thumb|Een blastocyste die gevormd is uit menselijke embryonale stamcellen (met de trofoblast blauw gekleurd), opname met fluorescentiemicroscoop Embryonale stamcellen (ESC) zijn pluripotente stamcellen die afkomstig zijn uit een zeer vroeg stadium van het embryo, meestal het blastocyststadium (ongeveer 4-5 dagen na de bevruchting bij mensen). Een belangrijk kenmerk van deze cellen is dat ze pluripotent zijn: ze kunnen zich ontwikkelen tot alle celtypen van het lichaam, zoals zenuwcellen, spiercellen en bloedcellen.
Door deze bijzondere eigenschappen zijn embryonale stamcellen van groot belang in wetenschappelijk onderzoek. Ze worden gebruikt bij het bestuderen van de vroege menselijke ontwikkeling, bijvoorbeeld om te begrijpen welke transcriptiefactoren en signaalroutes de eerste celbeslissingen aansturen. Daarnaast worden ze gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën (regeneratieve geneeskunde) en het testen van medicijnen op ESC-afgeleide cellen, waardoor dierproeven deels overbodig worden.
Het gebruik van embryonale stamcellen voor onderzoek werpt ethische vragen op, omdat voor het verkrijgen van deze cellen een embryo wordt vernietigd. Daarom is er ook veel onderzoek naar alternatieven, zoals geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC), die uit volwassen lichaamscellen worden gemaakt maar vergelijkbare eigenschappen hebben. In Nederland en België zijn wettelijke kaders vastgesteld voor biomedisch onderzoek met embryonaal materiaal.
Eigenschappen thumb|Menselijke embryonale stamcellen in een celcultuur onder een normale lichtmicroscoop
Embryonale stamcellen (ESC's), afkomstig uit het blastocyststadium van vroege zoogdierembryo's, onderscheiden zich door hun vermogen om te differentiëren tot elk embryonaal celtype en door hun vermogen om zichzelf te vernieuwen. Het zijn deze eigenschappen die ze waardevol maken op wetenschappelijk en medisch gebied. ESC's hebben een normaal karyotype, behouden een hoge telomerase-activiteit en vertonen een opmerkelijk proliferatief potentieel op de lange termijn.
Pluripotent Embryonale stamcellen van de embryoblast zijn pluripotent, wat betekent dat ze kunnen differentiëren om primitief ectoderm te genereren, dat uiteindelijk tijdens de gastrulatie differentieert in alle derivaten van de drie primaire kiembladen: ectoderm, endoderm en mesoderm. Deze kiembladen genereren elk van de meer dan 400 celtypen in het volwassen menselijk lichaam. Wanneer ze de juiste signalen krijgen, vormen ESC's aanvankelijk voorlopercellen die vervolgens differentiëren tot de gewenste celtypen. Pluripotentie onderscheidt embryonale stamcellen van volwassen stamcellen, die multipotent zijn en slechts een beperkt aantal celtypen kunnen produceren.
Zelfvernieuwing en structuurherstel Onder bepaalde omstandigheden kunnen embryonale stamcellen in een ongedifferentieerde staat zichzelf onbeperkt te vernieuwen. Zelfvernieuwingsomstandigheden moeten voorkomen dat de cellen klonteren en een omgeving in stand houden die een niet-gespecialiseerde staat ondersteunt. Meestal gebeurt dit in het laboratorium met media die serum en leukemie-remmende factor bevatten of serumvrije mediasupplementen met twee remmende geneesmiddelen ("2i"), de MEK-remmer PD03259010 en GSK-3-remmer CHIR99021.
