Denne omfattende oversigt fremhæver store gennembrud inden for stamcelleforskningen over de seneste tyve år, som viser, hvordan forskere nu kan reprogrammere voksne celler til pluripotente stamceller, der kan udvikle sig til enhver celletype i kroppen. Artiklen gennemgår fem hovedtyper af stamceller – embryonale, meget små embryonallignende, kerneoverførsel, reprogrammerede og voksne stamceller – hver med unikke kilder og klinisk potentiale. Vigtige fremskridt omfatter forbedrede reprogrammeringsmetoder ved brug af vira, RNA og kemikalier; bedre kultursystemer uden animalske produkter; og nye 3D-biotrykningsteknologier, som potentielt kan skabe transplanterbare væv og organer.

Nylige gennembrud i stamcelleforskning: Fra laboratorieopdagelser til patientapplikationer

Indholdsfortegnelse

• Introduktion
• Kilder til pluripotente stamceller
• Embryonale stamceller (ESC)
• Meget små embryonallignende stamceller (VSEL)
• Kerneoverførselstamceller (NTSC)
• Reprogrammerede stamceller (RSC)
• Voksne stamceller
• Kliniske anvendelser og fremtidige retninger
• Etiske overvejelser
• Kildeinformation

Introduktion

Stamcelleforskningen har gennemgået revolutionære forandringer over de seneste 20 år, med særligt hurtige fremskridt i det sidste årti. Feltet startede i 1961, da canadiske forskere, dr. James A. Till og dr. Ernest A. McCulloch, først opdagede stamceller i museknoglemarv, der kunne udvikle sig til forskellige celletyper, hvilket etablerede begrebet om pluripotente stamceller (PSC) – celler, der kan blive til enhver celletype i kroppen.

Feltet har opnået flere afgørende milepæle: Fåret Dolly blev klonet i 1996 ved brug af somatisk kerneoverførsel (SCNT), de første humane embryonale stamceller (hESC) blev isoleret i 1998, og inducerede pluripotente stamceller (iPSC) blev skabt i 2006 ved at reprogrammere voksne celler med blot fire transkriptionsfaktorer. Vigtigheden af disse opdagelser blev anerkendt, da Shinya Yamanaka og John Gurdon modtog Nobelprisen i 2012 for deres arbejde, der viste, at modne celler kunne reprogrammeres til en pluripotent tilstand.

Forskere har identificeret fem hovedkategorier af stamceller gennem systematisk gennemgang: embryonale stamceller (ESC), meget små embryonallignende stamceller (VSEL), kerneoverførselstamceller (NTSC), reprogrammerede stamceller (RSC) og voksne stamceller. Hver type tilbyder unikke fordele og udfordringer for klinisk anvendelse. Kun NTSC er blevet brugt til at generere en hel organisme (aber i Kina, 2018), mens andre typer er blevet brugt til at skabe væv og organer.

Stamceller, især ESC og iPSC, viser enormt potentiale inden for fire hovedområder: regenerativ og transplantationsmedicin, sygdomsmodellering, lægemiddelopdagelsesscreening og human udviklingsbiologi. Feltet udvikler sig fortsat fra indledende opdagelser til udvidede kliniske anvendelser, selvom udfordringer vedrørende cellevækst og differentieringskontrol fortsat eksisterer – især fordi iPSC-reprogrammeringsteknologien stadig er relativt ny.

Kilder til pluripotente stamceller

Pluripotente stamceller (PSC) kendetegnes ved to essentielle egenskaber: selvfornyelse (evne til at formere sig) og potens (evne til at differentiere til specialiserede celletyper fra et af de tre primære kimlag: ektoderm, endoderm eller mesoderm). Forskere bruger tre hovedtests til at undersøge pluripotens i musemodeller.

