16. juni 2014

Differentiering af stamceller til nerveceller

Der har længe været et stort ønske om at kunne producere nye organer, som kan bruges til transplantation, uden at skulle matche væv mellem doner og patient. Ligeledes har den begrænsede tilgængelighed af humant hjernevæv, og udfordringerne med at dyrke dette in vitro, gjort det vanskelig at undersøge og udvikle nye behandlinger og lægemidler til neurologiske lidelser såsom Alzheimers og Parkinsons sygdom
I relation til transplantation af neuroner, har iPSC-teknologi (induceret pluripotente stamceller) affødt to strategier til behandling af neurologiske lidelser. Den første er at producere nye nerveceller (neuroner) til at erstatte dem, der er gået til i takt med sygdommens udvikling. Den anden er at producere supportceller (glia celler), som beskytter og forhindre nedbrydning af de eksisterende neuroner. Denne efterspørgsel har resulteret i en stor interesse for at kunne differentiere neuroner fra ESC'er (embryonale stamceller) og iPSC'er. I 2012 publicerede et forskerhold en effektiv differentieringsprotokol, der gjorde det muligt at differentiere neuroner fra cerebral cortex ved brug af humane iPSC'er (Chambers et al. 2012). Det væv, der tidligere kun var tilgængeligt fra afdøde donorer, kunne nu laves kunstigt i laboratoriet.

I Chambers protokol benyttes to organiske molekyler, som er designet og syntetiseret, så de binder specifikke receptorer på cellernes overflade og hæmmer signalering igennem disse i en proces der kaldes inhibering. Cellerne stopper med at selvforny og begynder i stedet at differentiere sig. Samtidig blokeres andre signalveje i cellerne, hvilket styrer differentieringsprocessen imod neural ectoderm (Chambers et al. 2009). Til sammen aktiveres netop de naturlige differentieringsprocesser, som konverterer stamcellerne til mere specificerede neurale stamceller.

Differentieringen foregår typisk ved, at stamcellerne dyrkes med de omtalte stoffer. Efter cirka 10 dage udvikler cellerne sig, og er klar til videre modning til voksne neuroner. Efter 60 dages differentiering er de fleste af neuronerne modne og kan testes for funktion. Ofte testes neuronerne for, om de kan generere de samme elektriske impulser, som man ser i normale neuroner, når der tilsættes neurotransmittere såsom dopamin, glutamat eller GABA.


Figur 1. Neuroner i kultur efter 62 dages differentiering. © Hjalte Martin Larsen.

Som følge af Chambers protokol er der blevet udviklet en lang række nye protokoller, hvor det med stor effektivitet er muligt at differentiere helt specifikke typer af neuroner. Dette er nyttigt for forskere, der eksempelvis arbejder med Parkisons sygdom, da de hovedsageligt er interesseret i at differentiere dopaminerge neuroner til at erstatte de neuroner, som nedbrydes og forsvinder i hjerneregionen substrantia nigra hos Parkinsons patienter. I relation til de tidligere nævne strategier har man i dyr både forsøgt at transplantere neurale progenitorceller (NPC'er), og at transplantere modne neuroner. Transplantationen af NPC'er viste, at NPC'erne differentierede til både neuroner og glia efter transplantation, og naturligt blev inkorporeret i det allerede eksisterende hjernevæv (Wernig et al. 2008). Ligeledes har flere forskergrupper forsøgt at transplantere modne dopaminerge neuroner, men med blandet succes. Et stort problem var, at rotterne udviklede tumorer, da de transplanterede kulturer stadig indeholdte iPS'er. Det var derfor nødvendigt at cellesortere kulturerne, så tilbageværende iPS'er blev ekskluderet (Wernig et al. 2008). Dog så forskerne en klar forbedring i bevægelsesapparatet hos de rotter, som havde modtaget de differentierede, dopaminerge neuroner (Hargus et al. 2010).

Ordliste

Kortikale neuroner: Neuroner, som stammer fra hjernebakken.

Receptor: Protein som sidder på overfladen af celler, og som virker som en antenne. Receptoren kan aktiveres af forskellige faktorer såsom små molekyler, hormoner, proteiner, mv., og sætte gang i forskellige processer i cellen.

Dopaminerge neuroner: Neuroner der producerer og signalerer vha. hormonet dopamin.

Dopamin: Hormon der benyttes af dopaminerge neuroner til at signalere til andre neuroner.

GABA: Inhibitorisk neurotransmitter

Substantia nigra: Struktur i midthjernen, som har stor betydning for belønning, afhængighed, og bevægelse.

Synapse: En synapse er kontakten mellem to neuroner, der muliggøre elektrisk eller kemisk signalering mellem cellerne.

Referencer

Chambers, S. M., Fasano, C. a, Papapetrou, E. P., Tomishima, M., Sadelain, M., & Studer, L. (2009). Highly efficient neural conversion of human ES and iPS cells by dual inhibition of SMAD signaling. Nature Biotechnology, 27(3), 275–80.

Chambers, S. M., Qi, Y., Mica, Y., Lee, G., Zhang, X.-J., Niu, L., … Studer, L. (2012). Combined small-molecule inhibition accelerates developmental timing and converts human pluripotent stem cells into nociceptors. Nature Biotechnology, 30(7), 715–20.

Hargus, G., Cooper, O., Deleidi, M., Levy, A., Lee, K., Marlow, E., … Isacson, O. (2010). Differentiated Parkinson patient-derived induced pluripotent stem cells grow in the adult rodent brain and reduce motor asymmetry in Parkinsonian rats.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107(36), 15921–6.

Wernig, M., Zhao, J.-P., Pruszak, J., Hedlund, E., Fu, D., Soldner, F., … Jaenisch, R. (2008). Neurons derived from reprogrammed fibroblasts functionally integrate into the fetal brain and improve symptoms of rats with Parkinson's disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(15), 5856–61.