Groei ESC's delen zich zeer frequent vanwege een verkorte G1-fase in hun celcyclus. Snelle celdeling zorgt ervoor dat de cellen snel in aantal toenemen, maar niet in grootte, wat belangrijk is voor de vroege embryonale ontwikkeling. In ESC's worden cycline A- en cycline E-eiwitten die betrokken zijn bij de G1/S-overgang altijd op hoge niveaus tot expressie gebracht. Cycline-afhankelijke kinases zoals CDK2 die de voortgang van de celcyclus bevorderen, zijn overactief, deels vanwege de downregulatie van hun remmers. Retinoblastoom-eiwitten die de transcriptiefactor E2F remmen totdat de cel klaar is om de S-fase in te gaan, worden in ESC's hypergefosforyleerd en geïnactiveerd, wat leidt tot voortdurende expressie van proliferatiegenen. Deze veranderingen resulteren in versnelde cycli van celdeling. Hoewel hoge expressieniveaus van pro-proliferatieve eiwitten en een verkorte G1-fase in verband zijn gebracht met het behoud van pluripotentie, brengen ESC's die gekweekt worden in serumvrije 2i-omstandigheden wel hypo-gefosforyleerde actieve retinoblastoom-eiwitten tot expressie en hebben ze een verlengde G1-fase. Ondanks dit verschil in de celcyclus in vergelijking met ESC's die gekweekt worden in media met serum, hebben deze cellen vergelijkbare pluripotente kenmerken. Pluripotentiefactoren Oct4 en Nanog spelen een rol bij de transcriptionele regulering van de embryonale stamcelcyclus.
Toepassingen Embryonale stamcellen kunnen zich in vrijwel alle mogelijke celtypen ontwikkelen en zich in principe onbeperkt vernieuwen. Daarom worden ze onderzocht als mogelijk toepassing in de regeneratieve geneeskunde, bijvoorbeeld als mogelijke bron van donorweefsel. ESC's zijn onder meer gebruikt bij aandoeningen als ruggenmergletsel, diabetes en neurodegeneratieve ziekten. Buiten therapie worden ESC’s ook gebruikt om de vroege menselijke ontwikkeling in kaart te brengen, en genetische ziekten of toxische effecten van stoffen in het laboratorium te bestuderen.
Weefseltechnologie thumb|Embryoïde lichaampjes 24 uur na vorming. In de weefseltechnologie is het gebruik van stamcellen van belang. Om een weefsel succesvol te kunnen ontwerpen, moeten de gebruikte cellen specifieke biologische functies kunnen uitvoeren, zoals de secretie van cytokines, signaalmoleculen, interactie met naburige cellen en het produceren van een extracellulaire matrix in de juiste organisatie. Stamcellen vertonen deze specifieke biologische functies, samen met het vermogen om zichzelf te vernieuwen en te differentiëren in een of meer typen gespecialiseerde cellen. Embryonale stamcellen zijn een van de bronnen die worden overwogen voor het gebruik in de weefseltechnologie. Het gebruik van menselijke embryonale stamcellen heeft veel nieuwe mogelijkheden geopend voor de weefseltechnologie, maar er zijn nog veel horden die moeten worden genomen voordat menselijke embryonale stamcellen zelfs maar kunnen worden gebruikt. Er wordt verondersteld dat als embryonale stamcellen zodanig kunnen worden aangepast dat ze geen immuunreactie meer oproepen wanneer ze bij de patiënt worden geïmplanteerd, dit een revolutionaire stap zou zijn in de weefseltechnologie. Embryonale stamcellen zijn niet beperkt tot de weefseltechnologie.
Celvervangende therapieën Onderzoek heeft zich gericht op het differentiëren van ESC's in verschillende celtypen voor uiteindelijk gebruik als celvervangende therapieën. Enkele van de celtypen die zijn of momenteel worden ontwikkeld, zijn hartspiercellen, zenuwcellen, hepatocyten, beenmergcellen, eilandjes van langerhanscellen en endotheelcellen. De vorming van dergelijke celtypen uit ESC's is echter niet zonder obstakels, daarom heeft het onderzoek zich gericht op het overwinnen van deze obstakels. Er zijn bijvoorbeeld studies gaande om ESC's te differentiëren in weefselspecifieke hartspiercellen en om hun onvolwassen eigenschappen te verwijderen die hen onderscheiden van volwassen hartspiercellen.
