17. juni 2014

Stamceller kan bruges til sygdomsbehandling

Kroppens evne til at forny væv, hvis vi fx kommer til skade, beror på, at vi har depoter af stamceller. Stamcellerne kan dog kun reparere mindre skader i kroppen og derfor forsker man i at frembringe stamceller, der kan supplere vores medfødte evner til regeneration
Visse alvorlige sygdomme opstår som følge af, at mange celler i et bestemt væv dør, og kroppens evne til at erstatte de døde celler er utilstrækkelig. Det gælder fx Parkinson's sygdom, hvor dopamin producerende nerveceller i hjerneregionen substantia nigra dør; diabetes type 1, hvor insulinproducerende beta-celler i bugspytkirtlen dør; eller hos patienter, hvis hjerteklapper er ødelagte som følge af fx betændelse. Og tænk hvis nyrepatienten kunne gro en ny nyre; eller hvis soldaten, der mistede sin arm i krig, kunne gro en ny – man ved fx, at visse salamandre kan regenerere tabte lemmer. Hos mennesker findes evnen til at lave nye lemmer foreløbig kun ét sted – nemlig hos fostre. Så måske rummer fosteret svaret på gåden om den menneskelige regeneration?

De fleste af vores celler kan ikke dele sig og blive til flere. Kroppens evne til at forny væv, fx hvis vi kommer til skade, beror på, at vi har depoter af stamceller. Men stamcellerne kan kun reparere mindre skader i kroppen. Derfor forsker man i at fremskaffe stamceller, der kan supplere vores medfødte evner til regeneration.

Kroppens stamceller er delvist specialiserede og kaldes voksenstamceller. Stamcelleforskerne har derudover isoleret uspecialiserede embryonale stamceller fra befrugtede æg. Der forskes i at dyrke stamcellerne til reservevæv og organer, helst af patientens egne celler, så de ikke bliver afstødt af vedkommendes immunforsvar.

Spørgsmål: Hvorfor tror du, at det er vigtigt, at ikke alle celler ligesom stamcellerne har en evne til at dele sig? Hvorfor er alle vores celler ikke bare stamceller – ville det ikke være en stor fordel i og med at det ville gøre os bedre til at "reparere" os selv, når vi blev skadet? Læs svaret længere nede i teksten.

Voksenstamceller

Voksenstamceller er betegnelse for udifferentierede somatiske stamceller, som kan selv-fornye sig og differentiere til celletyper fra det givne organ. Kroppen bruger voksenstamcellerne til at vedligeholde og regenerere skadet væv. Voksenstamceller findes i navlestrengsblod hos nyfødte, i fostervæv og i mindre populationer i stort set alle organer, knoglemarv, rygmarv, skeletmuskulatur, hud og tarmsystem i det voksne individ. Voksenstamceller kan være multipotente, hvilket betyder, at de kan differentieres til et mindre udvalg af vævsspecifikke celletyper; det gælder fx blodstamcellerne i knoglemarven, der både udvikler sig til røde og hvide blodceller. Oftest er de dog unipotente og kan kun blive til én bestemt celletype; fx kan hudstamceller kun give ophav til hudceller og muskelstamceller (såkaldte myoblaster) kan kun blive til muskelceller.
Behandling med voksenstamceller

Voksenstamceller har mange begrænsninger. De er vanskelige at dyrke i laboratoriet, da de let differentierer spontant. Hvis de differentierer, mister de evnen til at forny sig. De er svære at identificere og isolere fra vævets øvrige celler. De findes kun i et begrænset antal – fx er kun cirka én ud af 10.000 celler, man tager fra en donors knoglemarv en brugbar stamcelle. Og i nogle væv, såsom i hjernens nervevæv, er stamceller endnu mere sjældne; indtil for nylig troede man af denne grund, at der fx slet ikke findes stamceller i hjernen.
Der skal samtidig være tale om en donor, hvis væv "matcher" modtagerens væv – det vil sige, de transplanterede celler må ikke blive afstødt af modtagerens immunforsvar. Og det er ikke alle celletyper, man kan skaffe brugbare stamceller til. Selvom der findes gode, velafprøvede terapier med voksenstamceller, er tilgængeligheden og behandlingspotentialet altså begrænset.