Teratomedannelsestesten evaluerer spontan dannelse af differentieret væv fra alle tre kimlag efter transplantation af celler i immunkompromitterede mus. Kimeradannelsestesten undersøger, om stamceller bidrager til udvikling ved at injicere dem i tidlige embryoer (2N-blastocyster) og kontrollere, om donorceller har germlinetransmissionskapacitet, genererer funktionelle gameter og bevarer kromosomintegritet. Tetraploid (4N)-komplementeringstesten bestemmer kapaciteten af pluripotente celler til at danne en hel organisme ved at injicere celler i 4N-embryoer og overvåge vækststadier for ekstraembryonale linjer, der stammer fra de transplanterede stamceller snarere end fra embryoet selv.

Embryonale stamceller (ESC)

Humane embryonale stamceller (hESC) høstes fra tidlige blastocyster (4-5 dage efter befrugtning) enten ved at ødelægge kildeblastocysten eller ved at høste væv fra senere stadier (op til 3 måneders gestationsalder). Disse var de første stamceller, der blev anvendt i forskningssammenhænge, og bruges stadig almindeligt i kliniske forsøg i dag (som registreret på clinicaltrials.gov).

hESC repræsenterer guldkvaliteten for pluripotens, men medfører etiske bekymringer vedrørende embryoødelæggelse og potentielle immunafstødningsproblemer ved transplantation til patienter. På trods af disse udfordringer giver de fortsat værdifuld indsigt i udviklingsbiologi og fungerer som vigtige sammenligningsgrundlag for nyere stamcelleteknologier.

Meget små embryonallignende stamceller (VSEL)

En ny type pluripotent stamcelle kaldet meget små embryonallignende stamceller (VSEL) har vist potentiale siden deres identifikation i 2006. Over 20 uafhængige laboratorier har bekræftet deres eksistens, selvom nogle grupper har sat spørgsmålstegn ved deres validitet. Disse celler er små, tidlige udviklingsstamceller fundet i voksne væv, der udtrykker pluripotensmarkører.

VSEL måler cirka 3-5 mikrometer i mus og 5-7 mikrometer i mennesker (lidt mindre end røde blodceller). De udtrykker ESC-markører inklusive SSEA, nukleær Oct-4A, Nanog og Rex1, sammen med markører for migrerende primordiale germceller som Stella og Fragilis. Deres udviklingsmæssige oprindelse kan være forbundet med germline-deponeringer i udviklende organer under embryogenese.

Ifølge en foreslået model fra 2019 stammer VSEL fra primordiale germceller og differentierer til tre potentielle skæbner: mesenchymale stamceller (MSC), hemangioblaster (inklusive hematopoietiske stamceller og endoteliale progenitorceller) og vævforpligtede stamceller. Som pluripotente stamceller kan VSEL have fordelen af at kunne differentiere på tværs af kimlag i voksne dyr eller mennesker, og fungerer potentielt som et alternativ til monopotente vævforpligtede stamceller hos voksne.

VSEL kan overvinde flere problemer forbundet med andre stamcelltyper: de etiske kontroverser omkring ESC og teratome (svulst)dannelsesrisikoen ved iPSC. Dette gør dem særligt lovende for fremtidige stamcellestudier og kliniske anvendelser, hvor disse bekymringer udgør væsentlige barrierer.

Kerneoverførselstamceller (NTSC)

Oprindeligt opdaget i 1996, har teknikken til somatisk kerneoverførsel (SCNT) gradvist udviklet sig til at generere kerneoverførselstamceller (NTSC). Processen begynder med at implantere en donorkerne fra en fuldt differentieret somatisk celle (som en fibroblast) i en enukleeret oocyt (ægcelle med fjernet kerne).

Den nye værtsægcelle udløser derefter genetisk reprogrammering af donorkernen. Talrige mitotiske divisioner af denne enkelte celle i kultur udvikler en blastocyste (cirka 100 celler i tidligt embryo), som i sidste ende genererer en organisme med næsten identisk DNA til den oprindelige organisme – en klon af kerneoverførseldonoren. Processen kan producere både terapeutisk og reproduktiv kloning.

