumäe: Rakumaailma filosoofiline kivi Sirp, nr 39 (3413), lk 27, 19. oktoober 2012
 Uriinis olevatel tüvirakkudel on suur ravipotentsiaal, err.ee, 2. august 2013
 26. september 2013 Eesti arstid siirdasid esimest korda patsiendile tema tüvirakke
 California Institute for Regenerative Medicine, Tumor Cells Become Drug Resistant by Reverting to a Stem Cell-Like State, New Study Finds, 23. aprill 2014, veebiversioon (vaadatud 23.05.2014) (inglise keeles)
 Scientists discover thymus stem cells, No. 38c3e, 22/08/2014, veebiversioon (vaadatud 13.09.2014) (inglise keeles)
 TH H2.00.01.0.00001: Cellulae praecursoriae. Tüvirakud Sissekanne Terminologia Histologica-s

Rakubioloogia