Reparation med stamceller - realistisk, hvordan og hvornår?

I denne artikel belyses stamcellebegrebet og de seneste forskningsresultater vedrørende iPS-celler i relation til Parkinsons sygdom. Endelig fortælles om et nyt EU projekt, der har til formål at optimere transplantation af fostervæv til parkinsonpatienter, så man er bedst muligt rustet til at transplantere celler udviklet fra stamceller, så snart de er klar.

Stamcelleforskningen gennemgår store udviklinger netop disse år. Speciel bevågenhed er der på de nyopdagede muligheder for at omprogrammere modne bindevævsceller og andre celletyper til såkaldte ’inducerede pluripotente stamceller’ (iPS-celler) med egenskaber som embryonale stamceller.

Sådanne iPS-celler kan i givet fald afhjælpe de etiske problemer, der måtte være i tilknytning til brugen af befrugtede æg (embryonale stamceller), men udviklingen og dermed anvendelsen af dem er bl.a. afhængig af ny viden fra forskningen i embryonale stamceller. iPS-cellerne åbner desuden op for udvikling af patient-tilpassede celler uden risiko for immunologisk afstødning efter transplantation.

Endelig kan iPS-celler, udviklet fra personer med bestemte arvelige sygdomme, bidrage til afklaring af sygdomsmekanismer og dermed design af ny behandling.

IPS-celler kontra ’terapeutisk kloning’ - udsigt til patient-tilpassede celler
Ved terapeutisk kloning erstattes cellekernen i en ægcelle (og dermed arvemassen) med cellekernen fra en specialiseret celle, som f.eks. en bindevævscelle fra huden. Den kernetransplanterede ægcelle stimuleres derefter til deling og udvikling af en blastocyst, ligesom en befrugtet ægcelle. Embryonale stamceller dannet fra denne blastocysts indre cellemasse kan derefter i princippet udvikles til alle kroppens typer af celler, og de vil uden væsentlig risiko for afstødning kunne transplanteres til den person, som den transplanterede cellekerne kom fra.

Proceduren for menneskeceller har dog vist sig både teknisk vanskelig og tidskrævende, ligesom terapeutisk kloning rejser en række etiske problemstillinger. Den hastige udvikling indenfor ’inducerede pluripotente stamceller’ (se nedenfor), hvor ægceller og ’kloning’ ikke er involveret, forventes derfor helt at udkonkurrere den terapeutiske kloning som metode til dannelse af patient-tilpassede stamceller.

Fremskridt indenfor reprogrammering af modne celler
Ved at tilføre ganske få gener, som er aktive i embryonale stamceller, til modne vævsceller i kultur, er det nu muligt at aktivere bestemte udviklingsgener og slukke for ’specialiserings-gener’, så de modne celler gennem celledelinger får samme egenskaber som embryonale stamceller. Teknikken beskrives som omprogrammering eller reprogrammering af somatiske celler, og de dannede stamceller kaldes iPS-celler (inducerede pluripotente stamceller).

Ved brug at standardiserede protokoller og cellespecifik modning af iPS-cellerne, som man kender fra opformering og specialisering af embryonale stamceller, vil man kunne producere celler af forskellig type fra det enkelte individ til transplantation uden væsentlig risiko for immunologisk afstødning.

Klinisk brug af celler udviklet ved iPS metoden skal dog, ligesom brug af celler udviklet fra embryonale stamceller, tilpasses på en række områder. Helt afgørende er det, at metoden til at indføre de udviklingsgener, der starter reprogrammeringen optimeres. For eksempel har man i flere laboratorier brugt retrovirus til at indsætte de nødvendige gener i cellerne. Da retrovirus selv sætter sig ind tilfældige steder i cellernes arvemasse, kan der være risiko for senere, unormal cancer-lignende vækst af cellerne.

Der findes dog allerede flere brugbare løsninger. Det er således lykkedes nogle forskerhold at bruge adenovirus, som er en almindelig og mindre skadelig forkølelsesvirus, i stedet for retrovirus, til at transportere proteiner og DNA ind i celler uden risiko for, at gen-materialet går ind i værtscellernes egen arvemasse. Indtil nu er brug af adenovirus dog ikke så effektiv. Mere lovende er det, at flere forskergrupper med held har udført virus-fri reprogrammering, som både ser ud til at være mere effektiv end brug af adenovirus, og som allerede er vist at virke på humane celler. Her bruges et såkaldt ‘konstrukt’, der integreres i cellernes DNA, ligesom retrovirus, men kun kortvarigt til ændringerne i cellerne er sat igang. Risikoen for cancerudvikling er dermed fjernet.

Som noget helt nyt, er det endelig lykkedes forskere at reprogrammere dyrkede humane celler udelukkende ved at tilsætte de udviklingsproteiner til dyrkningsmediet, som de tilførte gener ellers vil få cellerne til selv at producere. Indtil videre er denne metode dog ikke tilstrækkelig effektiv, hvilket nok skyldes, at cellerne og deres indre ’maskineri’ skal reagere på proteiner udenfor i dyrkningsmediet. Der er imidlertid flere metoder til at få proteiner transporteret ind i celler på, så der forventes snart et gennembrud.