Fåret Dolly (1996) var den første succesfulde reproduktive klon af et pattedyr. Siden da er cirka to dusin andre arter blevet klonet. I januar 2018 meddelte kinesiske forskere i Shanghai, at de succesfuldt havde klonet to hunmakakaber ved brug af fetale fibroblaster via SCNT – de første primater klonet ved denne metode.

Oprettelse af klonede primater kunne revolutionere human sygdomsforskning. Genetisk ensartede ikke-humane primater kunne tjene som værdifulde dyremodeller for primatbiologi og biomedicinsk forskning, hvilket hjælper med at undersøge sygdomsmekanismer og lægemiddelmål samtidig med at reducere forvirrende genetisk variation og antallet af nødvendige laboratoriedyr. Denne teknologi kunne kombineres med CRISPR-Cas9-genredigering for at skabe genetisk modificerede primatemodeller af humane lidelser som Parkinsons sygdom og forskellige kræftformer.

Farmaceutiske virksomheder har udtrykt stor efterspørgsel efter klonede aber til lægemiddeltestning. Begejstrede for dette perspektiv har Shanghai prioriteret finansiering til etablering af et Internationalt Primatforskningscenter for at producere klonede forsøgsdyr til international brug. SCNT er unik blandt stamcellemetoder, da det kan generere en hel levende organisme snarere end blot cellag, væv eller organstykker, hvilket giver det biofysiologiske funktionsfordele over ESC og iPSC til både grundlæggende forskning og klinisk anvendelse.

Reprogrammerede stamceller (RSC)

Siden 2006, hvor Yamanaka og kolleger først genererede inducerede pluripotente stamceller (iPSC), har reprogrammeringsteknologier betydeligt fremskredet. Dette gælder især for direkte reprogrammeringsmetoder både i laboratoriemiljøer (in vitro) og i levende organismer (in vivo) for at producere specifikke vævlinjer ved brug af linjebegrænsede transkriptionsfaktorer, RNA-signalmodifikationer og små molekyler eller kemikalier.

Disse direkte tilgange springer iPSC-trinnet over og giver mere præcise celler som inducerede neurale progenitorceller (iNPC), der er tættere på målcellinjer som nerveceller og efterfølgende motorneuroner. Reprogrammerede stamceller (RSC) fremstilles ved at anvende laboratoriemetoder til at reprogrammere genetiske signaler fra primære celler, med undtagelse af SCNT-teknikken.

For at overvinde etiske og immunogene udfordringer forbundet med hESC er iPSC fremstået som et lovende alternativ, da de stammer fra voksne somatiske væv. Kilder til humane iPSC – inklusive blod, hud og urin – er rigelige. Da hiPSC kan høstes fra individuelle patienter, kan immunafstødning undgås, når de transplanteres tilbage til den samme patient (autolog transplantation).

Forskere har udviklet metoder til at opnå hiPSC fra renale tubulære celler til stede i urin. En protokol, der kun kræver en 30 ml urinprøve, er enkel, relativt hurtig, omkostningseffektiv og universel (anvendelig for patienter i alle aldre, køn og racemæssige/etniske baggrunde). Den samlede procedure involverer blot 2 ugers celledyrkning og 3-4 ugers reprogrammering, hvilket producerer høje iPSC-udbytter med fremragende differentieringspotentiale.

Urinafledte iPSC indsamlet fra 200 mL rene midtstrømsurinprøver via Sendai-virusleveringssystemet viste normal karyotype (kromosomstruktur) og udviste potentiale til at differentiere til alle tre kimlag i teratomtests. En subpopulation af celler isoleret fra urin viste progenitorcelleegenskaber, inklusive celleoverfladeudtryk af c-Kit, SSEA4, CD105, CD73, CD91, CD133 og CD44-markører, der kan skelne mellem blærecellelinjer (urotelial, glat muskulatur, endotel og interstitiel), hvilket gør dem til en lovende alternativ cellkilde.