Klinisch potentieel thumb|Een ingekleurde elektronenmicroscopische opname van een menselijke naturalkillercel Onderzoekers hebben ESC's gedifferentieerd in dopamine-producerende cellen in de hoop dat deze zenuwcellen gebruikt kunnen worden bij de behandeling van de ziekte van Parkinson. ESC's zijn gedifferentieerd in naturalkillercellen en botweefsel. Er zijn studies gaande met ESC's om een alternatieve behandeling voor diabetes te bieden. ESC's zijn bijvoorbeeld gedifferentieerd in insuline-producerende cellen, en onderzoekers aan de Harvard University waren in staat om grote hoeveelheden alvleesklier-bètacellen te produceren uit ESC's.Colen, B.D. (9 October 2014) Giant leap against diabetes Gearchiveerd 2014-12-02 in de Wayback Machine. The Harvard Gazette, Retrieved 24 November 2014 Een artikel gepubliceerd in het European Heart Journal beschrijft een translationeel proces van het genereren van uit menselijke embryonale stamcellen afgeleide hartvoorlopercellen die gebruikt kunnen worden in klinische proeven met patiënten met ernstig hartfalen. Programmeren van voorlopercellen. De ontwikkeling van een protocol voor de gerichte generatie van alvleeskliervoorlopercellen is uitgevoerd op hESC's (menselijke embryonale stamcellen). Deze cellen, die een enorm potentieel hebben in de behandeling van metabole aandoeningen van de alvleesklier zoals diabetes, zijn geprogrammeerd tot alvleeskliervoorlopercellen door het nabootsen van ontwikkelingssignalen, die een zich ontwikkelend endoderm nodig zou hebben om functioneel alvleesklierweefsel te vormen. hESC's worden gekweekt op matrigel en vervolgens gedifferentieerd tot endoderm en verder onder invloed van bFGF, EGF, BMP4.
Onderzoek nieuwe geneesmiddelen Naast het feit dat ze een belangrijk alternatief zijn voor orgaantransplantaties, worden ESC's ook gebruikt op het gebied van toxicologie en als cellulaire screenings om nieuwe chemische stoffen te ontdekken die kunnen worden ontwikkeld als kleine-moleculaire geneesmiddelen. Studies hebben aangetoond dat hartspiercellen die zijn afgeleid van ESC's gevalideerde in-vitromodellen zijn voor het testen van medicijnreacties en het voorspellen van toxiciteitsprofielen. Van ESC afgeleide hartspiercellen is aangetoond dat ze reageren op farmacologische stimuli en kunnen daarom worden gebruikt om cardiotoxiciteit te beoordelen, zodat ze bijvoorbeeld geen Torsade de Pointes veroorzaken.
ESC-afgeleide hepatocyten zijn ook nuttige modellen die kunnen worden gebruikt in de preklinische stadia van onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen. De ontwikkeling van hepatocyten uit ESC's is echter moeilijk gebleken en dit belemmert het vermogen om het metabolisme van geneesmiddelen te testen. Daarom heeft het onderzoek zich gericht op het ontwikkelen van volledig functionele ESC-afgeleide hepatocyten met stabiele fase I- en II-enzymactiviteit.
Modelleren van genetische stoornissen Verschillende nieuwe studies zijn begonnen met het concept van het modelleren van genetische stoornissen met embryonale stamcellen. Ofwel door genetische manipulatie van de cellen, of meer recent, door het afleiden van zieke cellijnen die zijn geïdentificeerd door prenatale genetische diagnose (PGD), is het modelleren van genetische aandoeningen iets dat is bereikt met stamcellen. Deze aanpak kan heel waardevol blijken bij het bestuderen van aandoeningen zoals het fragiele-X-syndroom, cystische fibrose en andere erfelijke aandoeningen waarvoor geen betrouwbaar modelsysteem bestaat.