Nye muligheder
Det fantastiske i den sammenhæng er ikke, at man ved tilførsel af gener eller proteiner, kan ændre en celles funktioner, men det, at ændringer i kun få gener eller proteiner kan bringe en moden, delende celle og dens datterceller tilbage til stamcellestadiet. Men der åbner sig måske endnu flere muligheder. For nylig har et amerikansk forskerhold vist, at det er muligt at reprogrammere bindevævsceller fra mus direkte til nerveceller, uden først at skulle reprogrammere cellerne helt tilbage til det ’embryonale’ stamcellestadium, som beskrevet ovenfor.

Nervecellerne udviste specifikke funktionelle egenskaber i cellekulturer, men forskerne mangler dog stadig at fastslå, om disse nerveceller også kan virke ved transplantation i dyreforsøgsmodeller.

Dette studie åbner op for en hel række forsøg, der nærmere skal klarlægge mekanismer og rækkefølger af påvirkninger ved reprogrammering, samt undersøge om nogle celletyper som udgangspunkt er mere egnede til reprogrammering end andre, hvis man f.eks. ønsker at udvikle og opformere dopaminerge nerveceller til behandling af Parkinsons sygdom.

Brug af iPS-celle teknologi til at danne dopaminerge nerveceller til behandling og forskning i sygdomsmekanismer
Vedrørende den praktiske anvendelse af iPS-celler har amerikanske forskere vist, at det er muligt med effekt at behandle parkinsonistiske rotter med dopaminerge nerveceller udviklet fra retroviralt-reprogrammerede hudceller/bindevævsceller. Med de nye metoder til virus-fri reprogrammering under konstant udvikling kan man forvente, at der indenfor kort tid vil komme resultater under brug af sådanne mere sikre celler til behandling af parkinsonistiske forsøgsdyr.

En anden særdeles interessant anvendelse af iPS-celler er udvikling af sygdomsspecifikke modeller til udforskning af sygdomsmekanismer samt potentiel udvikling af nye behandlingsstrategier. Et amerikansk forskerhold har allerede vist, at det ved virus-fri reprogrammering er muligt at udvikle iPS-celler fra bindevævsceller i underhuden hos parkinsonpatienter, og at de efter opformering kan danne dopamin-producerende celler.

Et helt nyt arbejde beskriver, hvordan disse celler nu er transplanteret til parkinsonistiske rotter med relativ god overlevelse og reduktion af parkinsonistiske motoriske symptomer. Sådanne nye modelsystemer giver spændende muligheder for at studere cellerne under mere fysiologiske forhold og kan således måske bidrage til at klarlægge mekanismerne bag sygdommen.

Udfordringer vedrørende stamceller og Parkinsons sygdom
Isolering af humane embryonale stamceller fra blastocyster og neurale vævsstamceller fra fosterhjerner og visse områder i den voksne hjerne er i dag rutine i mange laboratorier. Efter udtagning foregår opformeringen af cellerne i kultur under tilsætning af molekyler, som stimulerer celledeling og fastholder cellerne i den umodne fase. Formålet med at dyrke cellerne i kultur er dels at studere deres udvikling, dels få dem til at danne kloner (identiske grupper af celler), så man kan opnå store og ensartede populationer af celler til forskning og senere standardiseret sygdomsbehandling.

Der mangler dog stadig afgørende viden om de forskellige ydre faktorer og cellulære interaktioner, der kan fastholde stamcellerne på et bestemt udviklingstrin under opformering og siden, hvordan man præcist kontrollerer deres videre udvikling i retning af bestemte celletyper, såsom dopamin-producerende nerveceller. Hertil kommer, at isolering, opformering og specialisering af celler til transplantation kræver adgang til særlige certificerede faciliteter fastlagt af EUs Vævsdirektiv om donation, videnskabsetisk godkendelse og godkendelse fra nationale sundhedsmyndigheder.

Parkinsons sygdom med tab af dopaminerge nerveceller i hjernestammens substantia nigra er en af de neurodegenerative sygdomme, hvor der indenfor en meget kort årrække må forventes at blive udført kliniske behandlingsforsøg med transplantation af umodne dopaminerge nerveceller udviklet fra stamceller.

Det skyldes bl.a., at der allerede findes erfaringer fra de tidligere eksperimentelle kliniske behandlinger med transplantation af umodne dopaminerge nerveceller fra aborterede fosterhjerner, som viste en væsentlig forbedret motorisk funktionstilstand, når antallet af dopaminerge nerveceller i transplantaterne var tilstrækkeligt stort.