Embryonale stamceller (ES-celler)

Den anden stamcelletype, de embryonale, kender man fra det befrugtede æg (embryonet) som de helt uspecialiserede celler, der kan blive til at alle kroppens celletyper. Men de seneste års forskning har vist, at der er flere typer embryonale stamceller:

Totipotente stamceller: Når et æg bliver befrugtet, starter det på at udvikle sig ved celledelinger. I løbet af de første 4 dage deler det sig til 2, til 4 og til 8 celler. Disse celler minder alle meget om det oprindelige befrugtede æg, og ligesom det kan de hver især blive til et barn af sig selv, hvis de placeres i en livmoder. Det sker nogle gange, at ægget deler sig på dette stadie. De enkelte celler bliver da hver især til børn, så man får tvillinger, trillinger eller firlinger, der alle har samme genetiske arvemasse. Stamceller, der kan blive til en organisme af sig selv, er totipotente. De totipotente stamceller i det befrugtede æg kan ikke i laboratoriet bevare deres evne til at danne et barn af sig selv, og de vil formentlig ikke få stor forskningsmæssig betydning.

Plutipotente stamceller: Når det befrugtede æg har udviklet sig og delt sig gennem en uges tid, danner det en lille klump af uspecialiserede celler, som senere vil udvikle sig til selve fosteret. Disse celler har evnen til at blive til alle kroppens celler. Denne egenskab kaldes pluripotens og er forskellig fra totipotens, derved at pluripotente stamceller ikke kan udvikle sig til et barn, hvis de placeres i en livmoder. De kan nemlig ikke danne fosterhinder og moderkage, og de kan ikke organisere hele den byggeplan, et barn gradvist bygges op efter.

Det er de pluripotente stamceller, som bruges i embryonal stamcelleforskning. I 1998 lykkedes det nemlig for første gang at tage sådanne stamceller ud af menneskelige embryoner og holde dem i live i laboratoriet. Her har de en egenskab, der er meget gavnlig set fra et behandlingsperspektiv: De kan dele sig i det uendelige uden at forandre sig, hvilket gør det teknisk muligt at opformere en enkelt embryonal stamcelle til flere tusinde ens stamceller.

Ved etablering af en embryonal stamcellelinie udtages de embryonale stamceller fra blastocystens indre cellemasse og overføres til en laboratorieskål, hvor de under de rette vækstbetingelser vil begynde at dele sig. Efter cirka en uge har de dannet en egentlig cellekoloni af ens embryonale stamceller. Herefter kan man i princippet få cellerne til at dele sig i det uendelige og nedfryse og optø dem efter behov.

De fleste embryonale stamcellelinier er etablerede fra embryoner, som er til overs fra kunstig be-frugtning. Det vil sige, at væv dyrket fra dem ikke nødvendigvis vil være forligeligt med modtagerens væv, og derfor vil det være nødvendigt for vedkommende at tage immunsuppressive medikamenter for at de transplanterede celler ikke bliver afstødt af modtagerens immunforsvar. Hvis man derimod kunne bruge celler fra patienten selv, afspecialisere dem og derefter specialisere dem mod den vævstype eller måske det organ, patienten mangler – ville disse celler have vedkommendes egen genetiske sammensætning, så hans krop uden videre ville acceptere dem.

Afspecialisering af celler

Som nævnt er kroppens voksenstamceller langt mere specialiserede end ES-cellerne, da de gradvis er differentierede mod specifikke celletyper – en udvikling, der normalt ikke kan "spoles tilbage". Og dog sker det helt rutinemæssigt i mennesker, at celler spoles helt tilbage, nemlig når vi danner kønsceller, der kan give ophav til et helt nyt menneske; et menneske hvis celler endnu ikke er præget af den ælde, man kan spore i resten af kroppen somatiske celler. Det skal dog med, at netop disse celler holdes i en relativt uspecialiseret tilstand under fosterudviklingen.

Det er denne tilbagespolingsproces, forskerne er på jagt efter, for hvis man kunne spole almindelige celler tilbage til et stamcellestadie, ville man i princippet have skabt adgang til en uudtømmelig kilde af stamceller, som er vævsforligelige med patientens organisme, og samtidig undgå de etiske indvendinger, der knytter sig til destruktionen af embryoner.