Voksne stamceller

Voksne stamceller repræsenterer en anden vigtig kategori af stamceller fundet i forskellige væv i hele kroppen. I modsætning til pluripotente stamceller er disse typisk multipotente – i stand til at differentiere til et begrænset udvalg af celletyper specifikke for deres væv af oprindelse.

Almindelige kilder omfatter knoglemarv, fedtvæv, tandpulpa og forskellige organer. Mesenkymale stamceller (MSC'er) er blandt de mest undersøgte voksne stamceller og har vist potentiale i behandling af inflammatoriske tilstande, fremme af vævsreparation og modulation af immunrespons.

Selvom de er mindre alsidige end pluripotente stamceller, tilbyder voksne stamceller fordele som færre etiske bekymringer, lavere risiko for tumorudvikling og etableret klinisk anvendelse i procedurer som knoglemarvstransplantation. Forskningen fortsætter med at udforske deres fulde potentiale og virkningsmekanismer.

Kliniske anvendelser og fremtidige retninger

Stamcelleforskningen har udviklet sig gennem grundlæggende forskning, prækliniske studier og nu kliniske forsøg på tværs af flere anvendelsesområder. Fremskridt inden for reprogrammeringsfaktorkombinationer, eksperimentelle metoder og afklaring af signalkaskader har bidraget til de første kliniske forsøg med transplantation af retinale celler og rygmarvstransplantationer.

Feltet fortsætter med at adressere udfordringer relateret til cellevækst og differentieringskontrol. Forskere gennemgår systematisk metodetemaer inklusive: induktion af pluripotens ved genommodifikationer; konstruktion af nye vektorer med reprogrammeringsfaktorer; fremme af iPSC-pluripotens med små molekyler og genetiske signalkaskader; forbedring af reprogrammering med microRNA'er; induktion og forstærkning af iPSC-pluripotens med kemikalier; generering af specifikke differentierede celletyper; og opretholdelse af iPSC-pluripotens og genomisk stabilitet.

Disse temaer er afgørende for at maksimere effektiviteten af iPSC-generering og differentiering som forberedelse til klinisk implementering. Fremskridt inden for cellekultur inkluderer feeder-fri kultur, xeno-fri medier (uden dyreprodukter) og forskellige biomaterialeforstærkede teknikker. Tredimensionelle (3D) cellulære og bioprinting-teknologier repræsenterer særligt lovende retninger sammen med PSC-ressourcer og andengenerations direkte cellulær reprogrammering i levende organismer.

Langtidige mål for stamcelleforskning og klinisk praksis fokuserer på udvikling af sikre, effektive behandlinger for tilstande inklusive neurodegenerative sygdomme, rygmarvsskader, hjertekarsygdomme, diabetes og mange andre tilstande hvor cellersstatning eller vævsregenerering kunne give terapeutisk gavn.

Etiske overvejelser

Stamcelleforskningen fortsætter med at navigere i vigtige etiske overvejelser, især vedrørende embryonale stamceller og kloningsteknologier. Destruction af humane embryoner til hESC-forskning forbliver kontroversiel i mange samfund og reguleres forskelligt på tværs af lande.

Nye teknologier som iPSC'er hjælper med at adressere nogle etiske bekymringer ved at give alternative kilder til pluripotente celler uden embryodestruktion. Dog opstår nye etiske spørgsmål vedrørende genetisk manipulation, samtykke til celledonation og retfærdig adgang til resulterende terapier.

Det internationale forskningsfællesskab fortsætter med at udvikle retningslinjer og regulativer for at sikre etisk fremskridt inden for stamcelleforskning samtidig med at maksimere potentielle fordele for patienter lider af forskellige sygdomme og tilstande.

Kildeinformation

Originalartikel Titel: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications

Forfattere: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler

Publikation: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32

DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x

Denne patientvenlige artikel er baseret på peer-reviewed forskning og sigter mod at gøre kompleks videnskabelig information tilgængelig samtidig med at bevare alle essentielle fund og data fra den originale publikation.