Der er dog knyttet både etiske og praktiske problemer til behandlingen. De etiske problemer hænger overvejende sammen med brugen af væv fra aborterede fostre, mens de praktiske problemer skyldes, at man finder færre dopaminerge nerveceller i transplantaterne end forventet. Man skal derfor bruge væv fra adskillige fostre til hver patient, og i praksis umuliggør det brug af metoden til regulær behandling. Brugen af hjernevæv på lidt forskellige udviklingsstadier, som det naturligt vil være med humant abortmateriale, vanskeliggør samtidig en egentlig standardisering og dermed sammenligning af resultater mellem forskellige kliniske studier.

Endelig har man hos visse transplanterede patienter observeret ufrivillige bevægelser (dyskinesier) – et problem, man dog nu begynder at forstå, og som man forventer vil kunne undgås, hvis nerveceller der bruger serotonin som signalstof ikke inkluderes i transplantaterne.
Imod celleterapi til parkinsonpatienter kunne umiddelbart tale, at man siden 2008 i nogle undersøgte transplantater fra afdøde parkinsonpatienter har observeret visse parkinson-lignende forandringer (Lewi-legemer), som kunne indikere, at transplantaterne angribes af sygdommen.

Disse observationer kan helt klart bidrage til forståelse af mekanismerne bag Parkinsons sygdom, men de udgør ikke et væsentligt argument imod celleterapi, eftersom de nævnte forandringer kun synes at involvere ganske få celler og desuden tager omkring 15 år om at udvikles. Endelig skal det nævnes, at en stamcelle-baseret terapi nok typisk vil tilbydes de 50-70 årige patienter, og at de omtalte Parkinson-lignende forandringer ikke er påvist at have ændret transplantaternes funktion.

Optimering af transplantationsprocedurerne
Som det fremgår af ovenstående afsnit, er der behov for udvikling af ensartede, transplantérbare, umodne dopaminerge nerveceller. Ensartet cellulær kvalitet vil bl.a. forbedre mulighederne for at sammenligne resultater fra forskellige centre og dermed sikre en fortsat forbedring af behandlingen.

I overensstemmelse med denne tankegang har en række førende europæiske forskningscentre med EU-støtte igangsat projektet TRANSEURO (www.transeuro.org.uk ). Det har til formål at udføre et nyt og meget grundigt klinisk transplantationsstudium med brug af humant fostervæv. Når man går i gang nu og med brug af fostervæv, skyldes det fire faktorer:

  • Det vil stadig tage nogen tid, inden klinisk transplantérbare, umodne dopaminerge nerveceller er udviklet fra stamceller.
  • Resultater fra transplantation af fostervæv udgør fortsat ’the golden standard’, som resultaterne af andre transplantationsforsøg vil blive sammenlignet med.
  • Der er plads til forbedringer af de tidligere transplantationer med fostervæv, både m.h.t. udvælgelsen af patienter, og m.h.t at undgå eller reducere antallet af serotonerge nerveceller i transplantaterne.
  • Der vil, som tidligere nævnt, med et mere standardiseret celleindhold i donormaterialet, være basis for bedre sammenlignelighed mellem de deltagende gruppers resultater. Dermed vil der kunne etableres en ny og bedre ’golden standard’ til når dopaminerge nerveceller udviklet fra stamceller er klar til brug.

De tidligere transplantationsstudier blev udført på forskellige klinikker primært i Sverige og USA med forskel i procedurerne for bl.a. forbehandling og levering af forstervæv og behandling mod immunologisk afstødning af transplantaterne. Ved grundig gennemgang af disse studier samt resultaterne af en lang række dyreeksperimentelle forsøg har man i det nye projekt justeret på en række forhold vedr. bl.a. patientudvælgelse, uddisektion af donorvæv, og de kliniske tests efter transplantation. De første TRANSEURO patienter forventes at blive transplanteret i starten af 2012, således at de første resultater vil kunne analyseres i løbet af 2012.

Transplantation af celler udviklet fra embryonale eller neurale stamceller vil naturligvis ikke løse alle de etiske praktiske problemstillinger, men med optimerede metoder forventer man, fra meget få blastocyster eller donorhjerner, at kunne fremstille meget store antal celler til behandling af patienter. Samtidig forventer man, at transplantation af mere rene populationer af umodne dopaminerge nerveceller vil reducere den variation i virkningen og den risiko for udvikling af dyskinesier, der hidtil er set efter transplantation af væv fra fosterhjerner.

Dette vil også forbedre mulighederne for at sammenligne resultaterne fra forskellige centre, og sikre en mere koordineret og dermed bedre indsats.

(Denne tekst blev bragt i Parkinson Nyt i marts 2011. Teksten er skrevet af Pia Jensen, Ph.D.-studerende, cand.scient., Jens Zimmer, prof. emeritus, dr.med. og Morten Meyer, lektor, Ph.D., Neurobiologisk Forskning, Institut for Molekylær Medicin, Syddansk Universitet, Odense.)