Det vakte stor opsigt, da det endelig lykkedes i 1996, hvor fåret Dolly blev født og dermed viste offentligheden, at en specialiseret somatisk celle ved hjælp af kernetransplantation kan spoles tilbage til totipotent tilstand i en ægcelle. Vejen til succes var imidlertid lang, og helt frem til opdagelsen var man i tvivl om, hvor langt man ville kunne nå – om hvor plastiske voksenceller og voksen-stamceller egentlig er. Der er nemlig oplagte grunde til, at cellerne i vores krop mangler plasticitet, dvs. er svære at spole tilbage. Det ville naturligvis være til stor ulempe, hvis det for ofte skete, at kroppens celler spontant dannede andre celletyper i et givet væv – tænk hvis der fx opstod muskelceller i hjernen eller leverceller i huden. Den manglende plasticitet, som udgør en barriere i stamcelleforskningen, kan med andre ord siges at være afgørende for den orden, der skal være i vores kroppe. Men 10 år efter Dollys fødsel kom et nyt gennembrud, som vakte næsten lige så stor opmærksomhed:

Induceret pluripotente stamceller (iPS-celler)

I 2006 revolutionerede den japanske forsker Shinya Yamanakas forskerhold endnu engang synet på cellers plasticitet, da de fik bindevævsceller fra "voksne" mus til at afspecialisere sig til pluripotente celler på en uventet enkel måde (se grafik neden for). De tog en lang række forskellige gener, man ved, er særligt aktive i stamceller, og indsatte dem i forskellige kombinationer i tændt form i bindevævscellerne. På den måde fandt forskerne frem til, at kun fire "stamcelle-gener" var nødvendige for at få cellerne til at afspecialisere sig og blive pluripotente. Siden er det blevet vist, at samme procedure kan bruges på menneskelige bindevævsceller. Inducerede pluripotente stamceller (iPSCer) kan udvikle sig til alle celler i det udvoksede individs krop, men de kan ikke danne fosterhinder og moderkage og derfor ikke udvikle sig til et individ af sig selv. Derfor er de ikke totipotente, som de kernetransplanterede celler, men minder snarere om pluripotente embryonale stamceller.

Yamanakas' procedure er dog også behæftet med problemer. I de omtalte forsøg udvikler kun under en promille af cellerne sig til iPS-celler, uden at man helt forstår hvorfor. Et andet problem er, at de stam-gener, man indsætter, også er aktive i kræftceller – de er såkaldte oncogener. Med andre ord: Hvis deres aktivitet ikke kan styres, kan en stamcellebehandling give ophav til kræftsvulster. Nogle forskere har forsøgt at mindske risikoen for dette ved at gå væk fra virus og i stedet indsætte stam-generne i plasmider – cirkelformede stykker DNA, der ikke indsætter sig i cellens eget arvemateriale og dermed er permanente i cellerne, men derimod fortyndes og nedbrydes, når de har udspillet deres rolle. Tiden vil vise, om man i de kommende år vil kunne forfine udviklingen af iPS-celler så meget, at de får en væsentlig rolle at spille i sygdomsbehandling.



I Poul Hyttels forsøg omdannes bindevævsceller fra en patient med en neurogenerativ sygdom til iPS-celler og dyrkes til nerveceller til patienten (illustration Peter Waldorph).

Kan voksenstamceller gøres totipotente?

I stamcelleforskningen interesserer man sig også for, om stamceller kan spoles helt tilbage, så de nulstilles ligesom et befrugtet æg, der er totipotent. Forskning i totipotens kan give en dybere forståelse af, hvordan celler, og dermed liv i det hele taget, grundlæggende fungerer. Specifikt kan man ikke mindst lære noget om, hvordan reproduktionen virker, og det kan måske på sigt fx hjælpe barnløse. Et af de spørgsmål, der optager forskerne mest, er netop, hvad det er for betingelser, der er til stede i det befrugtede æg, som gør, at noget så komplekst som udviklingen af et foster lader sig gøre – tydeligvis en evne som cellerne meget hurtigt efter befrugtningen mister. En helt oplagt måde at afprøve de teorier, man har om dette, er at se, om man kan genskabe de forhold, der er i et befrugtet æg, og få en almindelig celle til at udvikle sig til et fosteranlæg.

Derfor var det spændende nyt, da det i 2013 lykkedes forskere ved Københavns Universitet at frembringe totipotente celler ud fra embryonale stamceller, dvs. celler fra blastocystens indre cellemasse, der normalt regnes som pluripotente (Morgani et al. 2013). Når man dyrker pluripotente celler, og ikke ønsker, at de skal differentiere sig, tilsætter man forskellige stoffer, der undertrykker den spontane differentiering og fremmer cellernes deling. De pluripotente celler, forskerne brugte, var dyrket i et medium med to stoffer, der undertrykker cellernes evne til at reagere på signalstoffer, der fortæller cellen, at den skal differentiere sig. Men forskerne opdagede, at nogle af de gener, der er aktive i celler, der bliver til fosterhinder osv., stadig var aktive i de pluripotente stamceller, der var dyrket på denne måde. De fandt samtidig ud af, at et bestemt protein, der også spiller en rolle for embryonets evne til at sætte sig fast i livmoderen, kunne fremme væksten af netop disse celler. Forskerne kunne med andre ord vise, at man ved at dyrke celler fra fosteranlæggets indre cellemasse med tilstedeværelse af bestemte stoffer kunne få cellerne til at opføre sig som totipotente celler. Om det skyldes, at cellerne er blevet "spolet tilbage" eller om pluripotente celler faktisk i udgangspunktet rummer celler, der har bevaret titopotensen, står endnu ikke klart.

Nu skulle man tro, at man havde opklaret mysteriet om, hvad der foregår i det befrugtede æg. Det viste sig imidlertid, at selvom cellerne var totipotente, kunne de ikke udvikle sig til et foster uden hjælp. De kunne nemlig ikke organisere hele den byggeplan, et barn gradvist bygges op efter. Det embryon, der opstod, var "i uorden" – en orden der ser ud til kun at kunne undgås ved at indsætte en kerne i en ægcelle, der er tømt for sit eget indhold, som tilfældet er med kloning ved hjælp af kernetransplantation. Det lader altså til, at ægget hjælper den totipotente celle med fx at finde ud af, hvor de specialiserede celler skal placeres, efterhånden som celledelingen sker, for at fosterudviklingen kan foregå på den rigtige måde.

 Den nævnte forskning viser, at det ikke er usandsynligt, at man en dag vil kunne nulstille kropsceller til totipotente celler, der kan udvikle sig til et foster, uden at bruge kernetransplantation. Om det vil lykkes, må tiden vise.

Specialisering af stamceller

Som nævnt egner hverken totipotente eller pluripotente stamceller sig til direkte at blive brugt som erstatning for ødelagt væv pga. risikoen for udvikling af kræft. Cellerne skal derimod differentieres først, hvis de skal opføre sig nogenlunde forudsigeligt. I den seneste tid er forskerne blevet mere og mere bekendt med, hvilke signaler der er nødvendige for, at få stamceller til at differentiere i bestemte retninger mod specifikke celletyper og væv. Dog har forskerne stadig meget at lære om signalerne, der er nødvendige for naturlig forsterudvikling.
Reprogrammering af somatiske celler

Tidligere dyrkedes embryonale stamcelle- og iPSC-kulturer sammen med en særlig form for musebindevævsceller. Bindevævscellerne kaldes feeder-celler, fordi de danner en række proteiner, som får stamcellerne til at vokse uden at differentiere. I dag er det lykkedes at identificere, hvilke signaler, som er nødvendige for, at stamcellerne bevarer deres identitet. Stamceller kan derfor i dag dyrkes i laboratoriet uden de såkaldte feeder-celler, hvilket har gjort kultiveringen mere simpel.

I dag findes der mange protokoller, som benyttes til at differentiere stamceller mod celletyper fra forskellige væv. Disse protokoller blev i høj grad udviklet ud fra et 'trial and error'-princip, som det også kan læses af interviewet med stamcelleforskeren Moustapha Kassem. Typisk søger forskerne at identificere de gener, der er ansvarlige for, at en given celledifferentieringen igangsættes, og de vækstfaktorer, der er afgørende for, at de identificerede gener aktiveres. Disse indledende undersøgelser foregår typisk på forsøgsdyr som for eksempel mus. Derefter tilføres de humane stamceller forskellige koncentrationer og kombinationer af de tilsvarende humane vækstfaktorer, indtil man rammer den kombination, der får stamcellerne til at udvikle sig i den ønskede retning. Dette er et langsommeligt og tidskrævende arbejde, der kan tage flere år – hvis det overhovedet lykkes. Når man til sidst har etableret en protokol for det første differentieringstrin, gentager man proceduren for at få cellerne til at videreudvikles mod den ønskede celletype.

Et af de store satsningsområder inden for stamcelleforskningen retter sig mod behandling af type 1 diabetes. Man har i dag behandlet nogle type 1 diabetespatienter med insulinproducerende celler fra donorer. Men sammenholdt med behovet er antallet af donorer lavt, og patienterne må medicineres for ikke at afstøde cellerne. Forsøgene har imidlertid vist, at det kan lade sig gøre at regulere patienters blodsukker ved hjælp af celleterapi, og man håber derfor på, at man ved hjælp af iPS celler kan behandle et langt større antal patienter.

De embryonale stamceller skal imidlertid igennem fire differentieringstrin, før de insulinproducerende ß-celler er dannet. Først skal cellerne specifikt differentieres til endoderme stamceller, der blandt andet giver ophav til lunger, mave, bugspytkirtel, lever og tyndtarm. Dernæst skal den videre udvikling kontrolleres, så der specifikt først dannes bugspytkirtelceller og ikke for eksempel leverceller og derefter endokrine celler også kendt som Langerhanske øer. Til sidst skal cellerne modnes, så der dannes ß-celler.

Udvalgte cellers udviklingsvej og specialisering. I yderste led er cellerne fuldt specialiserede, men indeholder også uni- og i nogle tilfælde multipotente stamceller, der muliggør regenerering og fornyelse af væv. De tidligere specialiseringer foregår i den tidlige fosterudvikling (illustration: Peter Waldorph).

Forskerne har i dag en god idé om, hvilke gener der styrer udviklingen fra embryonale stamceller til ß-celler, men har ikke afklaret hvilke faktorer, der aktiverer de forskellige gener. Således er det stadig kun lykkedes dem at kontrollere det første differentieringstrin.

Der er altså langt fra det leje, hvor forskerne befinder sig nu, til at man egentlig kan kontrollere stamcellers udvikling til ß-celler – og dermed også langt til, at stamceller for alvor kan bruges idiabetes 1 behandlingsøjemed.

Stamcelleforskningens udfordringer

Den helt store udfordring for stamcelleforskningen er altså at få cellerne til at specialisere sig til de ønskede celletyper.

I praksis har det vist sig at være sværere end først antaget at styre cellernes specialisering. Der mangler stadig megen grundforskning, før forskerne forstår de processer, som får celler til at specialisere sig – og forstår dem godt nok til fuldt ud at kunne kontrollere celleudviklingen. For at udvikle komplekse organer skal de uspecialiserede celler have mange påvirkninger på de rigtige tidspunkter, det har vist sig at være en meget kompliceret proces.

Cellespecialisering i en værtsorganisme

For at komme udenom problemerne med at få styr på alle de signaler, der skal få cellerne til at differentiere in vitro, har et japansk forskerhold ledet af Hiromitsu Nakauchis i 2013 rapporteret om deres eksperimenter med at foretage differentieringen i en organisme, som kan overtage styringen af celledifferentieringen. Som 'værter' for dyrkelsen af organer anvender Nakauchi kimærer, altså blandinger af flere individer på celleniveau. Da biologien hos de fleste organismer på celleniveau har meget omfattende ligheder, kan man blande celler fra én art med celler fra en anden, og det bruges en del i forskningen.

Japanerne fremstillede i første omgang et museembryon, som var genetisk modificeret, så det ikke kunne udvikle en bugspytkirtel. Så tilsatte de embryonale rotteceller til museembryonets indre cellemasse. Ud af det kom en kimære, hvis organisme bestod af såvel muse- som rotteceller – dog bestod dens bugspytkirtel kun af rotteceller. Siden har forskerne gentaget forsøget på store pattedyr (grise). De fremstillede et genetisk modificeret griseembryon, som ikke kan udvikle bugspytkirtlen, og tilsatte donor celler fra anden gris. Ud af det kom en grisekimære, med en velfungerende bugspytkirtel, som kun bestod af celler med donorgrisens genom. Det giver håb om, at man også vil kunne fremstille menneskelige reserveorganer i grise.

Der er dog stadig et uløst problem i forhold til at overføre organer fra dyr – eller dyrekimærer – til mennesker, nemlig at man ikke har løst problemet med, at organet vil kunne overføre dyresygdomme til mennesket, hvilket potentielt vil kunne give anledning til epidemier med sygdomme, menneskers immunsystemer ikke kan klare, som vi så det med HIV. Desuden kan der opstå immunologiske problemer med afstødning af organet hos modtageren.

Behandling med voksenstamceller

Behandling med voksenstamceller har fundet sted i mange år. Det foregår typisk ved, at en mindre population af stamceller – enten fra patienten selv eller en donor – isoleres og dyrkes i laboratoriet. Cellerne bliver derefter sprøjtet ind i blodet eller transplanteret til et vævsspecifikt område, hvor de begynder at dele sig og dermed erstatter de celler, som patienten mangler.

Bindevævsceller gør vores hud smidig

Bindevævsceller findes overalt i vores hud, hvor de fx danner de elastiske fibre elastin og collagen, som gør vores hud smidig. De kunne altså udgøre en ret tilgængelig kilde af celler med sigte på at fremstille vævs-matchende stamceller forud for transplantation til det område af kroppen, hvor vævet er nedbrudt
Somatisk celle

Reprogrammering af somatiske celler

Læs mere
Differentiering af stamceller

Differentiering af stamceller til nerveceller

Læs mere